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地下洞室支護結(jié)構(gòu)安全性分析

文檔作者：陳璞磊馬仲濤文檔來源： 1．河海大學力學與材料學院 2．上海同豐工程咨詢有限公司，		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月16日
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陳璞磊等：地下洞室支護結(jié)構(gòu)安全性分析 1l5
地下洞室支護結(jié)構(gòu)安全性分析
陳璞磊 ， 馬仲濤
(1．河海大學力學與材料學院． 南京210098； 2．上海同豐工程咨詢有限公司， 上海200050)
【摘要】 運用現(xiàn)代支護結(jié)構(gòu)原理，結(jié)合工程實例，通過ANSYS軟件進行了開挖和支護的數(shù)值模擬，計算出
了支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，由其內(nèi)力結(jié)果，得出襯砌強度安全系數(shù)，研究不同厚度的襯砌對其安全系數(shù)及其穩(wěn)定性的影
響，根據(jù)工程規(guī)范，確定襯砌的最小安全厚度。
【關鍵詞】襯砌支護；可靠性；ANSYS；地下洞室
【中圖分類號】TU942 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 1001—6864(2014)01—0115—03
SECURITY ANALYSIS ON SUPPORTING STRUCTURE OF UNDERGROUND CAVERN
CHEN Pu—lei ， MA Zhong．tao
(1．College of Mechanics and Materials，Hohai University，Nanjing 210098，China；
2．Shanghai Tongfeng Engineering Consulting Co．，Ltd．，Shanghai 200050，China)
Abstract：Using morden supporting structure theory，this paper does numerical analysis of excava—
ting and supporting with the software ANSYS in an engineering project，and calculate the internal force
of supporting structure．Through the analysis results of internal force，the safety factor of the strength of
the lining can be obtained．According to the engineering specification，it can determine the minimum
safety thickness of lining by studying how thickness of lining affects the safety factor and stability．
Key words：supporting structure of lining；reliability；ANSYS；underground cavern
目前地下工程的設計，必須滿足安全、適用、耐久
等可靠性方面的要求。因為在地下工程的設計、施
工，甚至投入使用以后，其可靠性都會受到各種因素
的影響，比如天然地應力、構(gòu)造應力，以及在工程測量
產(chǎn)生的誤差等等都是影響因素 。對于這些隨機的
因素進行分析的過程稱之為結(jié)構(gòu)可靠性分析，這是結(jié)
構(gòu)計算與設計的重要組成部分。但是，由于地下工程
的支護需要很大的投資，所以就會出現(xiàn)各種人為的和
客觀的因素，所建成的支護結(jié)構(gòu)與理想的相差較大，
尤其是在施工過程中造成的改變。支護襯砌結(jié)構(gòu)在
地下工程中是主要的承載結(jié)構(gòu)，其厚度的變化也就會
影響地下洞室的可靠性與壽命，但其厚度也直接關系
到工程成本，所以筆者通過工程實例對地下洞室的襯
砌結(jié)構(gòu)厚度的變化來分析其對洞室可靠性的影響，并
對襯砌的安全性作出評價。
1 現(xiàn)代支護結(jié)構(gòu)原理
現(xiàn)代支護結(jié)構(gòu)原理是建立在圍巖與支護共同作
用的基礎上，即把圍巖與支護看成是由兩種材料組成
的復合體。按一般結(jié)構(gòu)觀點，亦即把圍巖通過巖石支
承環(huán)作用使之成為結(jié)構(gòu)的一部分，充分發(fā)揮圍巖的自
承能力。一方面不能讓圍巖進入松動狀態(tài)，以保持圍
巖的自承能力；另一方面允許圍巖進入一定程度的塑
性，以使圍巖自承力得以極大限度的發(fā)揮。當圍巖洞
壁位移接近允許變形值Ur~nax時，圍巖壓力就達到最小
值。無論是巖石的應力一應變曲線還是巖體節(jié)理面
的摩擦力與位移的關系曲線都具有同樣的規(guī)律，即起
初隨著應變或位移的增大，巖石或巖體的強度逐漸獲
得發(fā)揮，而進入塑性后，又隨著應變或位移的增大，強
度逐漸喪失，可見，圍巖剛進入塑性時，發(fā)揮的自承力
最大。
支護結(jié)構(gòu)體系與圍巖共同作用的計算模式，主要
用于由于圍巖變形而引起的壓力，壓力值必須通過支
護結(jié)構(gòu)與圍巖共同作用而求得，該解法把圍巖視作彈
塑性體或粘彈塑性體，并與支護一起采用有限元或邊
界元數(shù)值法求解，可以直接算出圍巖與支護的應力和
變形狀態(tài)，以判斷圍巖是否失穩(wěn)和支護是否破壞，并
且可以考慮巖體中的節(jié)理裂隙、層面、地下水滲流及
