某洞庫開挖施工方案模擬

陳 慶 馬志明 劉 杰

(1.陸軍勤務(wù)學(xué)院軍事設(shè)施系，重慶 401311；2.重慶市教育委員會(huì)，重慶 400020； 3.西寧聯(lián)勤保障中心成都房管局昆明房管處，云南 昆明 650000)

某洞庫開挖施工方案模擬

陳 慶1,2馬志明1劉 杰3

(1.陸軍勤務(wù)學(xué)院軍事設(shè)施系，重慶 401311；2.重慶市教育委員會(huì)，重慶 400020； 3.西寧聯(lián)勤保障中心成都房管局昆明房管處，云南 昆明 650000)

通過MIDAS對某洞庫開挖過程中的豎向位移、塑性區(qū)以及等效應(yīng)力進(jìn)行了分析，并且對特征點(diǎn)處的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，得到有限元分析計(jì)算能有效模擬洞庫的開挖過程，但由于圍巖狀態(tài)的復(fù)雜性，實(shí)際工程中不能完全依賴有限元計(jì)算方法。

MIDAS,洞庫,圍巖

1 工程概況

某洞庫為14 m跨地下機(jī)庫，洞庫埋深40 m，修建于軟質(zhì)石灰地層，上部為第四紀(jì)地層，屬于松散堆積物，形成時(shí)間較短，地層松軟。下部為碎屑巖地層，屬于巖石機(jī)械風(fēng)化后形成的巖石碎屑和礦物碎屑，經(jīng)搬運(yùn)、沉積、壓實(shí)、膠結(jié)而成的巖石，底層密實(shí)。隧洞穿越巖為Ⅲ類，局部破碎帶為Ⅳ類。地形起伏，山體肥厚，階地地勢較為平坦。為解決該工程施工方案問題，本章采用數(shù)值分析方法進(jìn)行了方案必選及優(yōu)化。

2 模型建立

2.1模型范圍的確定

要確定模型的計(jì)算邊界，不僅要滿足精度要求，也要節(jié)省時(shí)間與成本，實(shí)踐證明：對于洞庫開挖所造成的應(yīng)力、應(yīng)變影響，僅在洞室周圍距洞室中心點(diǎn)3倍～5倍開挖寬度(或高度)的范圍內(nèi)實(shí)際存在影響，在3倍寬度處應(yīng)力變化一般在10%以下，在5倍寬度處應(yīng)力變化一般在3%以下，此外根據(jù)對稱性特點(diǎn)，分析區(qū)域可以取斷面的1/2或1/4。

2.2結(jié)構(gòu)的離散化

將圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)離散為僅在節(jié)點(diǎn)處鉸接的單元體組合時(shí)有限單元法的基礎(chǔ)。通常情況下，二三節(jié)點(diǎn)的桿單元用來模擬錨桿，二三節(jié)點(diǎn)的梁單元用以模擬噴射混凝土，三節(jié)點(diǎn)與六節(jié)點(diǎn)的常應(yīng)變單元與四節(jié)點(diǎn)八節(jié)點(diǎn)的等參單元用以模擬圍巖與二次襯砌[1]。

將結(jié)構(gòu)體系離散化時(shí)應(yīng)注意：

1)單元各邊長不能相差太大，兩邊夾角不能太小。

2)一個(gè)單元不能含有兩種材料，邊界應(yīng)設(shè)置在材料的分界面與開挖的分界線上。

3)荷載突變處、集中荷載作用點(diǎn)、錨桿處端點(diǎn)必須布置節(jié)點(diǎn)。

4)當(dāng)在材料特性方面和幾何形狀方面都具有對稱性時(shí)，可利用對稱性進(jìn)行簡化計(jì)算。

5)單元?jiǎng)澐中杩紤]分期開挖部分與分部開挖部分的分界線。

2.3邊界條件及初始應(yīng)力條件

由于洞庫都是在巖體中開挖，所以計(jì)算中一般采取內(nèi)部加載的方式計(jì)算，即開挖在洞庫周圍釋放荷載，數(shù)值上等于開挖邊界上原先的應(yīng)力并反向作用于開挖邊界上。

計(jì)算范圍一般采取三種方式：第一是假設(shè)為力邊界條件，由圍巖中的初始應(yīng)力場確定；二是位移邊界條件，假設(shè)邊界點(diǎn)位移為零；第三是給定混合邊界條件，節(jié)點(diǎn)一個(gè)自由度給定位移，另一個(gè)自由度給定節(jié)點(diǎn)力。上述每一種計(jì)算方法都有誤差，且計(jì)算范圍越小誤差越大，在接近邊界處誤差最大，這種現(xiàn)象稱為“邊界效應(yīng)”，而且在動(dòng)力分析中影響更為顯著[2-4]。

2.4有限元分析

復(fù)合式襯砌模型的假定：1)圍巖和混凝土假定為均質(zhì)、各向同性的黏彈性材料。2)錨噴支護(hù)一般有兩種處理方法，一種是提高錨噴加固區(qū)的圍巖參數(shù)來模擬錨噴支護(hù)作用，另一種是將噴射混凝土層、鋼拱架、錨桿模擬為桿單元；二次襯砌因其較厚，采用四邊形等參單元或格桁架單元模擬。3)防水層一般采用有厚度的夾層單元進(jìn)行模擬，其切向剛度為零，徑向剛度一般采用彈性常數(shù)E、泊松比μ表示。

