地下洞室不同开挖方案的对比分析

2014-04-02，，，

中原工学院学报 2014年6期

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(1.中原工学院，郑州 450007；2.清华大学水利系北京 100084)

近年来，我国在西南、西北地区相继开工或进入规划设计阶段的大型地下水电站日益增多，而大型水利水电枢纽大多位于高山峡谷地区，工程布置比较困难，枢纽的主要组成部分一般采用大型地下洞室的方式。由于地下洞室围岩处于复杂的地质环境中，开挖后应力重分布情况复杂，进而影响到地下洞室的围岩稳定性[1-5]。目前，对于大型地下洞室开挖引起的围岩应力重分布的研究，多是单纯地研究洞室分层开挖后的应力和位移情况。文献[6]虽然考虑了各个开挖层之间的相互影响，但也仅限于应力情况，并没有分析位移和塑性区情况。本文以山东某地下水封石油洞库工程为例，在考虑了各个开挖层之间相互影响的情况下，重点分析了洞室分层开挖后的位移和塑性区情况，并且分析了不同的开挖深度对洞室稳定性的影响。

1 工程概述

我国已于2003年正式启动建立石油储备体系。目前一期4个大型地面原油储备库已相继建成投用，第二期石油储备库已经着手建设，其中有一部分为地下水封储备库[7]。山东某地下水封石油洞库工程则为我国第二期石油储备库，是目前国内首例正在实施的地下原油储备库项目。该工程主要由施工巷道、储油洞室等组成。主洞室宽20 m、高30 m，每10 m为一层，分为上、中、下三层。

本文通过FLAC3D软件，选择两种计算方案进行对比分析。第一种是预留底板保护层和取消底板保护层的方案对比分析，具体方案见图1。第二种为不同开挖方案的对比分析，具体方案见图2。

图1 预留底板保护层和取消底板保护层方案的模型图

图2 不同开挖方案模型图

2 数值分析

2.1 计算模型

为了便于分析，对于洞室模型进行了简化。计算模型的边界条件为：模型左侧和右侧限制水平方向移动，模型顶部和底部限制竖直方向移动。洞室围岩选取Ⅲ2类岩体，计算采用的力学参数如表1所示，洞室计算模型如图3所示。

表1 计算采用的力学参数

图3 洞室计算模型

2.2 预留底板层和取消底板保护层方案对比分析

预留底板保护层和取消底板保护层的位移云图分别见图4和图5。

图4 预留底板保护层方案的位移云图

图5 取消底板保护层方案的位移云图

由图4和图5可以看出：

(1)底板保护层开挖后，洞室围岩变形最大的部位位于第二层左右边墙处。预留底板保护层方案的边墙最大位移为4.16 cm，而取消底板保护层方案的边墙最大位移为3.98 cm，较预留底板保护层方案的边墙最大位移减少了0.18 cm。

(2)底板保护层开挖后，底板围岩变形最大的部位位于底板中部。预留底板保护层方案的底板中部最大位移为2.44 cm，而取消底板保护层方案的底板中部最大位移为1.74 cm，较预留底板保护层方案的底板中部最大位移减少了0.70 cm。

(3)底板保护层开挖后，在拱顶部位，预留底板保护层方案的最大位移为1.85 cm，而取消底板保护层方案的最大位移为1.83 cm，较预留底板保护层方案的最大位移减少了0.02 cm，变化较小。

塑性区图分别见图6和图7。由图6和图7可以看出，底板保护层开挖后，预留底板保护层方案的底板塑性区最大深度为7 m，而取消底板保护层方案的底板塑性区最大深度为5 m，较预留底板保护层方案的最大塑性区深度减小了2 m。

图6 预留底板保护层方案的塑性区图

图7 取消底板保护层方案的塑性区图

2.3 不同开挖方案的对比分析

为了确定研究结果的规律性，又对改变第三层和第四层开挖深度的方案进行研究。底板最大位移的变化趋势见图8，边墙最大位移的变化趋势见图9。计算没有考虑爆破的影响。

图8 不同开挖方案的底板最大位移变化趋势

图9 不同开挖方案的边墙最大位移变化趋势

由图8和图9可以看出，随着第四层深度的增加，底板最大位移和边墙最大位移逐渐减小。当第四层深度增加到10 m时(图2(f))，底板最大位移为1.38 cm，较底板保护层为2 m的方案(图1(a))减少了1.06 cm。

从上述各项数据比较来看，取消底板保护层开挖方案的底板位移和塑性区深度都小于预留保护层的开挖方案。

造成以上结果的原因是：洞室分层开挖，第三层开挖后，对未开挖部分已经造成了扰动，并且未开挖部分已经处于第三层开挖造成的塑性区内，岩石强度降低；第四层开挖时底板下部受到扰动，而随着第四层深度的增加，底板受扰动减小。第三层和第四层一次性开挖，底板在开挖前还没有受到扰动，或者受到第二层开挖的扰动较小，岩石强度接近原岩强度；开挖之后，底板下部受扰动深度比分步开挖受扰动深度小。