探究大跨度扁平洞室开挖支护影响因素论文_鲁幸

摘要：随着经济的飞速发展，地下空间的开发利用逐渐受到重视，大跨度地下结构具有体型高大、扁平，自振频率低，支护结构的质量与刚度分布不均匀、承受荷载复杂等特点。预应力锚索支护作为一种柔性结构具有容易调节围岩变形，发挥围岩自承能力的特性，在大跨地下工程中得到了广泛应用。结合断面形式为拱形的某超大跨度扁平地下洞室，提出沿洞库进深方向纵向跳格、横断面分步的开挖方案，采用数值模拟的方法对纵向跳格开挖顺序、锚索预应力值以及二次衬砌厚度因素的方案进行了计算，并从洞库拱顶位移、围岩最大剪应变以及锚索、锚杆的受力情况等方面对模拟结果进行了系统分析。结果表明:对于大跨度扁平地下工程采用洞库拱顶位移最小的顺序跳格、逆序回挖的跳格开挖顺序，锚索预应力值取200t，衬砌厚度取1.5m的开挖方案。

关键词：大跨度;扁平地下洞室;开挖

近年来，我国大量地下工程的兴建，所遇到的工程地质条件越来越复杂，由于扁平大跨地下洞室稳定性较差、变形破坏复杂，因此研究节理岩体中扁平大跨地下洞室围岩的破坏模式也就显得尤为重要。尽管我国在大跨度地下工程的开挖成洞方面积累了较成熟的理论和施工经验，但是对于大跨度地下工程开挖顺序和方法的研究仍处于一种经验和半经验的状态，特别是针对结构的承载能力较差的大跨度扁平地下工程的开挖成洞更是如此。对应用于大跨度地下工程支护的研究仍处于一种经验和半经验的状态，特别是针对结构的承载能力较差的大跨度扁平地下工程的支护，对大跨度拱形扁平洞室，提出将进深方向为大跨地下工程变成小跨洞室，从而增加洞室围岩稳定性的纵向跳格、横向分布的开挖方案;同时，采用三维数值模拟的方法对纵向跳格的开挖顺序、锚索预应力值以及二次衬砌的厚度等进行了系统研究，通过对洞顶位移、围岩应变、锚索应力等因素得到了较合理的开挖方案。

一、概述

地下洞室围岩的破坏模式是围岩压力计算的基础，此外围岩的破坏模式对于实际工程设计、施工方法选择以及施工管理也具有重要的参考意义，这就使得围岩破坏模式的研究具有重要的意义。长期以来，对于节理岩体中地下洞室的研究，由于研究手段的局限性，目前的研究结果尚且较少。随着科学技术的发展，数值模拟的研究方法逐渐发展应用到节理岩体的研究中，由于数值模拟方法具有简单易行、造价低、效率高、误差易于控制等优点，并可以较为真实的模拟岩体的物理力学参数、结构特征、以及施工过程，加之方便、快捷、安全、精度可控等优点，已经受到越来越多工程技术人员和科研人员的青睐。

目前常用的数值模拟方法主要分为基于不连续介质力学的数值模拟方法和基于连续介质力学的数值模拟方法两大类。当前较为常用的数值模拟方法主要有以下一些：有限单元法、边界单元法、有限差分法、加权余量法、离散单元法、刚体单元法、不连续变形分析法、流形元法等。其中有限单元法、边界单元法、有限差分法、加权余量法是基于连续介质力学的方法。岩体是一种在漫长的地质年代中经受多次反复的各种地质应力的作用，经受过各种变形和遭受过破坏而形成的一种天然地质体，具有非常复杂的赋存条件和地质构造，是一种典型的“不连续介质”，其力学性质与岩体中的结构面、结构体及赋存的自然环境和工程环境有着紧密的联系，具有明显的不连续性和非线性的特点。

二、数值模型

1、模型洞室及模拟材料选取。采用有限差分数值计算程序FLAC3D 建立数值模型，该程序中包括了反映岩土材料力学效应的特殊计算功能，可以模拟支护结构，如锚索、锚杆或板壳等与围岩的相互作用。数值模拟过程中计算范围取洞室轴线左右各300余m、底板下方100m、前方50m、后方100m，数值模型见图。

