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地下洞室支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性分析

文檔作者：陳璞磊馬仲濤文檔來(lái)源： 1．河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院 2．上海同豐工程咨詢有限公司，		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年06月16日
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陳璞磊等：地下洞室支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性分析 1l5
地下洞室支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性分析
陳璞磊 ， 馬仲濤
(1．河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院． 南京210098； 2．上海同豐工程咨詢有限公司， 上海200050)
【摘要】 運(yùn)用現(xiàn)代支護(hù)結(jié)構(gòu)原理，結(jié)合工程實(shí)例，通過(guò)ANSYS軟件進(jìn)行了開挖和支護(hù)的數(shù)值模擬，計(jì)算出
了支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，由其內(nèi)力結(jié)果，得出襯砌強(qiáng)度安全系數(shù)，研究不同厚度的襯砌對(duì)其安全系數(shù)及其穩(wěn)定性的影
響，根據(jù)工程規(guī)范，確定襯砌的最小安全厚度。
【關(guān)鍵詞】襯砌支護(hù)；可靠性；ANSYS；地下洞室
【中圖分類號(hào)】TU942 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 1001—6864(2014)01—0115—03
SECURITY ANALYSIS ON SUPPORTING STRUCTURE OF UNDERGROUND CAVERN
CHEN Pu—lei ， MA Zhong．tao
(1．College of Mechanics and Materials，Hohai University，Nanjing 210098，China；
2．Shanghai Tongfeng Engineering Consulting Co．，Ltd．，Shanghai 200050，China)
Abstract：Using morden supporting structure theory，this paper does numerical analysis of excava—
ting and supporting with the software ANSYS in an engineering project，and calculate the internal force
of supporting structure．Through the analysis results of internal force，the safety factor of the strength of
the lining can be obtained．According to the engineering specification，it can determine the minimum
safety thickness of lining by studying how thickness of lining affects the safety factor and stability．
Key words：supporting structure of lining；reliability；ANSYS；underground cavern
目前地下工程的設(shè)計(jì)，必須滿足安全、適用、耐久
等可靠性方面的要求。因?yàn)樵诘叵鹿こ痰脑O(shè)計(jì)、施
工，甚至投入使用以后，其可靠性都會(huì)受到各種因素
的影響，比如天然地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力，以及在工程測(cè)量
產(chǎn)生的誤差等等都是影響因素 。對(duì)于這些隨機(jī)的
因素進(jìn)行分析的過(guò)程稱之為結(jié)構(gòu)可靠性分析，這是結(jié)
構(gòu)計(jì)算與設(shè)計(jì)的重要組成部分。但是，由于地下工程
的支護(hù)需要很大的投資，所以就會(huì)出現(xiàn)各種人為的和
客觀的因素，所建成的支護(hù)結(jié)構(gòu)與理想的相差較大，
尤其是在施工過(guò)程中造成的改變。支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)在
地下工程中是主要的承載結(jié)構(gòu)，其厚度的變化也就會(huì)
