地下洞室分期开挖应力扰动特征与规律研究

发布时间：2019-10-14 05:21

【摘要】：针对地下洞室开挖扰动分析中常忽略应力主轴旋转以及应力扰动无法量化的现状,以大岗山水电站地下厂房为研究实例,根据主应力方向与洞室横断面及洞轴线之间的几何关系,定义了描述应力主轴旋转的特征角。研究表明,洞室开挖引起了顶拱和边墙不同程度的应力释放和主方向旋转,围岩主应力均在开挖当期卸荷强烈,主应力方向在开挖当期和后继一个开挖期中旋转强烈,且顶拱和边墙部位主应力方向调整具有一定的共性,表现为最小主应力方向最终近似垂直于洞室开挖面,而最大主应力与中主应力方向则近似在平行于开挖面的平面内调整。在此基础上,考虑应力主轴旋转影响,定义应力扰动指标SDI作为描述洞室围岩应力场扰动程度的力学表征量,研究了大岗山水电站地下厂房围岩应力场扰动的时间演化过程和空间分布特征,并将数值模拟得到的强应力扰动区与现场测试的开挖损伤区进行了对比分析,相关认识和结论具有一定理论和工程意义。
【图文】：

剖面示意图,三维模型,监测点,厂房轴线

ǖ牡匦斡氲刂侍?件下，大跨度、高边墙的大型地下洞室群的稳定性成为工程设计、施工与安全运营中的关键技术难题。鉴于此，本文拟将大岗山地下厂房的开挖施工作为洞室围岩应力扰动的研究实例，为简化研究，，建立的计算模型与实际工程并不完全一致。计算模型取厂房轴线的垂直方向为X轴，方向为SE35°，主厂房机组中心线为0点，即厂（纵）0＋0.000；取厂房轴线方向为Y轴，方向为NE55°，0号剖面端线为0点，即厂（横）0＋0.000；竖直向上为Z轴。计算区域[20]X向：800～400m；Y向：700～300m；Z向：500m高程到地表面。图1为地下洞室群三维模型，取洞室轴线方向Y50.9m为监测剖面，并在主厂房一侧取监测点1～5。图1地下洞室群三维模型及监测剖面示意图Fig.13Dmodelofundergroundcavernsandschematicsketchofmonitoringsection计算模型共包含1446850个单元和244641个节点。计算模型采用位移边界条件，模型上表面为自由面，其余各边界面均固定其平面内所有节点的法向速度。初始地应力场设置：铅直方向（Z向）按自重应力场施加，垂直轴线（顺水流方向）方向（X向）和厂房轴线方向（Y向）按自重应力场的监测剖面(Y=50.9m)监测点1监测点2监测点3监测点4监测点5ZXY

示意图,分层开挖,示意图,主应力

的Ｐ椭惺紫仁┘幼灾赜αΓ囡诖嘶猊∩隙ㄒ?Fish函数施加X、Y向应力，经计算平衡后得到数值模型初始地应力常围岩采用弹塑性Mohr-Coulomb模型，相关力学参数取值参考文献[21]，见表1。表1材料力学参数[21]Table1Mechanicalparametersofmaterials[21]材料弹性模量E/GPa泊松比凝聚力c/MPa内摩擦角/(°)抗拉强度Rt/MPa重度/(kN/m3)II类围岩21.40.251.6551.3626.5II类围岩9.40.301.1545.0426.2II类围岩2.80.350.6035.0225.8地下厂房系统采用分层分步开挖，实际工程中的开挖方案如图2所示（图中数字代表各洞室开挖期数）。图2地下厂房洞室群分层开挖示意图Fig.2Sketchoflayerexcavationofundergroundpowerhouse3厂房围岩应力场扰动规律洞室围岩内任意一点的应力状态都对应着一个二阶张量(,1,2,3)ijijeeij，通常用矩阵表示如下：111213212223313233xxyxzijyxyyzzxzyz（1）由于剪应力满足xyyx，应力矩阵只需用6个独立参数进行描述，通常选用3个主应力(1,2,3)ii及其主方向，根据弹性力学知识，主应力i分别对应主方向in，且3个主方向两两正交，故独立的方向余弦只有两个，它们足以描述主应力i的空间方位。在洞室开挖过程中，主应力与洞室临空面的夹角是开挖稳定分析的重要因素，在后文中提出两个特征角代替方向余弦，这样做物理意义明确，且在描述应力主轴偏转方面更为直观、方便。3.1主应力大小的变化规律根据数值计算的结果，对监测点主应力在分期开挖过程中的变化规律进行了分析。以主厂房顶拱（监测点1）和边墙（监测点3）为例，其主应力变化曲线如图3、4所示。图3主厂房顶拱在分期开挖过程中的应力变化图Fig.3V
【作者单位】：中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室;天津大学建筑工程学院;
【基金】：国家重点基础研究发展计划(973)项目(No.2015CB057905) NSFC-云南联合基金重点支持项目(No.U1402231)) 国家自然科学基金项目(No.51279202,No.51409263)~~
【分类号】：TV223;TV554

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