曾新发

(湖南城市学院城市管理学院，湖南益阳 413000)

0 引言

地下洞室在开挖过程中，由于应力释放而引起主应力差的变化，对洞室围岩应力及变形产生不利影响，进而可能会导致洞室围岩失稳［1-3］。

1 有限元数值分析

本文基于经典Drucker-Prager(D-P)屈服准则的函数关系［4，5］，研究了主应力的变化对安全强度储备系数的影响。建立三维有限元模型，结合某洞室特点，对其开挖施工过程中围岩的应力、变形及关键点安全系数进行了计算分析，评价了该洞室因开挖造成的稳定性问题。针对开挖过程中，局部点安全系数偏小的情况，通过三个混凝土二次衬砌方案的比选，得出最优支护方案，为地下洞室开挖及支护方案提供借鉴。

1.1 工程概况及三维模型

图1 地下洞室布置及断层位置示意图

图2 洞室开挖步骤示意图

某水电站尾水建筑物包括尾水支洞、尾水闸门室、尾水井、尾水隧洞、出口检修闸门室和尾水渠，按三机一调一尾格局布置，共布置九条尾水支洞，地质构造包括Ⅲ级断层F20，F21，F22，如图1所示。

图3 典型断面X=-225.97 m上关键点位置示意图

图4 关键点小主应力随开挖进行的动态变化曲线

三维计算模型共划分单元184 336个，节点38 954个，采用位移边界，实体单元模拟，地下洞室布置以及断层位置示意图如图1所示。洞室总共分38步开挖，尾水支洞和尾水隧洞均分三层开挖，根据设计顺序错动开挖，井身及五洞叉口开挖步骤示意图如图2所示，开挖顺序为:A1，A2，…，A7，C1，B1，B2，…，B15，C2，C3，C4。

1.2 施工期开挖成果分析

选取典型断面，对洞室在开挖过程中围岩动态稳定性进行研究。典型断面上，各个关键点位置如图3所示。各关键点小主应力(拉正压负)、安全系数随开挖步的动态变化曲线如图4，图5所示。

图5 关键点安全系数随开挖进行的动态变化曲线

由图4不难看出，当开挖高程达到该关键点所处的高程时，小主应力突然变大，呈现出阶梯状跳跃式变化，局部区域出现拉应力，在关键点下3处，最大拉应力1.10 MPa。

由图5可以看出，关键点安全系数随开挖步的进行而不断降低，当开挖高程达到该关键点所处的高程时，该点的安全系数呈现出断崖式下降，局部位置的安全系数小于规范的要求，如表1所示。

表1 动态施工时安全系数小于规范要求关键点统计

此外，井上部关键点的安全系数在开挖初期降幅最大，而中部关键点的安全系数最小值发生在开挖中期，约为开挖总步的一半;开挖后期，下部关键点的安全系数取得最小值，这表明，随着开挖的不断进行，洞室围岩的失稳过程是由顶部向底部不断地来扩展。

2 二次衬砌后稳定性分析

针对上述个别关键点安全系数不满足规范要求的情况实施二次混凝土衬砌支护。混凝土衬砌分别浇筑至高程583.3 m，613.5 m，625.50 m三个方案进行模拟对比计算。

图6 不满足规范要求点安全系数随衬砌高程变化情况

经二次衬砌后，典型断面上各关键点安全系数的变化见图6。由图可知，当二次衬砌高程低于关键点所处高程，该关键点安全系数基本不变;当二次衬砌高程大于关键点所处高程，该关键点安全系数增大明显，且均大于1.05，满足规范要求。

关键点中1安全系数变化最小，当混凝土浇筑至625.5 m时，安全系数才达到1.07。通过上述几个方案数值计算和比选，混凝土浇筑至625.5 m高程方能完全满足围岩稳定要求，因此，这一方案是最安全合理的方案。

3 结语

1)采用D-P准则，对地下洞室群开挖施工造成的围岩稳定性问题进行模拟分析，结果表明，当洞室开挖至某关键点而导致该点围岩突然卸荷时，该点小主应力表现为骤升，该点安全系数表现为骤降，说明主应力差突变对围岩稳定极为不利。

2)开挖过程中，围岩整体稳定，随开挖的进行，关键点小主应力持续增加，安全系数逐渐减小，洞室围岩潜在的失稳过程是由顶部向底部不断扩展，洞室拐角点和断层切割部位的少数关键点安全系数小于规范规定要求。

3)当二次衬砌高程大于关键点所处高程时，该关键点安全系数增大明显，且均大于1.05，满足规范稳定要求。通过方案比选，当混凝土浇筑至625.5 m高程时，满足围岩稳定要求，为合理方案。

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