蔣 兵

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

1 概 述

當(dāng)巖體中包含大量裂隙、節(jié)理、破碎帶甚至斷層等不連續(xù)結(jié)構(gòu)，使巖體既不完全連續(xù)，也不完全離散，如何合理描述這種非連續(xù)巖體的力學(xué)行為已成為國(guó)際巖石力學(xué)界公認(rèn)的理論難題[1]。離散單元法是專門用來(lái)解決不連續(xù)介質(zhì)問(wèn)題的數(shù)值模擬方法，該法把節(jié)理巖體看成是由離散的巖塊和巖塊間的節(jié)理面所組成。巖塊能移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和變形，而節(jié)理面可被壓縮、分離或滑動(dòng)[2-3]。調(diào)壓井穹頂位于巖體條件復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中，節(jié)理裂隙發(fā)育，在穹頂開挖過(guò)程中極易與節(jié)理互相切割形成不穩(wěn)定塊體[4]，同時(shí)，節(jié)理裂隙的存在一定程度上降低了穹頂成拱效應(yīng)，使穹頂豎向位移增大，具有一定的安全隱患[5-7]。因此，為分析其穩(wěn)定性，借助二維UDEC離散元軟件，對(duì)穹頂跨度最大且節(jié)理裂隙與開挖結(jié)構(gòu)面最不利組合進(jìn)行分析。

2 調(diào)壓井穹頂模型建立

2.1 模型尺寸

調(diào)壓井埋深約67 m，寬度23 m，穹頂圓心角102.95°，半徑14.7 m，穹頂以下開挖高度約94 m。本計(jì)算主要研究穹頂變形，為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，只考慮交通洞開挖范圍，即開挖高度按7.5 m進(jìn)行計(jì)算。為消除邊界影響，左右及底部邊界均取大約100 m。根據(jù)地質(zhì)資料，具有三組節(jié)理裂隙：①組走向40°～50°傾向NW∠10°～20°，間距1～2 m，面緩波狀，略粗糙，延伸長(zhǎng)20～30 m；②組5°～15°NW∠40°～50°，間距20～40 cm，面略粗糙，延伸長(zhǎng)3～5 m，密集發(fā)育；③組50°～60°SE∠40°～50°，斷續(xù)延伸長(zhǎng)20～30 m，間距1～2 m，面粗糙無(wú)充填。經(jīng)過(guò)分析以及簡(jiǎn)化模型考慮，將走向接近的①和③組節(jié)理合并為一組節(jié)理，UDEC模型示意見圖1。

圖1 UDEC節(jié)理模型示意圖

2.2 初始地應(yīng)力

模型頂部取至覆蓋層地表，為自由邊界條件，左右和下部采用法向位移約束。底部施加沿著深度變化的地應(yīng)力。左右邊界約束X方向位移，底部施加約束X和Y向位移。

2.3 分析步設(shè)置

根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)壓井穹頂施工進(jìn)度，擬作以下分析步：

第一步：計(jì)算地應(yīng)力平衡。計(jì)算初始應(yīng)力場(chǎng)，包括一定埋深下的水平向、豎直向位移。

第二步：開挖穹頂和直墻范圍內(nèi)巖體?？紤]穹頂開挖以后，荷載釋放100%的工況，運(yùn)行至最大不平衡力趨于較小定值(一般在104左右)。

第三步：施加錨桿，運(yùn)行至最大不平衡力趨于較小的定值(一般在104左右)。

3 材料參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)資料，計(jì)算參數(shù)取值見表1。

根據(jù)UDEC軟件對(duì)參數(shù)的要求，需要將彈性模量和泊松比轉(zhuǎn)化為體積膨脹模量K和剪切模量G，見表1。錨桿及注漿體力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 地質(zhì)參數(shù)表

表2 錨桿及注漿體力學(xué)參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果分析

1) 未施做支護(hù)，穹頂穩(wěn)定性分析。見圖2-圖7。

圖2 最大不平衡力變化趨勢(shì)(單位：N)

圖3 開挖至平衡應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖4 開挖至平衡位移矢量圖(單位：m)

圖5 開挖至平衡Y方向位移云圖(單位：m)

圖6 節(jié)理剪切滑移區(qū)示意圖(紅色)

圖7 節(jié)理張開區(qū)示意圖(紅色)

