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1、第六次全国 岩石力学与工程学术大会论文集 中国武汉 2 0 0 0 . 1 0 地下厂房混凝土喷网三维数值模拟分析 肖明解家毕 ( 武汉水利电力大学水力发电系 李青腆 武汉4 3 0 价2 ) 摘要 根据棍凝土喷层支护特性， 提出地下厂房洞室棍凝土喷层支护三维有限元分析方法， 并结合澳洛渡工程实例进行了三 维有限元计算分析， 阐述了喷网 支护特性对地下洞室圈 岩稳定的支护效应。 关.词地下洞室， 喷网支护， 三维有限元 X i a o M i n g , X i e J i a b i , L i Q i n g g i ( W A - 0 n 1 -妙了 御 盆. 更 版 . 亡 舀 唱 泊
2、 幻 沙 姆 ， w a h a n 4 3 0 0 7 2 a i t n ) A h d m c l B a s e d m s u p p o r t c h m a c te d s t ic o f s h o tc r e t e , m t a n a l y s is m d h o d o f ffie v d i m en v i o n d F E M阮s h o rc r e t e is p m t e d . S u p p o r tu tg ef - fe dJs h d c a m扮 s u a o u n d u g ro c k m e s s e s 1
3、 s d d o o n s tr a te d th m u O m rn p u n n g 助X i - I . 汕 r u r d m g m u n d h or s e s . 胶 行侧 州 卜 m 山 r g m w d o p e n in g , s h o t c r e te , th x e p d im m m s l F E N 1 前言 棍凝土喷网 是在地下洞室开挖后， 由 炯筋网和喷射棍凝 土组合而成的快速柔性支护结构。 这种结构支护及时， 能适 应围岩变形， 具有独特的支护效果。混凝土喷网以其快速和 特效的支护特点， 有效地限制了松散岩体的塌落， 使围岩能 充
4、分发挥其自 承作用。而且施工工艺简便、 结构造价经济， 在矿山、 公路、 铁路、 水电等地下工程中被广泛采用。由于混 凝土喷网 是实际工程中发展起来的一种支护措施， 因此混凝 土喷网的支护设计. 目 前基本上是采用工程类比 法与监控童 侧相结合， 通过对t侧数据的处理和反馈， 适时地调整支护 抗力， 使围岩变形与支护抗力相协调， 以达到经济和工程稳 定之目 的。 本文根据混凝土喷网支护特性， 提出采用三维弹 塑性有限元的方法， 模拟棍凝土喷网的支护效果， 使混凝土 喷网的支护设计进一步定量化， 为混凝土喷网设计提供了一 种有效的分析方法。 2 混凝土喷网支护结构支护抗力计算 混凝土喷层是一种既
5、有一定支承抗力， 又能适应围岩变 形的柔性支护结构。 它能及时地与围岩粘结， 迅速给围岩表 面提供抗力， 阻止围岩松动开裂。由于混凝土喷层较薄， 能 给围 岩起到卸载作用， 有效地避免和缓解围岩的 应力集中。 假定让混凝土喷层充分发挥作用， 根据喷层提供的外部 抗力与剪切面上剪切强度相等的条件， 可得出混凝土喷层提 供的 单位抗力为t t l P , 二2 S r , l b s i n a ( 1 ) 式中: S 为混凝土喷层的厚度; b 为剪切区高度( 地下洞室边 墙取边墙高 洞室顶拱取跨度宽) ; r 、 为混凝土抗剪强度. 可 取r 二 。2 a , ( a 。 为混凝土单轴抗压强度)