影響地下洞室的可靠性與壽命，但其厚度也直接關(guān)系
到工程成本，所以筆者通過(guò)工程實(shí)例對(duì)地下洞室的襯
砌結(jié)構(gòu)厚度的變化來(lái)分析其對(duì)洞室可靠性的影響，并
對(duì)襯砌的安全性作出評(píng)價(jià)。
1 現(xiàn)代支護(hù)結(jié)構(gòu)原理
現(xiàn)代支護(hù)結(jié)構(gòu)原理是建立在圍巖與支護(hù)共同作
用的基礎(chǔ)上，即把圍巖與支護(hù)看成是由兩種材料組成
的復(fù)合體。按一般結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)，亦即把圍巖通過(guò)巖石支
承環(huán)作用使之成為結(jié)構(gòu)的一部分，充分發(fā)揮圍巖的自
承能力。一方面不能讓圍巖進(jìn)入松動(dòng)狀態(tài)，以保持圍
巖的自承能力；另一方面允許圍巖進(jìn)入一定程度的塑
性，以使圍巖自承力得以極大限度的發(fā)揮。當(dāng)圍巖洞
壁位移接近允許變形值Ur~nax時(shí)，圍巖壓力就達(dá)到最小
值。無(wú)論是巖石的應(yīng)力一應(yīng)變曲線還是巖體節(jié)理面
的摩擦力與位移的關(guān)系曲線都具有同樣的規(guī)律，即起
初隨著應(yīng)變或位移的增大，巖石或巖體的強(qiáng)度逐漸獲
得發(fā)揮，而進(jìn)入塑性后，又隨著應(yīng)變或位移的增大，強(qiáng)
度逐漸喪失，可見(jiàn)，圍巖剛進(jìn)入塑性時(shí)，發(fā)揮的自承力
最大。
支護(hù)結(jié)構(gòu)體系與圍巖共同作用的計(jì)算模式，主要
用于由于圍巖變形而引起的壓力，壓力值必須通過(guò)支
護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖共同作用而求得，該解法把圍巖視作彈
塑性體或粘彈塑性體，并與支護(hù)一起采用有限元或邊
界元數(shù)值法求解，可以直接算出圍巖與支護(hù)的應(yīng)力和
變形狀態(tài)，以判斷圍巖是否失穩(wěn)和支護(hù)是否破壞，并
且可以考慮巖體中的節(jié)理裂隙、層面、地下水滲流及
巖體膨脹性等影響，是目前理論計(jì)算法中的主要方法。
2 工程實(shí)例 J
2．1 工程概況
某大型水電站位于四川省涼山彝族自治州，采用
左岸首部開發(fā)方式進(jìn)行布置，地下廠區(qū)洞室群規(guī)模巨
l16 低溫建筑技術(shù) 2014年第1期(總第187期)
大。地下廠房部位的地面高程2275～2480m，上覆巖
體厚度245～450m，巖性為花崗閃長(zhǎng)巖，主廠房開挖跨
度27m，開挖高度58m，主變室開挖跨度為18m，開挖
高度為27m，尾水調(diào)壓室的開挖跨度為24m，高度
63m。主副廠房洞、主變洞以及尾水調(diào)壓室三大洞室
從上游往下游依次平行布置，主副廠房與主變洞的凈
間距為45m，主變洞與尾水調(diào)壓室的凈間距為42m；引
水隧洞高壓管道軸線與廠房縱軸線垂直布置；地面開
關(guān)站布置在進(jìn)水口上游側(cè)約100m處。
2．2 計(jì)算模型
采用二維計(jì)算模型，將問(wèn)題視為平面應(yīng)變問(wèn)題，
模擬主廠房、主變室、調(diào)壓井三大洞室開挖與支護(hù)的
過(guò)程。采用大型通用計(jì)算分析軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值
模擬分析。選用平面4節(jié)點(diǎn)單元PLANE42。而支護(hù)
的模擬中，分別用桿單元和梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬錨桿與襯
砌，并施加相應(yīng)預(yù)應(yīng)力。在模型兩側(cè)約束其水平方向
位移，豎直方向自由；底部約束其豎直方向位移，水平
方向自由；而上部完全自由，如圖I所示。
圖1 廠房地質(zhì)條件模擬圖
2．3 初始地應(yīng)力
根據(jù)實(shí)測(cè)地應(yīng)力資料回歸反演分析可知，廠房洞
室圍巖以自重應(yīng)力為主，因此，計(jì)算中初始地應(yīng)力場(chǎng)
采用自重應(yīng)力場(chǎng)。
2．4 模擬開挖支護(hù)的步驟與方案
根據(jù)設(shè)計(jì)方案，該水電站地下廠房主要分為11層
開挖支護(hù)，如圖2所示。開挖支護(hù)過(guò)程通過(guò)軟件對(duì)襯
砌單元、錨桿單元與開挖部分單元的“激活”、“殺死”
操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖2 地下廠房分步開挖示意圖
2．5 計(jì)算結(jié)果
計(jì)算結(jié)果表明，主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室在開
挖完成后，因圍巖卸荷松弛而產(chǎn)生向臨空面的位移，
在邊墻、頂拱和拱肩部位較大深度范圍內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)