巖體膨脹性等影響，是目前理論計算法中的主要方法。
2 工程實例 J
2．1 工程概況
某大型水電站位于四川省涼山彝族自治州，采用
左岸首部開發(fā)方式進行布置，地下廠區(qū)洞室群規(guī)模巨
l16 低溫建筑技術 2014年第1期(總第187期)
大。地下廠房部位的地面高程2275～2480m，上覆巖
體厚度245～450m，巖性為花崗閃長巖，主廠房開挖跨
度27m，開挖高度58m，主變室開挖跨度為18m，開挖
高度為27m，尾水調(diào)壓室的開挖跨度為24m，高度
63m。主副廠房洞、主變洞以及尾水調(diào)壓室三大洞室
從上游往下游依次平行布置，主副廠房與主變洞的凈
間距為45m，主變洞與尾水調(diào)壓室的凈間距為42m；引
水隧洞高壓管道軸線與廠房縱軸線垂直布置；地面開
關站布置在進水口上游側(cè)約100m處。
2．2 計算模型
采用二維計算模型，將問題視為平面應變問題，
模擬主廠房、主變室、調(diào)壓井三大洞室開挖與支護的
過程。采用大型通用計算分析軟件ANSYS進行數(shù)值
模擬分析。選用平面4節(jié)點單元PLANE42。而支護
的模擬中，分別用桿單元和梁單元來模擬錨桿與襯
砌，并施加相應預應力。在模型兩側(cè)約束其水平方向
位移，豎直方向自由；底部約束其豎直方向位移，水平
方向自由；而上部完全自由，如圖I所示。
圖1 廠房地質(zhì)條件模擬圖
2．3 初始地應力
根據(jù)實測地應力資料回歸反演分析可知，廠房洞
室圍巖以自重應力為主，因此，計算中初始地應力場
采用自重應力場。
2．4 模擬開挖支護的步驟與方案
根據(jù)設計方案，該水電站地下廠房主要分為11層
開挖支護，如圖2所示。開挖支護過程通過軟件對襯
砌單元、錨桿單元與開挖部分單元的“激活”、“殺死”
操作來實現(xiàn)。
圖2 地下廠房分步開挖示意圖
2．5 計算結(jié)果
計算結(jié)果表明，主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室在開
挖完成后，因圍巖卸荷松弛而產(chǎn)生向臨空面的位移，
在邊墻、頂拱和拱肩部位較大深度范圍內(nèi)產(chǎn)生拉應
力；在頂拱、底板部位因圍巖回彈變形而形成承載拱
形結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了較大的壓應力；在角點部位存在應力
集中現(xiàn)象?？傮w上，應力、位移計算結(jié)果符合一般
規(guī)律。
3 支護襯砌結(jié)構(gòu)安全性分析
通過模型計算得到襯砌厚度變化時襯砌的軸力、
剪力及彎矩，圖3～圖5為襯砌結(jié)構(gòu)厚度為41em時的
軸力、剪力和彎矩云圖。
為分析襯砌厚度變化對其安全性的影響，借由
《公路隧道設計規(guī)范》規(guī)定，整體式襯砌的混凝土偏心
受壓構(gòu)件，其軸向力的偏心距不宜大于截面厚度的
0．45倍，混凝土和砌體矩形截面軸心及偏心受壓構(gòu)件
的抗壓強度按式(1)計算：
≤ 。bh (1)
式中， 。為為混凝土或砌體的抗壓極限強度，按
表1選用；K為為安全系數(shù)；Ⅳ為為軸向力；b為為截面
寬度；h為為截面厚度； 為為縱向彎曲系數(shù)，應根據(jù)
其長細比取用，這里可取 =l； 為軸向力的偏心影
響系數(shù)，由式
Ot=1+0．648(e／h)一12．569(e／h) +15．444(e／
h) 可確定；
按抗拉裂要求，混凝土矩形截面偏心受壓構(gòu)件的
陳璞磊等：地下洞室支護結(jié)構(gòu)安全性分析 1l7
抗拉強度按式2計算。
圖3 地下廠房襯砌剪力圖
圖4 地下廠房襯砌軸力圖
圖5 地F J房村砌彎矩圖
≤
1．7
．
≤ 5R~bh (2)
— 一 O (2)
e ． ‘
式中，R。為混凝土的抗拉極限強度；其它符號與
意義同前。
根據(jù)材料的極限強度，計算出偏心受壓構(gòu)件的極
限承載力Ⅳ。，代入上式可得實際安全系數(shù)K ，并與
相比較，可確定其是否滿足規(guī)范要求。
表1 混凝土極限強度 MPa
使用上述公式，對洞室頂拱單元進行了計算，并
列表統(tǒng)計了變厚度襯砌在頂拱單元的安全系數(shù)。
通過表2可以看出，對于拱頂處不同厚度的襯砌
最小安全系數(shù)為1．94，而該處的襯砌厚度為27cm，說
明此處的初期支護受力是不利的。由規(guī)范可知，該處
地質(zhì)條件下的最小安全系數(shù)取值為2．0，所以由安全
系數(shù)統(tǒng)計表可知滿足襯砌安全的最小厚度為30cm
左右。
表2 安全系數(shù)統(tǒng)計
襯砌厚度／em 27 28 30 32 40 42 46 67 72 91
安全系數(shù)1．941．98 2．21 2．37 2．95 3．11 3．49 5．19 5．78 7．29
4 結(jié)語
由襯砌內(nèi)力圖可以看出，對于同一條件下的地下
洞室結(jié)構(gòu)其邊墻的彎矩和軸力都較頂拱處大，且在二
者連接處更為明顯，有應力集中的現(xiàn)象。在改變襯砌
厚度的情況下，襯砌的內(nèi)力隨厚度的增加有明顯的提
升，可見襯砌厚度是影響安全系數(shù)的一個重要因素。
對于地下洞室其拱腳和邊墻的支護，在考慮其經(jīng)濟效
益和安全性的情況下，可以選取30cm為最小的施工
襯砌厚度作為參考。
參考文獻
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— 2l67．
[收稿日期】2013一lO—l7
【作者簡介] 陳璞磊(1987一)，男，河南信陽人，碩士研究生，
研究方向：地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
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