6、 ; a 为岩体剪切角， 。 二 4 5一 . 0 l 2 , P 为 岩 体 内 康 稼 角 。 对于附有钢筋网的混凝土喷层， 钢筋网提供的最大支护 抗力为: P 。 二2 F , fI S t b s i n a ( 2 ) 式 中: F , 为 表 示 一 根 环 向 钢 筋 的 截 面 积; 几为 钢 筋 的 抗 剪 强度; S为钢筋网的环向 姐筋间距。 当馄凝土喷层内布置有钢拱架时， 钢拱架提供的 单位支护抗 力为 P r = 2 F 口I S , b s i n a ( 3 ) 式中: F , 为 表 示一 架钢 拱 架 截面 积痴为 钢 拱架 材料 的 抗 剪 + 1 iK 椒
7、者 $ A fi (S p K l0 o6 ) ,业 于 武 。利 电 力 大 学 水 力 发 电 专 业 ， 从 事 水 力 。和 。工 。， 。 中 3 7 一一一一尸一一一甲气n丁一一一一- 强度; S 2 为钢拱架间 距。 为了充分反映施工开挖过程棍凝土喷层的作用。 在混凝 土喷层结构处于弹性阶段时. 可以分别用混凝土喷层应力 a d , 钢筋应力。 . 和 俐拱 架应力a . 代 替公 式( 1 ) 一( 3 ) 式中 的 。 。 假定 钥筋网、 钥拱架与混凝土喷 层结合完好， 其变 形一致. 由 混凝土喷层提供的练合单元抗力为 P二P , +P , +P 。 二 F E丽 b “
8、m n a l“ 二 + L F . S , E + Sz E r ( 4 ) 式中: J - 1 ; 为 第i 次的 盈 加位 移， J A R , 匕 为 翔级开 挖释 放的 塑 性 荷载o C x P 为 进 人 塑 性状 态 的 岩体 的 塑 性刚度 矩阵， 具 体的迭代方法参见文献 2 0 在迭代计算过程中， 每迭代一次. 可根据混凝土喷网单 元产生的径向变位 ， 按( 5 ) 计算混凝土喷网产生的支护抗 力， 并反向 施加于围岩上， 再进行下一次迭代计算。当混凝 土喷网 本身的 应力。)R , ( R ， 为喷网 的 允许拉应力) ， 则认 为混凝土喷网不再提供支护抗力， 可令进人
9、塑性状态的棍凝 土喷网 单元刚度 K . 二0，再进行下一步迭代。 式中 : 。 、 二 E E 凡分 别 代 表 混凝土、 钢筋网和钢拱架的弹模， 表示混凝土喷层径向应 4 工程实例分析 变， 。 二u l o , “ 为棍凝土喷层的径向变位, s 为混凝土喷层厚 度。 因此混凝土喷层单元提供给围岩总的单位抗力为 2 ( 0 .2 二 皿 甲， d v 二 二 引 “ ( 6 ) 式中: K . 为混凝土喷网 单元的变形用度 用公式表示为 ( 7 ) 式中: K , = 皿 赢 k d V “ = 0 .2 6E , 会 E , + _ ES z 3 混凝土喷网的弹塑性迭代方法 混凝土叹网虽
10、然是在地下洞室开挖后就及时施加上去 的， 但地下洞室开挖后的弹性变形是瞬间完成的， 为了充分 反应混凝土喷网的支护效果. 应将地下洞室的开挖荷载: 本文以 澳洛波地下厂房为例， 采用三维有限元分别对有 喷网和无喷网的洞室开挖情况进行了计算。澳洛波地下厂 房分左、 右岸地下厂房， 分别装机9 x 7 5 0 二 ， 主机桐最大润跨 3 2 . 0 . ， 高7 5 . ， 长4 0 3 . 0 . 。厂房润室群位于新鲜玄武岩岩 休中， 岩体为水平层状岩体. 具有一定的各向异性性质， 岩体 的 物理力学参数见表1 。 地下厂房洞室群纵横交错， 根据地 下厂房布s情况， 取出了2 6 “ 机组段作为
11、计算段， 包括主厂 房洞室、 主变洞、 尾水调压井、 引水洞、 母线洞、 尾水洞、 出线 润在内一 共划分了5 8 0 2 个空间等参单元， 其中地下洞室群 开挖单元的网格图见图1 。根据地下润室群施工条件， 分七 期对地下洞室群分别进行了采用混凝土喷网锚固支护开挖 和无支护毛洞开挖计算。混凝土喷网的厚度8二 1 5 c m . 三 大洞室采用系统锚杆支护， 支护参数为“ 2 8 1 . 5 x 1 . 5 . , 长度 L = 6 . 5 。和8 二 相间布I， 在主厂房和尾水调压井边 绮 局部加有锚索支护， 支护 参数T二 1 7 5 t ， 间距为4 x 4 . 布 X( 锚杆和锚索的分
