地下廠房洞室群巖體蠕變特性分析

馮 洋,張志增,胡江春

(中原工學院,鄭州 450007)

地下廠房洞室群巖體蠕變特性分析

馮 洋,張志增,胡江春

(中原工學院,鄭州 450007)

巖體蠕變是大型地下工程圍巖穩定性分析中的一項重要研究內容,它為地下洞室群的長期穩定性研究提供理論依據.本文通過對某地下廠房洞室群近期監測資料的分析,研究了其地下洞室群的蠕變特性,一方面豐富了蠕變分析的理論和方法,另一方面可以對該地下廠房洞室群在運行期的長期穩定性進行預測.

地下工程;蠕變;穩定性分析

近年來,隨著各種大型地下洞室群工程的興建,地下洞室群圍巖穩定性問題受到了人們的廣泛關注[1].由于巖體本身以及地下工程的復雜性,在地下工程的設計、施工及運行過程中,總是存在大量不可預見的因素.因此對地下洞室群穩定性進行分析研究就顯得尤為重要[2].

目前,國內外對地下洞室圍巖蠕變特性的分析方法有很多,大致可以歸納為解析法、數值分析方法、不確定性方法等[3].隨著計算機技術的發展,數值模擬方法在研究地下洞室圍巖應力、變形、破壞,定量評價圍巖穩定性方面具有十分明顯的優越性,已成為解決地下工程設計和施工問題的最有力工具[4].

由于地下工程的復雜性,圍巖蠕變分析不能依賴于單一方法,因此,依托計算機技術進行多種方法綜合評價分析,是未來發展的一種趨勢.事實上,國外學者Griggs D T早在1939年便對灰巖、頁巖和砂巖等進行了蠕變試驗[5].此后,很多研究者相繼從各個不同方面進行了巖石蠕變特性研究.而自20世紀50年代末起,特別是近20年來,隨著國內許多大型工程的興建,我國同行也深入開展了對巖石蠕變特性的研究[6].徐平等對三峽花崗巖進行了單軸蠕變試驗,認為三峽花崗巖存在一個應力門檻值σs,當應力水平低于σs時,采用廣義 Kelvin模型來描述三峽花崗巖的蠕變特性,當應力水平高于σs時,采用西原模型描述,并給出了相應的蠕變參數[7];許宏發通過對軟巖進行單軸壓縮蠕變試驗,指出軟巖的彈模隨時間的延長而降低,與強度的變化規律具有相似性[8];沈振中、徐志英對三峽大壩地基花崗巖進行了單軸壓縮蠕變試驗,并采用Burgers模型來描述三峽大壩基巖的粘彈性性質[9];朱定華、陳國興對南京紅層軟巖進行了單軸壓縮蠕變試驗,發現紅層軟巖存在顯著的流變性,符合Burgers模型[10];李曉對泥巖峰后區進行三軸壓縮蠕變試驗,首次得到了泥巖試件的峰后蠕變特性曲線[11].

本文主要對某地下廠房近期的位移監測資料進行分析,研究圍巖的蠕變特性,一方面可以豐富蠕變分析的理論和方法,另一方面可以對該地下廠房洞室群在運行期的穩定性進行預測,保證工程在運行期的安全運行.

1 巖體蠕變理論

在長期荷載的作用下,工程巖體的應力應變狀態、變形破壞特征均隨時間而不斷發生變化,即具有顯著的時間效應.研究巖體的蠕變特性對于合理解釋巖體工程的時效力學行為,掌握其應力和變形規律,評價巖體與工程結構物的長期穩定性和運行安全性等,都具有重要的意義.

巖體蠕變是指在恒定荷載的情況下,總應變隨時間而增長的現象.蠕變隨時間的延續大致分3個階段,如圖1所示.第一階段(a-b):減速蠕變階段.在此階段,應變增加,但是應變速率隨時間增加而減小,此時圍巖主要處于塑性變形階段.第二階段(b-c):等速蠕變階段.在此階段,應變增加,應變速率基本保持不變,圍巖處于穩定塑性流變階段.第三階段(c-d):加速蠕變階段.此階段出現在應力超過巖體蠕變極限應力的條件下,特點是應變速率隨時間增加而增加,并最終導致失穩破壞.在地下工程中必須采取合適的支護手段,避免圍巖出現加速蠕變階段,促使圍巖保持穩定.