力；在頂拱、底板部位因圍巖回彈變形而形成承載拱
形結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了較大的壓應(yīng)力；在角點(diǎn)部位存在應(yīng)力
集中現(xiàn)象?？傮w上，應(yīng)力、位移計(jì)算結(jié)果符合一般
規(guī)律。
3 支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)安全性分析
通過(guò)模型計(jì)算得到襯砌厚度變化時(shí)襯砌的軸力、
剪力及彎矩，圖3～圖5為襯砌結(jié)構(gòu)厚度為41em時(shí)的
軸力、剪力和彎矩云圖。
為分析襯砌厚度變化對(duì)其安全性的影響，借由
《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，整體式襯砌的混凝土偏心
受壓構(gòu)件，其軸向力的偏心距不宜大于截面厚度的
0．45倍，混凝土和砌體矩形截面軸心及偏心受壓構(gòu)件
的抗壓強(qiáng)度按式(1)計(jì)算：
≤ 。bh (1)
式中， 。為為混凝土或砌體的抗壓極限強(qiáng)度，按
表1選用；K為為安全系數(shù)；Ⅳ為為軸向力；b為為截面
寬度；h為為截面厚度； 為為縱向彎曲系數(shù)，應(yīng)根據(jù)
其長(zhǎng)細(xì)比取用，這里可取 =l； 為軸向力的偏心影
響系數(shù)，由式
Ot=1+0．648(e／h)一12．569(e／h) +15．444(e／
h) 可確定；
按抗拉裂要求，混凝土矩形截面偏心受壓構(gòu)件的
陳璞磊等：地下洞室支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性分析 1l7
抗拉強(qiáng)度按式2計(jì)算。
圖3 地下廠房襯砌剪力圖
圖4 地下廠房襯砌軸力圖
圖5 地F J房村砌彎矩圖
≤
1．7
．
≤ 5R~bh (2)
— 一 O (2)
e ． ‘
式中，R。為混凝土的抗拉極限強(qiáng)度；其它符號(hào)與
意義同前。
根據(jù)材料的極限強(qiáng)度，計(jì)算出偏心受壓構(gòu)件的極
限承載力Ⅳ。，代入上式可得實(shí)際安全系數(shù)K ，并與
相比較，可確定其是否滿足規(guī)范要求。
表1 混凝土極限強(qiáng)度 MPa
使用上述公式，對(duì)洞室頂拱單元進(jìn)行了計(jì)算，并
列表統(tǒng)計(jì)了變厚度襯砌在頂拱單元的安全系數(shù)。
通過(guò)表2可以看出，對(duì)于拱頂處不同厚度的襯砌
最小安全系數(shù)為1．94，而該處的襯砌厚度為27cm，說(shuō)
明此處的初期支護(hù)受力是不利的。由規(guī)范可知，該處
地質(zhì)條件下的最小安全系數(shù)取值為2．0，所以由安全
系數(shù)統(tǒng)計(jì)表可知滿足襯砌安全的最小厚度為30cm
左右。
表2 安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)
襯砌厚度／em 27 28 30 32 40 42 46 67 72 91
安全系數(shù)1．941．98 2．21 2．37 2．95 3．11 3．49 5．19 5．78 7．29
4 結(jié)語(yǔ)
由襯砌內(nèi)力圖可以看出，對(duì)于同一條件下的地下
洞室結(jié)構(gòu)其邊墻的彎矩和軸力都較頂拱處大，且在二
者連接處更為明顯，有應(yīng)力集中的現(xiàn)象。在改變襯砌
厚度的情況下，襯砌的內(nèi)力隨厚度的增加有明顯的提
升，可見(jiàn)襯砌厚度是影響安全系數(shù)的一個(gè)重要因素。
對(duì)于地下洞室其拱腳和邊墻的支護(hù)，在考慮其經(jīng)濟(jì)效
益和安全性的情況下，可以選取30cm為最小的施工
襯砌厚度作為參考。
參考文獻(xiàn)
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譚學(xué)術(shù)，鮮學(xué)福，鄭道訪，等．復(fù)合巖體力學(xué)理論及其應(yīng)用
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周思盂．復(fù)雜巖體若干巖石力學(xué)問(wèn)題[M]．北京：中國(guó)水利水
電出版社，1998．
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劉庭金，朱合華，丁文其．某高速公路隧道二次襯砌安全性分
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— 2l67．
[收稿日期】2013一lO—l7
【作者簡(jiǎn)介] 陳璞磊(1987一)，男，河南信陽(yáng)人，碩士研究生，
研究方向：地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
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