12、析计算方法见文献 3 和【 4 ) 。通过分 期开挖和分期支护计算， 从下列几个方面可以 看出 混凝土喷 网 锚固支护对地下洞室的影响。 IR ， 二 仃 ， B l Ia . Id V ( 8 ) 分 解 成 弹 性 荷 载I R , 和 塑 性 荷 载I R a 两 部 分， 即 I R . I =s I R I , I R , I 二( 1 一 : ) I R I ( 9 ) 式中: B 为弹性系数， 可根据最先进入塑性的单元应力状态 按下式计算: F ( I a o l +. 1 6 a 1 ) 二0 ( 1 0 ) 式中: F 为 选 定的岩体屈服函数， 。 。 为单元的 初始应力
13、值， I a 为洞室开挖后的 应力增$a 在弹塑性迭代计算时. 应分两步进行。 第一步在馄凝土 喷网未施加以 前. 先将开挖释放的弹性荷载I R . I 施加于结 构上。 可按下式计算: K Jl u l 二I R . i _( 1 1 ) 图. 地下洞室开 挖部分的 有限元网 格图 式中: 矩阵。 、 : 二 皿 ， B lv n . l B d V ，为 岩 体 结 构 的 弹 性 刚 度 表1 岩体物理力学移橄 容宜伯松比 枯结力 .攘角 抗拉 抗压 封撼仍 肺蝶撒 第二步再将混般土喷网的刚度 K 益加到岩体的总刚 岩性 r 州 田 e 1， 1 . 7 0. 3 r ( 0 1 r 1
14、 1. i 阅、 1 . 5 印; 1 . 2钓1 勺匆 2 9 0. 8卫 此侧03 眨97 加14， T I d z 名 2 . 8 2. 6 孩耽毓 级2) (1 中去， 并将塑性荷载很据计算精度要求分为 n 级， 对第 塑性荷载按下式进行分级加载迭代计算: ( + x , 7 1 u l 一 。 3 3 吕 飞 ” 甲 哗了可一一” 旧 4 . 1 混扭土喷网锚固支护对围岩破坏的影响 在无支护的情况下， 从第一期到第四期开挖， 润周的塑 性区和开裂区荃本上限制在洞周2 一 8 m范围内， 从第五期 开挖开始润周的塑性开裂区向 边墒深部扩张， 开挖到第七期 主厂房上游边幼匆性区深达加多米
15、， 下游边墙的塑性开裂 破坏区几乎与主变桐贯通( 见图2 ) ,最终的岩休破坏体积 为%8 x 1 0 亩， 塑性耗徽能为3 4 x 1 0 T “ m 。 采用混凝土喷 网锚固支护后， 从第一期到第五期开挖， 洞周的塑性开裂区 基本上限制在2 一 4。范围内。开挖到第七期， 主厂房上游 边墙只是在底部局部范围内出现了塑性开裂区， 开裂区达5 一 6 m左右， 下游边墙受母线洞和尾水洞开挖影响， 局部范 围内塑性开裂区 达2 0 二深 见图3 ) 。最终的岩休破坏体积 为6 2 . 9 x 好 时， 塑性耗徽能为1 3 . 7 8 x 1 0 T “ m ， 比 无混凝土 喷网锚固支护分别减小
16、5 4 %和 1 4 6 . 7 %。说明棍凝土喷网 锚固支护有效地限制了洞周塑性区的发展。 变形， 混凝土喷网 本身产生的应力均不大。 从图4 混凝土喷 网的第三主应力( 拉应力) 值的大小分布可以 着出. 除了在尾 水祠压井上游边墉中 部有几个混凝土喷网单元的应力超过 允许拉应力外， 其它处的 应力均在弹性范围内。从图t 和图 6 混报土喷网的全应力矢量分布规律可以看出， 第三主应力 基本上是沿喷层的径向， 第一主应力基本上是沿喷层的切 向， 在洞周交叉口 处和洞室顶供拐角处主应力矢t较大， 说 明 这些部位喷层受力较大， 这与洞室开挖围岩受力的基本规 律是一致的。 单位 M Pa 图4 第七期开挖喷锚支护后塑性开裂区分布 0593犯