圖1 巖體蠕變三階段

遺憾的是,等速蠕變階段何時進入加速蠕變階段,學術界依然難以從理論上給出完美的解答.所以,當巖體進入等速蠕變階段,就需要預警,加強監測和支護.

根據應變與時間關系的不同,蠕變可以分為2種類型:①穩定蠕變:低應力狀態下發生的蠕變,只經歷第一階段蠕變(即減速蠕變階段),后期應變趨于恒定,如圖2中的曲線B所示;②不穩定蠕變:較高應力狀態下發生的蠕變,應變隨著時間增加而持續增長,可能經歷蠕變的3個階段,如圖2中的曲線A所示.

圖2 蠕變2種類型

2 位移監測資料的時效性分析

2.1 工程概況

某地下廠房洞室群規模巨大,主要由引水洞、主機間、母線洞、主變室、尾水調壓室和尾水洞等組成,主機間、主變室、尾水調壓室平行布置.地下廠房位于大壩下游約350 m的山體內,水平埋深約110～300 m,垂直埋深180～350 m.廠區主要巖性為大理巖,以 III1類圍巖為主,飽和單軸抗壓強度為60～75 M Pa,地質條件復雜,發育有三大斷層和4組優勢節理,且廠區屬于極高-高地應力級區域.不利的地質條件、地應力條件、巖性條件及工程結構條件的組合,對地下廠房洞室群的穩定性提出了嚴重的挑戰.

2.2 監測資料的分析方法

本文根據監測資料(監測數據截止2011年3月5日),重點分析了2010年11月4日至2011年1月4日和2011年1月4日至2011年3月5日的位移監測資料.

根據時間-位移曲線圖的走勢和位移日增量(又稱為位移增速、位移曲線斜率)的大小,對多點位移計的每個測點進行分析,將其蠕變特性分為3類:

(1)位移穩定型.該類型的時間-位移曲線接近水平,位移隨著時間增加而基本恒定,也可能因為支護的作用而使得位移隨著時間增加而減小.位移穩定型表示該測點屬于穩定蠕變,安全性高.具體分類時,只要位移日增量不超過0.002 8 mm(對應的位移年增量是1 mm)的測點都劃分為位移穩定型.

(2)等速蠕變型.該類型對應典型蠕變曲線的第二階段(等速蠕變階段),位移隨時間增加而持續增加,并且位移增速基本保持不變,此時,圍巖處于穩定塑性流變階段.等速蠕變型表示該測點屬于不穩定蠕變,安全性低.如果不加強支護,隨時可能進入蠕變第三階段(加速蠕變階段)而導致圍巖失穩,所以我們對這個類型的測點提出預警.

(3)減速蠕變型.該類型對應典型蠕變曲線的第一階段(減速蠕變階段),位移隨時間增加而增加,但是位移增速隨時間增加而減小.該階段一般發生在從巖體開挖至之后幾個月內.由于該階段既可能轉入蠕變第二階段(等速蠕變階段),也可能進入位移恒定階段,并且該階段往往持續幾個月的時間,所以對該類型的測點需要繼續觀察.

需要指出的是,在開挖和支護等工程擾動的情況下,上述3種類型可能互相轉換.工程實踐中,我們總是對等速蠕變型的區域加強支護,促使其向位移穩定型轉換.

2.3 典型監測斷面變形時效分析

本文以一典型斷面(廠縱0+126.8斷面)為例,對該斷面的位移監測資料進行分析.該監測斷面貫穿主廠房、主變室和1號尾調室,其中主廠房安裝有10套多點位移計;主變室安裝有6套多點位移計;1號尾調室安裝有5套多點位移計.各儀器測點空間分布如圖3所示,位移資料統計及分析如表1所示.

圖3 廠縱0+126.8斷面各儀器測點測值空間分布

表1 廠縱0+126.8斷面位移監測結果統計表

續表1

由表1可以看出,主廠房監測斷面穩定性好,無測點屬于等速蠕變型.主廠房監測斷面下游邊墻EL 1653部位M6ZCF4-1的L 5和孔口測點屬于減速蠕變型,需要繼續加強監測.主廠房監測斷面其他點位移計各測點均屬于位移穩定型.由以上結果可知,主廠房監測斷面整體穩定性好、安全性高;下游邊墻 EL 1653部位的穩定性需要加強監測.