计算中将岩体简化为均质体，参照《工程岩体分级标准》、RMR分类及Hoek-Brown经验准则综合考虑，Ⅲ级均质岩体的黏聚力C=80～1500 kPa，取值范围较大，而C值是影响洞库开挖支护稳定性的重要参数，因此模拟计算时选取偏于保守的黏聚力(C=180kPa)，对洞库跳格开挖方案开展数值模拟。岩体采用Mohr-Coulomb本构模型;锚索均为全长注浆预应力锚索，采用cable结构单元模拟;锚杆均为全长注浆锚杆，采用pile结构单元模拟;C30喷层采用shell结构单元模拟，具体材料参数见表。

2、洞库开挖的施工导洞，本次数值模拟主要是分析锚索预应力值、二次衬砌厚度等因素对洞库开挖成洞的影响，数值模拟工况如表所示。

三、计算结果与分析

1、锚索预应力值的影响。为分析锚索预应力值对洞库开挖的影响，将数值模型中锚索的预应力值分别设定为100t、200t和400t3种情况与工况3进行比较。不同预应力值洞库拱顶位移曲线及围岩最大剪应变分布情况，通过计算结果可知:(1)随着锚索预应力值的增加，洞库拱顶各监测点的位移均呈现减小的趋势，预应力值400t与100t时相比，无衬砌时约减小5～10cm，有衬砌时约减小0.6～1.0cm;(2)随着锚索预应力值的增加，洞库围岩的最大剪应变值逐渐变小;预应力值为100t时，围岩最大剪应变为2.8786E－2，预应力值为400t时，围岩最大剪应变为2.2932E－2。预应力值下锚索应力、锚杆受力以及衬砌应力情况，锚索应力分布将锚索预应力值时锚索、锚杆以及衬砌受力情况可知，随着预应力值的增加锚杆拉力、衬砌最大主应力在逐渐降低，但锚索最大应力呈现先增加再减小的趋势。

图为锚索预应力值加固洞库后锚索的轴力分布图，可以看到靠近拱肩处锚索轴力明显增大，锚索预应力值分别为100t、200t、300t、400t 的加固洞室拱肩处锚索轴力分别增大了49.8%、39．3%、34．8%、31.0%。建议锚索预应力值取200t 较为合理。

2、衬砌厚度对洞库开挖的影响。分析衬砌厚度对洞库开挖的影响，将数值模型中衬砌厚度分别设定为1．2m和1．8m，并与衬砌厚度为1．5m的计算工况进行，通过计算结果可知:(1)随着衬砌厚度的增加，洞库拱顶的位移呈现减小的趋势且洞库口部顶点位移减小最为明显，衬砌厚度为1.2m时口部的位移为5．6 cm，衬砌厚度为1．8m 时口部的位移为4．7cm;(2)洞库围岩的最大剪应变值随衬砌厚度的增加明显较小，衬砌厚度为1．2m时围岩最大剪应变为3．0729E－2，衬砌厚度为1．8m时围岩最大剪应变为2．0445E－2。随着衬砌厚度的增加锚索最大拉应力、锚杆拉力在逐渐降低，但衬砌结构的最大主应力值在逐渐增加。因此，衬砌厚度值取1．5m左右。

结论

( 1)随着锚索预应力值的增加，洞库围岩拱顶各监测点的位移、最大剪应变以及锚杆拉力、衬砌最大主应力均呈现减小的趋势，但锚索最大应力呈现先增加再减小的趋势;建议锚索预应力值取200t 较为合理。

(2)随着衬砌厚度的增加，洞库拱顶的位移呈现减小的趋势，且洞库围岩的最大剪应变值也明显减小，因此衬砌厚度值取1．5m左右较为合理。

参考文献：

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论文作者:鲁幸

论文发表刊物:《城镇建设》2020年3期

论文发表时间:2020/4/3

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