高放廢物地質處置地下實驗室復雜節點施工效應數值分析

吳 兆， 李二兵， 王傳樂， 段建立， 濮仕坤

(1.中國人民解放軍陸軍工程大學國防工程學院， 江蘇南京 210007；2. 中設設計集團股份有限公司， 江蘇南京 210014)

深地質處置是目前國際上公認的最安全的高放廢物處置形式，地下實驗室是開發深地質處置庫必不可少的科學研究設施。根據國家高放廢物地質處置工程“三步走”的戰略目標，我國計劃于2020年前后建成高放廢物地質處置地下實驗室，并已被列為《國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》提出的100個重大工程之一。地下實驗室為巖石深地下工程，國外已建地下實驗室空間架構主要有斜坡道+豎井+平巷和多豎井+多層平巷兩種形式[1-3]，我國計劃在甘肅北山預選區建設的地下實驗室為三豎井+斜坡道+兩層平巷的結構形式[4]。由于地下實驗室具有空間架構復雜、結構體量較大、安全要求較高等特點，特別是復雜節點在開挖過程中將產生較大變形和復雜應力狀態，非常有必要預先對其進行施工效應數值模擬，獲取應力分布和變形狀態，為地下實驗室施工安全監測和控制提供依據。

數值模擬分析在隧道及地下工程開挖變形和穩定性分析中應用十分廣泛。P.Kumar運用有限元計算程序，對圍巖穩定性問題進行了計算分析[5]。K.J.Shou采用模擬地下洞室的虛擬力法和求解不連續面的位移不連續法相結合的混合模型，提出了三維混合邊界元法[6]。CharlesFairhurst等對運用離散元法和有限元法分析節理巖層中洞室圍巖穩定性進行了比較[7]。劉庭金、朱合華、唐春安[8]運用RFPA對開挖的地下工程洞室孔壁附近圍巖的損傷演化和應力場調整全過程進行分析，得到了圍巖損傷演化和應力場調整過程圖。胡夏嵩、趙法鎖以西北某水利工程地下洞室為例，對低地應力狀態下洞室開挖后圍巖位移變化及其相應特征，采用二維離散元法進行了數值模擬研究[9]。鄔愛清等[10]應用非連續變形分析方法對復雜地質的地下廠房圍巖的變形與破壞特征開展了研究。曾靜等[11]采用三維快速拉格朗日法模擬施工開挖過程，研究了洞室群圍巖的開挖變形形態和應力狀態。肖明[12]依據彈塑性耗能原理對地下大型洞室群開挖進行了三維有限元模擬，預測了洞室變形狀況。李術才等[13]以節理損傷模型對大型地下洞室施工進行了模擬研究，并對其施工方案進行了優化。

鑒于數值模擬分析已成為隧道及地下工程施工效應研究的有效方法，因此本文在北山深部花崗巖基本物理力學參數分析基礎上[14]，采用改進的摩爾—庫倫強度準則，利用ANSYS有限元程序對地下實驗室240m和560m埋深復雜節點部位進行施工力學效應數值模擬研究，獲得復雜節點受力和變形特征，以期為后續地下實驗室施工安全監測方案設計和預警控制提供依據。

1 數值模擬模型建立

1.1 工程概況

地下實驗室結構采用“斜坡道+豎井+平巷”組合形式，由三條豎井，兩層水平巷和一條螺旋斜坡道構成，最大埋置深度為560m，通過長期的鉆孔取芯試驗表明該區域巖體主要為花崗巖類巖石，有著強度高，完整性好，透水性弱等特點，外圍邊界主要由變質巖和沉積巖并存的多條橫縱的斷裂帶構成，總體分析表明此區域巖體較完整極適合作為地質處置庫場址[15]。初步空間架構模型如圖1所示[4]。施工順序為先豎井，后水平巷，再螺旋斜坡道。豎井采取鉆爆法施工，螺旋型斜坡道為圓形斷面，采用TBM法施工。水平巷上層由三條洞室構成，斜坡道與其相交，豎井穿其而過，如圖2(a)所示；下層水平巷的公共區洞室交錯復雜，豎井、水平巷道和水平通道空間相交叉形成復雜節點，如圖2(b)所示[16]。