主變室監測斷面,無測點屬于等速蠕變型.下游拱腳部位 M4PS1-16的 L 1測點,下游邊墻 EL 1668部位M4PS2-8的 L 1、L 3、L4 測點 ,下游邊墻 EL1653 部位M4ZBS4-3的所有測點屬于減速蠕變型,需要繼續觀察其發展趨勢.主變室監測斷面其他多點位移計各測點均屬于位移穩定型.根據以上結果,主變室監測斷面的頂拱及上游邊墻穩定性好、安全性高;下游拱腳和下游邊墻的穩定性差、安全性低,是需要加強監測和支護的重點區域.

1號尾調室監測斷面,屬于等速蠕變型,需要預警的測點有頂拱M4TYS4-2的孔口測點.主變室監測斷面上無測點屬于減速蠕變型,其他多點位移計各測點均屬于位移穩定型.由以上結果可知,1號尾調室監測斷面整體穩定性好、安全性高;拱頂部位的穩定性差、安全性低,是需要加強監測和支護的重點區域.

3 結 語

針對某地下廠房洞室群的長期穩定性問題,進行了監測資料的蠕變性分析研究.主要結論如下:

(1)研究了位移監測的分析方法,根據時間-位移曲線圖的走勢和位移日增量的大小,將巖體蠕變特性分為三類:位移穩定型、等速蠕變型和減速蠕變型.

(2)該地下廠房在運行期的整體穩定性較高.分析其原因,應該是隨著支護和灌漿工作的深入,松動圈逐步向承載圈轉化,錨固和灌漿的支護加固體系開始聯合發揮積極的作用.

(3)對于仍然處于減速蠕變型和等速蠕變型的區域,需要加強監測和支護.

[1]軒轅嘯雯,秦淞君.論隧道與地下工程在可持續發展戰略中的作用[C]∥.中國土木工程學會第八屆年會論文集.北京:清華大學出版社,1998.

[2]谷兆祺,彭寧拙,李仲奎.地下洞室工程[M].北京:清華大學出版社,1994.

[3]張天寶.地下洞室群圍巖穩定性分析[D].浙江:浙江大學,2001.

[4]郭力,王劍波,陳新勝.地下工程中常用開挖方法[J].工程機械與維修,2005(15):85-87.

[5]Griggs D T.Creep of rocks[J].Journal of Geology,1939,47:225-251.

[6]孫鈞.巖石流變力學及其工程應用研究的若干進展[J].巖石力學與工程學報,2007,26(6):1081-1106.

[7]楊建輝.砂巖單軸受壓蠕變試驗現象研究[J].石家莊鐵道學院學報,1995,8(2):77-80.

[8]許宏發.軟巖強度和彈模的時間效應研究[J].巖石力學與工程學報,1997,16(3):246-251.

[9]沈振中,徐志英.三峽大壩地基花崗巖蠕變試驗研究[J].河海學報,1997,25(2):1-7.

[10]朱定華,陳國興.南京紅層軟巖流變特性試驗研究[J].南京工業大學學報,2002,24(5):77-79.

[11]李曉.巖石峰后力學特性及其損傷軟化模型的研究與應用[J].徐州:中國礦業大學,1995.

Study on the Creep Property of Underground Powerhouse Cavities

FENG Yang,ZHANG Zhi-zeng,HU Jiang-chun
(Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

Rock creep is very important research content of the surrounding rock stability analysis in a large underground engineering.It provides theoretical foundation for long-term stability and reliability study of the underground cavities.Thispaper analyzes the recentmonitoring data and studies the underground cavitiescreep properties,enriches creep analysis theory and method,and also analyses and forecast underground workshop cavities stability of operation period.

underground engineering;creep;stability analysis

U 453.2

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2011.03.001

1671-6906(2011)03-0001-05

2011-05-20

國家自然科學基金面上項目(51074196)

馮 洋(1987-),男,河南焦作人,本科生;指導教師:張志增(1981-),男,河南安陽人,講師,博士.