根據(jù)圖2可知，模型開挖后運(yùn)行5 000步，已經(jīng)達(dá)到平衡要求。此時(shí)調(diào)壓井穹頂左側(cè)和右側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力變稀疏、變小的現(xiàn)象，且左側(cè)的稀疏范圍比右側(cè)大，說(shuō)明在這兩個(gè)區(qū)域隨著開挖并達(dá)到新的平衡過(guò)程中，出現(xiàn)了不同程度的比其他部位更大應(yīng)力釋放，見圖3。這一現(xiàn)象通過(guò)圖4-圖6可以進(jìn)一步看出，位移矢量圖和Y向豎向位移圖中穹頂左側(cè)的位移較大，右側(cè)的位移較小，穹頂最大位移約16 mm，小于在《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》表5.3.3中計(jì)算的允許最大豎向位移為23 mm。在圖6節(jié)理剪切滑移區(qū)示意圖中，也明顯的表示出在穹頂左側(cè)出現(xiàn)較大的剪切滑移，右側(cè)出現(xiàn)較小的剪切滑移，最大剪切滑移范圍約5 m。為了進(jìn)一步驗(yàn)證穹頂是否會(huì)失穩(wěn)，通過(guò)查看節(jié)理張開區(qū)進(jìn)行說(shuō)明。在圖7中，節(jié)理張開區(qū)僅在底部出現(xiàn)，并未出現(xiàn)在穹頂，說(shuō)明穹頂塊體并未出現(xiàn)滑移至脫空現(xiàn)象，塊體能夠通過(guò)相互擠壓形成較為穩(wěn)定的拱。

上述分析并未考慮地質(zhì)參數(shù)的隨機(jī)性、不均質(zhì)性以及施工等外部因素的擾動(dòng)，在實(shí)際施工過(guò)程中，不可避免的會(huì)出現(xiàn)穹頂?shù)魤K現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)由于關(guān)鍵塊體失穩(wěn)導(dǎo)致其他塊體連環(huán)失穩(wěn)的現(xiàn)象。因此，在穹頂開挖后要及時(shí)清掃穹頂表面不穩(wěn)定塊體，同時(shí)應(yīng)在穹頂穩(wěn)定一段時(shí)間后立即做噴錨支護(hù)措施。

2) 開挖穩(wěn)定后進(jìn)行錨桿支護(hù)。在開挖穩(wěn)定后施做直徑25 mm、間距2 m、長(zhǎng)8 m的錨桿，計(jì)算結(jié)果見圖8-圖13。

圖8 錨桿示意圖(紅色)

圖9 位移矢量圖(單位：m)

圖10 施加錨桿至平衡Y方向位移云圖(單位：m)

圖11 節(jié)理剪切滑移區(qū)

圖12 錨桿軸力圖(單位：N)

圖13 錨桿剪力圖(單位：N)

分析可知，在穹頂開挖穩(wěn)定后，為了防止穹頂二次應(yīng)力釋放、外部因素?cái)_動(dòng)以及巖體蠕變導(dǎo)致的不穩(wěn)定，應(yīng)及時(shí)施加支護(hù)。通過(guò)施加直徑25 mm、間排距2 m、入巖深度8 m的錨桿，運(yùn)行至平衡后，拱頂最大豎向位移限制在1 mm以內(nèi)，且出現(xiàn)的部位仍是穹頂左側(cè)，見圖9、圖10。在施加錨桿后，節(jié)理剪切滑動(dòng)區(qū)域并未進(jìn)一步擴(kuò)展，說(shuō)明錨桿限制了節(jié)理的開展，見圖11。圖12中，錨桿軸力最大值為4.3 t，出現(xiàn)在穹頂偏左側(cè)，這也表明穹頂左側(cè)處豎向位移較大，錨桿受到的豎向拉力較大，但整體小于錨桿設(shè)計(jì)軸力。圖13中，錨桿的剪力主要集中在剪切滑移區(qū)，且峰值剪力主要出現(xiàn)在節(jié)理面，最大剪力為3.8 t。

5 結(jié) 論

運(yùn)用UDEC離散元軟件模擬復(fù)雜地質(zhì)條件下調(diào)壓井穹頂開挖支護(hù)過(guò)程，通過(guò)穹頂位移量、節(jié)理剪切滑移區(qū)和節(jié)理張開區(qū)云圖等綜合反映節(jié)理發(fā)育條件下調(diào)壓井穹頂開挖穩(wěn)定性，較單一利用位移量判定穹頂穩(wěn)定性更加合理，進(jìn)一步為工程技術(shù)人員提供理論依據(jù)。