圍巖力學(xué)計(jì)算參數(shù)和錨桿與噴射混凝土的計(jì)算參數(shù)見表1和表2。

表1 圍巖力學(xué)計(jì)算參數(shù)表

表2 錨桿與噴射混凝土(C20)計(jì)算參數(shù)表

機(jī)庫的幾何模型簡化為三心圓，R1=4.5 m，R2=6 m，A1=60°,A2=55°，如圖1所示。

本工程采用環(huán)形預(yù)留核心土法開挖，每個(gè)施工步驟掘進(jìn)1 m，共開挖14次，采用C20混凝土噴射支護(hù)，噴射厚度為0.2 m，每個(gè)施工步驟使用11個(gè)錨桿，長度為4 m，錨桿間隔為1.5 m，有限單元網(wǎng)格的劃分及特征點(diǎn)位移如圖2所示。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1豎向位移分析

洞庫開挖過程中，豎直方向的位移云圖如圖3所示(從左到右依次為第一、四、七、十、十二、十四開挖段)。

由圖3可以看出，開挖過程中洞庫底部凸起位移相對較大以及核心土周圍位移較大。

3.2開挖塑性區(qū)分析

洞庫開挖過程中，塑性區(qū)分布如圖4所示(從左到右依次為第一、三、六、九、十二、十四開挖段)。

由圖4可以看出隨著洞庫的開挖，逐漸出現(xiàn)塑性區(qū)，主要集中在洞庫兩腰及兩側(cè)底部，隨著支護(hù)作用的起效，塑性區(qū)又逐漸消失，其中，第十二開挖段的塑性區(qū)范圍最大，施工過程中應(yīng)及時(shí)采取支護(hù)措施，密切關(guān)注監(jiān)測數(shù)據(jù)，使安全風(fēng)險(xiǎn)下降至最低。

3.3開挖MISES應(yīng)力分析

洞庫開挖過程中，MISES應(yīng)力分布云圖變化如圖5所示(從左到右依次為第一、三、六、九、十二、十四開挖段)。

從圖5中可以看出洞庫開挖過程中圍巖應(yīng)力的變化趨勢，與塑性區(qū)相對應(yīng)，應(yīng)力值較大處主要存在于洞庫底部兩側(cè)、兩腰及核心土周圍，對比塑性區(qū)分布圖，支護(hù)應(yīng)該密切關(guān)注這些對安全有影響的關(guān)鍵位置。

3.4特征點(diǎn)位移分析

A,B,C,D四個(gè)特征點(diǎn)計(jì)算位移如表3所示。

表3 模擬特征點(diǎn)位移表 m

3.5模擬和實(shí)測位移分析

最后一個(gè)開挖過程數(shù)值模擬和實(shí)測下沉數(shù)據(jù)如表4所示。可以看出，除A,B,C三點(diǎn)誤差較小外， D點(diǎn)誤差達(dá)到了24.56%，模擬計(jì)算值大于實(shí)測位移值，說明開挖后測量儀器還未來得及安裝，圍巖就已經(jīng)發(fā)生了一部分下沉；另一方面，雖然有限元分析計(jì)算作為一種科學(xué)、有效的方法能較為準(zhǔn)確的預(yù)測整個(gè)開挖過程中圍巖的狀態(tài)，但由于圍巖賦存條件等的復(fù)雜性，實(shí)際施工過程中，不能完全依賴有限元分析計(jì)算。

表4 實(shí)測特征點(diǎn)位移表

4 結(jié)語

通過MIDAS對某地下機(jī)庫開挖過程中的豎向位移、塑性區(qū)以及等效應(yīng)力進(jìn)行了分析，并且對特征點(diǎn)處的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，除了極個(gè)別數(shù)據(jù)誤差較大以外，絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)都符合現(xiàn)場量測，證明了有限元分析計(jì)算作為一種科學(xué)的方法能有效模擬洞庫的開挖過程，但由于圍巖狀態(tài)的復(fù)雜性，實(shí)際工程中不能完全依賴有限元計(jì)算方法。

[1] 朱維申，李曉靜，郭彥雙,等.地下大型洞室群穩(wěn)定性的系統(tǒng)性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(10)：1689-1693.

[2] JTG D70—2004,公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] JTJ 042—94,公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

[4] 況世華.隧道工程技術(shù)[M].北京：高等教育出版社,2009:79-81.

Simulationofexcavationconstructionschemeforacave

ChenQing1,2MaZhiming1LiuJie3

(1.DepartmentofMilitaryFacilities,ArmyLogisticsUniversityofPLA,Chongqing401311,China; 2.ChongqingEducationCommittee,Chongqing400020,China；3.KunmingHousingDepartmentofChengduHousingManagementBureauofXiningJointLogisticCenter,Kunming650000,China)

Vertical displacement, plastic zone and equivalent stress for a cave are analyzed by MIDAS in the process of excavation. The simulation method and software are verified on comparing the simulation results with those from experiment of a case. However, due to the complexity state of surrounding rock, the FEM can not be relied on in actual engineering.

MIDAS, cave, surrounding rock

1009-6825(2017)30-0157-03

2017-08-12

陳 慶(1975- )，男，副調(diào)研員

TU941

A