地下洞室開挖應力釋放對巖錨梁力學性能影響的探析

劉娟，楊海霞

（1.江蘇建筑職業技術學院，江蘇徐州221116；2.河海大學，江蘇南京210098）

地下洞室開挖應力釋放對巖錨梁力學性能影響的探析

劉娟1，楊海霞2

（1.江蘇建筑職業技術學院，江蘇徐州221116；2.河海大學，江蘇南京210098）

基于有限元軟件midas/GTS對某水電站地下廠房巖錨梁的施工過程進行三維非線性有限元數值模擬，總結出巖錨梁在輪壓荷載和開挖荷載下的變形情況，并對開挖過程中巖錨梁的應力、位移及錨桿應力進行分析，得出對巖錨梁進行力學分析時應充分考慮地下洞室開挖應力釋放的影響的結論。

巖錨梁；有限元；midas/GTS；MARC；應力；位移；錨桿應力

某水電站地下廠房吊車梁采用巖錨梁，通常用于巖錨梁設計分析和研究其穩定的方法主要有剛體極限平衡法、有限元法和模型試驗法。而剛體極限平衡法，一般僅考慮吊車荷載作用，錨桿長度通過經驗公式來確定，未考慮洞室的施工開挖效應以及梁體混凝土、圍巖和錨桿的協同變形，使計算結果欠合理。有限元法不僅能比較精確預測分析巖錨梁巖體結構的變形和受力情況，而且能較準確地模擬梁與巖基接觸面之間的力學性質以及模擬施工過程，以全面評價地下廠房巖錨梁的工作性態和穩定性。筆者采用有限元軟件midas/GTS對某水電站地下廠房巖錨梁的施工過程進行數值模擬，總結巖錨梁在輪壓荷載和開挖荷載下的變形情況，并對開挖過程中巖錨梁的應力、位移及錨桿應力進行分析。

1 工程概況

某水電站地下廠房開挖尺寸為204.70 m×26.70 m×68.50 m。選取2號機組段的巖錨梁建立三維非線性有限元模型并計算，巖錨梁混凝土取C25，最大輪壓720 kN，橫向水平剎車力120 kN，軌道為QU120型重120 kg/m。

2 巖錨梁三維有限元數值仿真分析

筆者根據實際施工情況，模擬在洞室開挖過程中進行的巖錨梁吊裝運行過程，對施工期梁的穩定性進行分析研究。其中，巖錨梁的吊裝是在主廠房洞室開挖2完成后、開挖3進行之前。模型考慮的作用因素有圍巖的初始地應力、吊車輪壓、巖錨梁自重、軌道自重以及開挖荷載等。

2.1 巖層初始應力計算

巖層中通常存在初始地應力，它主要是巖、土的自重和地質構造作用的結果。巖層的初始應力一般應通過現場測試方法確定，本工程的巖層初始應力用計算區回歸地應力作為初始應力場。

2.2 開挖過程實現

實際工程中巖錨梁的吊裝程序為：先將巖錨梁位置對應的原始巖體挖掉，再吊裝混凝土梁。應用midas/GTS模擬這一復雜的施工過程時出現了異常，導致模擬結果不合理。筆者在對該軟件進行深入研究后，將開挖1、2重新分布后的應力場信息導入MARC里換算為等效節點集中力，再以節點集中力的形式施加于巖錨梁吊裝前的模型結點上，并以此作為初始條件，在GTS里模擬隨后的施工開挖過程。這就回避了“先開挖（巖體）后施加（混凝土梁）”這一復雜的施工過程，從而使結果合理化。

2.3 計算模型建立

根據對稱性，取單機組段的一半來計算，模型采用四節點四面體單元形式，數值模型的單元數為180 942、結點數為40 131。計算網格，如圖1所示。

圖1 巖錨梁計算網格

2.4 計算結果分析

分析機組中心處典型剖面的結果，各施工階段巖錨梁產生的變形、巖錨梁特征點應力、錨桿應力如圖2-5所示。

（1）位移。由圖2可見，在軌道自重作用下，巖錨梁的位移很小，最大僅有0.005 cm，發生在梁頂部外邊緣處；開挖3對巖錨梁位移的影響較大，合位移最大值由梁頂部轉移到梁底部與巖壁交接處。隨著后繼開挖的進行，梁底部的位移最大值不斷增大。對比開挖8和加輪壓后機組中心面巖錨梁的合位移圖，可看出位移值變化幅度并不大，即輪壓荷載對巖錨梁位移的影響力度遠小于開挖荷載對它的影響。

（2）圍巖應力。巖錨梁只考慮自重荷載時，梁絕大區域受壓，在梁壁接觸處以及梁下開挖分界線處形成壓應力集中區。開挖完成加輪壓荷載后，巖錨梁上主拉應力最大的區域發生在梁頂部與巖壁接觸處，且在梁壁接觸處形成明顯的拉應力集中區。巖錨梁上混凝土主壓應力最大的區域發生在梁頂部軌道處，最大值為2.72 MPa，遠小于混凝土C25的抗壓強度。圍巖壓應力最大的區域為原巖錨巖臺轉折處。

圖2 部分施工階段巖錨梁合位移（cm）

根據圖3-4，得出結論：緊鄰后繼開挖荷載引起的巖錨梁應力變化幅度最大，隨著洞室開挖加深，其對巖錨梁應力重分布的影響力度逐漸減小。

圖3 巖錨梁特征點第一主應力

圖4 巖錨梁特征點第三主應力

（3）錨桿應力。由圖5可看出，巖錨梁在軌道荷載作用下，機組中心剖面處巖錨梁錨桿應力很小，最上面兩排錨桿受拉，最下面一排錨桿受壓，中間一排輔助錨桿受力很小。隨著后繼開挖的進行，錨桿應力逐漸增大，至開挖完成最上面一排錨桿拉應力最大值達39.92 MP，下面一排受壓錨桿最大壓應力達14.53 MP。加輪壓后，錨桿應力繼續增大，但增大幅度很小。由此得出結論：隨廠房洞室開挖深度增加，巖錨梁錨桿逐步起作用，錨桿應力逐漸增大，梁上輪壓荷載施加前后錨桿應力變化幅度并不大。即錨桿應力主要是由洞室后繼開挖產生的，約占到錨桿總應力的75%以上，梁上輪壓等載荷所引起的錨桿應力只占一小部分。

圖5 各施工階段巖錨梁錨桿應力

3 結語

（1）由巖錨梁的有限元數值分析結果表明，輪壓作用下，巖錨梁在整體上產生上部外傾下沉、下部內傾下沉的變形趨勢；開挖荷載作用下，中下部邊墻回彈引起梁附近圍巖內傾，導致梁底鼻坎處呈現拉應力增大趨勢。

（2）巖錨梁位移、應力及錨桿應力由后繼開挖荷載和梁上荷載共同作用引起，且后繼開挖荷載引起的占主要部分，梁上荷載引起的只占一小部分。因此，用有限元法研究巖錨梁的穩定計算時應充分考慮洞室開挖應力釋放的影響。

（3）模型開挖過程相對理想，沒有考慮圍巖應力與位移的時間效應以及巖錨梁在吊車荷載作用下的疲勞等；有限元軟件midas/GTS模擬巖錨梁吊裝前后這一復雜過程時遇到了困難，筆者針對該軟件的這一功能進行了初步探索，這些問題都是以后研究的主要方向。

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1004-7328（2014）04-0044-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2014.04.016

2014-05-27

劉娟（1987-），女，碩士，助理講師，主要從事結構的數值計算與優化設計工作。