圖1 地下實驗室初步空間架構模型

(a) 240m埋深處復雜節點

(b)560m埋深處復雜節點圖2 地下實驗室復雜節點示意

1.2 邊界條件

本文模型邊界條件的確定主要參考核工業北京地質研究院通過水壓致裂法所獲得的北山新場地應力結果[17](圖3)。

(a)最大主應力方向與深度關系

(b)主應力大小與深度關系圖3 初始應力方向及大小

通過線性擬合得到最大與最小初始水平主應力變化表達式為：

σh1=0.022h+4.142

(1)

σh2=0.016h+2.574

(2)

式中：σh1，σh2分別最大水平主應力和最小水平主應力；h為埋置深度。

地下主體結構跨越深度范圍大，為簡化計算，將240m、560m埋深處復雜結構模擬計算時的邊界條件取值見表1。

表1 模型邊界應力大小與方向

1.3 模型參數

Mohr-Coulomb強度準則能較好的描述巖土體的強度特征，但存在尖角和導數不連續，致使有限元求解比較困難。經眾多學者專家修正[18-20]，提出M-C修正型強度準則，即D-P強度準則，因此本文材料模型選為流動相關理想彈塑性D-P模型。材料模型變形參數采用三軸壓縮試驗所得參數與圍壓的擬合關系，并結合240m和560m深度處的最大水平構造應力確定，取值見表2。

表2 材料模型物理力學參數

1.4 模型建立

大量理論與試驗研究表明，地下洞室開挖過程對巖體的擾動范圍通常為洞室直徑的3～5倍[21]。將240m復雜結構處的巖體設成100m×100m×60m立方體有限元模型，豎井高度設置為60m，上下貫通，上下分別為30m。參考前期相關科研單位的項目研究成果資料[16]，對各結構構件取合理尺寸，單元采用SOILD64號混凝土單元。模型交叉位置復雜，使用映射劃分網格較難以實現，故采用自由網格劃分，而在形狀較為規則部位采用映射網格劃分(圖4)。240m埋深處復雜節點劃分單元數為209 939，560m埋深處復雜節點劃分單元數為983 724。

(a)240m埋深處復雜節點網格劃分

(b)560m埋深處復雜節點網格劃分圖4 模型網格劃分

1.5 計算工況

將240m埋深處復雜節點開挖荷載步設置為11步，將560m埋深處復雜節點荷載步設置為14步，荷載步與分析點斷面所在結構位置如圖5所示。

2 240m埋深模擬結果分析

2.1 豎井開挖模擬

240m埋深處復雜節點豎井縱穿水平洞室處巖體，形成了“十”字型交叉。提升井直徑6m，進排風井直徑3m，貫穿地層較深，在高地應力條件下，會使洞周巖體產生較大變形。將豎井開挖設置為三個荷載步，第一步為開挖提升井，第二步為開挖進風井，第三步為開挖排風井。

豎井一側圍巖的最大主應力呈環狀自洞壁向巖體內部分布，并逐漸減小。因豎井直徑不同，圍巖應力影響范圍和程度有所差異，提升井影響最大，但位移遠遠小于安全位移，說明了洞室20m的間距，使得開挖相互影響較小。最小主應力在洞壁X方向兩側出現了應力集中，大小為12.7MPa。

(a)240m埋深處復雜節點模擬荷載步與分析斷面

(b)560m埋深處復雜節點模擬荷載步與分析斷面圖5 模擬荷載步與分析斷面

為研究豎井較大位移區域洞壁巖體隨著洞室開挖的變化規律，特選提升井上端為第1位移分析斷面，選擇提升井與水平洞室交叉處豎井一側為第2位移分析斷面。n表示斷面號，n-1、n-3分別位于洞壁Z方向的前、后點，n-2、n-3分別位于洞壁X方向的右、左點，其中第1斷面分析點位移隨荷載步變化如圖6所示。

圖6 第1斷面分析點位移隨荷載步變化

豎井頂端因第1荷載步產生臨空面而使洞周產生了較大的位移，Z方向要大于X方向，隨荷載步增加位移增加較緩慢，最終洞壁最大位移為0.924mm。交叉處豎井側巖體在第1荷載步產生較大位移，而第2、3荷載步開挖右側兩豎井時對該斷面影響微小，當開挖水平洞室時再次使該斷面產生了較大的位移，隨著第5～11荷載步開挖，位移接近線性增長。由此說明在施工過程中該交叉區域巖體將發生較大的變形，且變形速率也較大，應作為重點監測區域。

