高地应力下地下洞室群开挖过程的数值模拟.pdf

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1、第26卷第4期华中科技大学学报(城市科学版)Vol_26No．42009年12月J．ofHUST．(UrbanScienceEdition)Dec．2009高地应力下地下洞室群开挖过程的数值模拟陈景涛，朱进明，苏国韶。(1．武汉理工大学理学院，湖北武汉430070；2．中电武汉电子广场，湖北武汉430022；3．广西大学土木建筑工程学院，广西南宁530004)摘要：采用适用于高地应力下硬岩的弹一脆一塑性本构模型，对某水电站地下洞室群的开挖过程进行了数值模拟，得到了高地应力下地下洞室群开挖过程中位移场

2、、应力场和塑性区的演化过程。比较发现，数值模拟结果和实测位移及松动圈较为～致，表明数值计算的方法和结果正确可信，为高地应力条件下硬岩地下工程的计算、设计、优化和围岩稳定性分析提供了科学依据。关键词：高地应力；地下洞室；开挖过程；数值模拟中图分类号：TU452文献标识码：A文章编号：1672—7037(2009)04-0005-05随着人类活动向地下空间的延伸，在高地应房洞室群为工程实例，采用适用于高地应力下硬力区修建的地下工程越来越多。例如，在建中的岩的弹一脆一塑性本构模型加。，以获得较为符拉西瓦水

3、电站地下厂房洞群最大地应力为29．6合实际的破坏的范围、深度、应力和变形，为高地MPa；设计中的锦屏一级水电站地下厂房区最大应力下硬岩地下工程的分析与计算奠定基础。主应力值达37．5lPa；锦屏二级水电站的引水隧洞群在长探洞中实测最大主地应力值高达421数值计算模型MPa；规划中的南水北调西线工程部分洞段开挖时可能会遇到50MPa左右的高水平挤压应力。1．1工程概况根据相关研究¨，上述工程都属于高地应力下地下洞室群主要由主厂房、主变室、调压室、硬岩地下工程。高地应力下大型地下工程的施工尾闸室、尾水管

4、、母线洞等构成，其中主厂房开挖建设，往往需要投入大量的人力、物力和财力。如尺寸(长X宽×高)为311．75mx30．0mX73．84果洞室群布置、施工顺序和支护措施合理，不仅可m，主变室开挖尺寸232．6m×29．0m×53．0m，以保证地下工程在施工过程的安全性和使用期问地下洞室群布置见图1。地下洞室群位于微风的长期稳定性，还能节省大量投资。开展高地应化一新鲜块状结构花岗岩体内，主要由Ⅱ类围岩组力条件下大型地下工程的数值模拟研究，对确保成，各类围岩的力学参数见表1，结构面分布见图2。工程顺利进行、

5、有效合理地开发地下空间具有十分重要的意义，其成果可为我国水电工程、矿山工程、能源储存工程等的安全建设与运营提供科学依据，具备良好的社会经济效益与应用前景J。传统的本构模型在模拟高地应力下硬岩破坏的范围和深度方面不理想。比如采用传统的弹塑性本构模型进行高地应力下水电站地下厂房洞群的稳定性分析，由于高地应力地区地应力量值较大，岩体弹模高，计算结果中常发现，洞室群围岩出现贯穿性的大面积屈服，这与电站长期安全运行的实际情况不符，还需耗用大量资金进行支护图1地下洞室群布置处理。本文以高地应力区的某水电站地下厂

6、收稿日期：2009-04—16作者简介：陈景涛(1976一)，男，河南人，副教授，博士，研究方向为工程材料的力学行为，jtehen2006@163，eom。基金项目：国家自然科学基金(50809017)。·6·华中科技大学学报(城市科学版)2009盈表1地下洞室群围岩力学参数(a)数值模型(b)开挖体图3计算网格1．3锚杆支护效应工程实践证明，锚喷支护对工程围岩的加固十分有效。锚杆的锚固作用既有力学作用，也有图2结构面分布物理作用。力学作用就是锚杆的锚固力作用于围1．2计算模型岩，改善了围岩的应力状

7、态，提高了围岩的承载能由于该地下洞室群系统在几何形状、地质条力；而物理作用就是锚杆加固后改善和提高岩石件、开挖与支护过程、围岩力学行为等各方面所表强度、弹性模量、粘聚力和内摩擦角等力学参数。现出的高度复杂性，为了保证计算的高精度，大规锚杆支护效应的模拟采用中科院武汉岩土力模三维非线性数值精细仿真计算非常必要。数值学研究所朱维申等提出的锚杆支护对洞室岩体强计算采用岩土工程数值计算软件FLAC如，包含地度提高的经验公式【6_8J，该经验公式已在多项大下洞室群的三维数值模型计算网格和开挖体的计型岩土地下工

8、程得到了很好地应用，公式如下：算网格(图3)，单元总数达64万。结构面采用FLAC加的Interface单元模拟。本构模型采用陈景c=c。+叼三t=。’涛等提出的适用于高地应力下硬岩的弹一脆一塑性式中，C0、‰为岩体的粘聚力和内摩擦角；C，、为本构模型】，通过FISH语言的二次开发，将此锚固岩体的粘聚力和内摩擦角；为锚杆材料的抗剪本构模型嵌入FLAC如计算软件，以融人数值模拟强度；s为锚杆的横截面面积；口，b分别为锚杆的纵、计算当中。初始应力场最大主应力达29．7MP