2.2 水平洞室開挖模擬結果

水平洞室與豎井交叉處附近巖體內部，最大主應力呈環狀分布分布，在拱底和拱底處產生集中，為9.7MPa。左側和中間洞室應力影響區相互連通，產生想互影響，但值比較小。最小主應力同樣呈層狀分布，在中間與右側洞室邊墻處出現了應力集中，而左側洞室在拱頂和拱底也出現了應力集中現象。水平洞室與斜坡道交叉處水平洞室一側圍巖的最大主應力呈整體分布狀態，各洞室應力大小相近，在拱頂、頂底處相對較大些。因斜坡道影響使得最小主應力在邊墻處最大，并成為240m埋設處復雜節點應力最為集中處。

豎井與水平洞室交叉處產生了較大的位移變形，為研究該交叉處圍巖位移隨荷載步增加的變形規律，取交叉處水平洞室一側斷面為3～5位移分析點斷面，獲得的位移變化，其中第4斷面如圖7所示。

圖7 第4斷面分析點位移隨荷載步變化

第3斷面位于左側豎井與水平洞室交叉處。在第1步產生了較大的位移，第4步因開挖該水平洞室斷面處的巖體，位移再次產生了較大增長。隨荷載步增加，拱頂和拱底位移逐漸增大，而左邊墻因離后續開挖位置較遠而位移增長速率逐漸減小。最終洞壁最大位移達到0.646mm。

第4斷面位于中間洞室與排風井交叉處。在第2步使該斷面拱頂處產生較大位移。第4步時位移再次產生階躍性增長。隨荷載步增加位移值逐漸增長，拱頂增長速度較其他位置更加明顯，最終拱頂位移達到1.019mm。

第5斷面位于右側洞室與豎井交叉處，在第3、4荷載步因開挖此處巖體使洞周圍巖產生較大位移，且拱頂、底增長速率較兩側邊墻快，較接近線性，而其他部位增長速率卻逐漸減小。

2.3 斜坡道開挖模擬結果

斜坡道為最后施工結構，與水平洞室在端部相交。為此將斜坡道劃分成五個荷載步。

開挖完成后，斜坡道周圍巖體的最大主應力成環形分布，在交叉節點處拱頂、拱底應力集中明顯增大，最大值為8.46MPa。最小主應力正好相反，邊墻位置達到最大，且為拉應力，其值為23.6MPa。

取水平洞室與斜坡道交叉處圍巖斷面拱頂、右邊墻、拱底和左邊墻四個點分析位移隨荷載步的變化規律，其中第11斷面結果如圖8所示。

圖8 第11斷面分析點位移隨荷載步變化

第6斷面在第5、6荷載步時位移會產生較大的增長，隨后變化趨于穩定，最大位移達到1.151mm。第7與第8斷面隨著荷載步增加，位移變化規律相似，第1至第3荷載步豎井開挖時，因離此位置較遠位移增長速度較小，只產生小許的變形，當斜坡道開挖至該處巖體時，水平洞室和斜坡道都有較大的增長，最終該斷面拱頂成為240m復雜結構位移最大處，為1.251mm。第9～11斷面在開挖斜坡道時，位移增長最大，在其他荷載步，位移隨著開挖面推進呈現線性增長，而后增長速率逐漸減小最終趨于穩定。

3 560m埋深模擬結果分析

3.1 豎井開挖模擬結果

按照上述介紹的荷載步設置，對 560m埋深處復雜節點豎井進行數值模擬。在工程開挖完成后，因水平洞室的影響，交叉處豎井圍巖的最大主應力分布狀態未能像240m處一樣呈環形分布，而是沿著水平洞室延伸，應力最大處位于各交叉節點，為13.5MPa。最小主應力的分布呈現區域性，因水平洞室上部為徑向應力最大，使得豎井與水平洞室交叉處上部巖體在一定深度范圍內最小主應力較小，為11.6MPa。

因提升井與水平洞室交叉處，位移變化較大，特取交叉處豎井一側水平斷面四個分析點研究其隨著荷載步增加位移變化規律(圖9)。

圖9 560m埋深處豎井斷面分析點位移變化

第1斷面位于提升井頂端，1-1、1-3測點沿z方向，1-2、1-4測點沿x方向。第1荷載步因開挖此區域巖體使得四個測點均產生了較大的位移。在開挖左側豎井的第2、3荷載并未使其位移增加，說明開挖右側豎井時對其影響極小。在水平洞室開挖時位移增加較劇烈，最終洞壁左側位移達到2.283mm。

3.2 水平洞室開挖模擬結果

560m埋深處水平洞室開挖過程中，水平洞室與豎井交叉處巖體的最大主應力較集中，且拱頂、拱底較邊墻處大，值為15.9MPa，而最小主應力呈環向分布，在交叉處邊墻上最小。各水平洞室之間巖體最小主應力均較大。

560m埋深處復雜節點連接通道與水平洞室交叉處最大主應力在拱頂和拱底巖體出現集中，而邊墻處最小。交叉處邊墻是最小主應力集中處，并呈環向分布。

選取水平洞室位移交叉處的斷面測點進行位移隨荷載步增加的變化關系研究。第2～4斷面位于豎井與水平洞室交叉處水平洞室一側，n-1、n-2、n-3、n-4分別位于拱頂、右邊墻、拱底和左邊墻，n代表截面編號，其中第2斷面隨荷載步增加位移變化規律如圖10所示。

圖10 第2斷面分析點位移隨荷載步變化

豎井開挖未能使上述斷面分析點產生較大的位移，當第4荷載步開挖此區域巖體時拱頂和拱底分析點產生了較大位移，較邊墻處分析點的位移大。隨著水平洞室和斜坡道的開挖拱頂位移增加明顯，而邊墻和拱底位移增幅較小，同時拱底位移開始減小。說明在水平洞室與豎井交叉處拱頂是產生位移最大的地方，在施工過程中應加強監測。

第5～8斷面位于水平洞室與長連接通道交叉處長通道一側，n-1、n-2、n-3、n-4分別位于拱頂、右邊墻、拱底和左邊墻，n代表截面編號，其中第6斷面隨荷載步增加位移變化規律如圖11所示。

圖11 第6斷面分析點位移隨荷載步變化

第5～8斷面均為水平洞室與連接通道交叉處斷面，在1～5荷載步因未對該區域巖體開挖，只使其產生較小的位移。當開挖至此斷面時拱頂產生較大位移變化.在第5～7斷面交叉側邊墻較另一側位移要大。在第6斷面拱底位移要大于拱頂。最終該交叉結構最大位移達到2.537mm，說明水平洞室之間的交叉結構在水平洞室和斜坡道開挖中會產生較大位移。

3.3 斜坡道開挖模擬結果

斜坡道在公共區水平洞室施工完畢后才穿其而過，并采用TBM施工。特將斜坡道劃分五個荷載步。斜坡道與水平洞室交叉處巖體的應力狀態和長連接通道與水平洞室交叉處巖體相似，最大主應力最大處位于拱頂和拱底，最小主應力最大處位于邊墻處，并呈環向分布。

為更直觀說明在斜坡道與水平洞室交叉處位移隨荷載步的變化規律，選擇左側長洞室和中間三條水平洞室與斜坡道交叉處斜坡道一側的四個斷面，并取斷面上左下右四個位移分析點，其中第9斷面位移隨荷載步變化規律(圖12)。

圖12 第9斷面分析點位移隨荷載步變化

斷面位于斜坡道與水平洞室的交叉處。第9斷面在前9荷載步中受施工影響較小，位移增加幅度因此相應較小。當施工至此斷面時位移劇烈增加，隨后趨于穩定。第10斷面在第4荷載步因開挖中間水平洞室，使得其位移緩慢逐漸增加，在第9～13荷載步開挖斜坡道，使拱底、拱頂和邊墻的位移產生階躍性增長。第11斷面，拱頂位移在第14位移產生較大位移，達到2.814m。第12斷面，從第4步至最后荷載步，位移持續的增長。

4 結 論

(1)240m埋深復雜節點水平洞室開挖使洞室拱頂和拱底產生較大位移，在水平洞室與豎井交叉處拱頂位移最大；斜坡道與水平洞室交叉處產生了較大位移，隨斜坡道開挖交叉處的位移增長速率逐漸減小，反映了掌子面的空間作用效應；水平洞室與豎井交叉處圍巖的最大主應力在拱頂和拱底較為集中，并沿著洞壁向巖體內部逐漸降低。

(2)560m埋深復雜節點水平洞室拱頂位移隨洞室的開挖逐漸增大，交叉處位移最大；斜坡道與水平洞室交叉節點處位移成為主體結構施工過程中位移最大處，但位移增長速率逐漸放緩；水平洞室與豎井交叉處巖體的最大主應力較集中，斜坡道與水平洞室交叉處最大主應力在拱頂和拱底處，而邊墻處是最小主應力集中處。

地下實驗室實際開挖建設過程中，還需要根據實際開挖工況以及揭露的地層巖性、結構面等對施工效應做進一步精細分析。