地下洞室开挖应力释放对岩锚梁力学性能影响的探析

刘娟，杨海霞

（1.江苏建筑职业技术学院，江苏徐州221116；2.河海大学，江苏南京210098）

地下洞室开挖应力释放对岩锚梁力学性能影响的探析

刘娟1，杨海霞2

（1.江苏建筑职业技术学院，江苏徐州221116；2.河海大学，江苏南京210098）

基于有限元软件midas/GTS对某水电站地下厂房岩锚梁的施工过程进行三维非线性有限元数值模拟，总结出岩锚梁在轮压荷载和开挖荷载下的变形情况，并对开挖过程中岩锚梁的应力、位移及锚杆应力进行分析，得出对岩锚梁进行力学分析时应充分考虑地下洞室开挖应力释放的影响的结论。

岩锚梁；有限元；midas/GTS；MARC；应力；位移；锚杆应力

某水电站地下厂房吊车梁采用岩锚梁，通常用于岩锚梁设计分析和研究其稳定的方法主要有刚体极限平衡法、有限元法和模型试验法。而刚体极限平衡法，一般仅考虑吊车荷载作用，锚杆长度通过经验公式来确定，未考虑洞室的施工开挖效应以及梁体混凝土、围岩和锚杆的协同变形，使计算结果欠合理。有限元法不仅能比较精确预测分析岩锚梁岩体结构的变形和受力情况，而且能较准确地模拟梁与岩基接触面之间的力学性质以及模拟施工过程，以全面评价地下厂房岩锚梁的工作性态和稳定性。笔者采用有限元软件midas/GTS对某水电站地下厂房岩锚梁的施工过程进行数值模拟，总结岩锚梁在轮压荷载和开挖荷载下的变形情况，并对开挖过程中岩锚梁的应力、位移及锚杆应力进行分析。

1 工程概况

某水电站地下厂房开挖尺寸为204.70 m×26.70 m×68.50 m。选取2号机组段的岩锚梁建立三维非线性有限元模型并计算，岩锚梁混凝土取C25，最大轮压720 kN，横向水平刹车力120 kN，轨道为QU120型重120 kg/m。

2 岩锚梁三维有限元数值仿真分析

笔者根据实际施工情况，模拟在洞室开挖过程中进行的岩锚梁吊装运行过程，对施工期梁的稳定性进行分析研究。其中，岩锚梁的吊装是在主厂房洞室开挖2完成后、开挖3进行之前。模型考虑的作用因素有围岩的初始地应力、吊车轮压、岩锚梁自重、轨道自重以及开挖荷载等。

2.1 岩层初始应力计算

岩层中通常存在初始地应力，它主要是岩、土的自重和地质构造作用的结果。岩层的初始应力一般应通过现场测试方法确定，本工程的岩层初始应力用计算区回归地应力作为初始应力场。

2.2 开挖过程实现

实际工程中岩锚梁的吊装程序为：先将岩锚梁位置对应的原始岩体挖掉，再吊装混凝土梁。应用midas/GTS模拟这一复杂的施工过程时出现了异常，导致模拟结果不合理。笔者在对该软件进行深入研究后，将开挖1、2重新分布后的应力场信息导入MARC里换算为等效节点集中力，再以节点集中力的形式施加于岩锚梁吊装前的模型结点上，并以此作为初始条件，在GTS里模拟随后的施工开挖过程。这就回避了“先开挖（岩体）后施加（混凝土梁）”这一复杂的施工过程，从而使结果合理化。

2.3 计算模型建立

根据对称性，取单机组段的一半来计算，模型采用四节点四面体单元形式，数值模型的单元数为180 942、结点数为40 131。计算网格，如图1所示。

图1 岩锚梁计算网格

2.4 计算结果分析

分析机组中心处典型剖面的结果，各施工阶段岩锚梁产生的变形、岩锚梁特征点应力、锚杆应力如图2-5所示。

（1）位移。由图2可见，在轨道自重作用下，岩锚梁的位移很小，最大仅有0.005 cm，发生在梁顶部外边缘处；开挖3对岩锚梁位移的影响较大，合位移最大值由梁顶部转移到梁底部与岩壁交接处。随着后继开挖的进行，梁底部的位移最大值不断增大。对比开挖8和加轮压后机组中心面岩锚梁的合位移图，可看出位移值变化幅度并不大，即轮压荷载对岩锚梁位移的影响力度远小于开挖荷载对它的影响。

（2）围岩应力。岩锚梁只考虑自重荷载时，梁绝大区域受压，在梁壁接触处以及梁下开挖分界线处形成压应力集中区。开挖完成加轮压荷载后，岩锚梁上主拉应力最大的区域发生在梁顶部与岩壁接触处，且在梁壁接触处形成明显的拉应力集中区。岩锚梁上混凝土主压应力最大的区域发生在梁顶部轨道处，最大值为2.72 MPa，远小于混凝土C25的抗压强度。围岩压应力最大的区域为原岩锚岩台转折处。

图2 部分施工阶段岩锚梁合位移（cm）

根据图3-4，得出结论：紧邻后继开挖荷载引起的岩锚梁应力变化幅度最大，随着洞室开挖加深，其对岩锚梁应力重分布的影响力度逐渐减小。

图3 岩锚梁特征点第一主应力

图4 岩锚梁特征点第三主应力

（3）锚杆应力。由图5可看出，岩锚梁在轨道荷载作用下，机组中心剖面处岩锚梁锚杆应力很小，最上面两排锚杆受拉，最下面一排锚杆受压，中间一排辅助锚杆受力很小。随着后继开挖的进行，锚杆应力逐渐增大，至开挖完成最上面一排锚杆拉应力最大值达39.92 MP，下面一排受压锚杆最大压应力达14.53 MP。加轮压后，锚杆应力继续增大，但增大幅度很小。由此得出结论：随厂房洞室开挖深度增加，岩锚梁锚杆逐步起作用，锚杆应力逐渐增大，梁上轮压荷载施加前后锚杆应力变化幅度并不大。即锚杆应力主要是由洞室后继开挖产生的，约占到锚杆总应力的75%以上，梁上轮压等载荷所引起的锚杆应力只占一小部分。

图5 各施工阶段岩锚梁锚杆应力

3 结语

（1）由岩锚梁的有限元数值分析结果表明，轮压作用下，岩锚梁在整体上产生上部外倾下沉、下部内倾下沉的变形趋势；开挖荷载作用下，中下部边墙回弹引起梁附近围岩内倾，导致梁底鼻坎处呈现拉应力增大趋势。

（2）岩锚梁位移、应力及锚杆应力由后继开挖荷载和梁上荷载共同作用引起，且后继开挖荷载引起的占主要部分，梁上荷载引起的只占一小部分。因此，用有限元法研究岩锚梁的稳定计算时应充分考虑洞室开挖应力释放的影响。

（3）模型开挖过程相对理想，没有考虑围岩应力与位移的时间效应以及岩锚梁在吊车荷载作用下的疲劳等；有限元软件midas/GTS模拟岩锚梁吊装前后这一复杂过程时遇到了困难，笔者针对该软件的这一功能进行了初步探索，这些问题都是以后研究的主要方向。

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1004-7328（2014）04-0044-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2014.04.016

2014-05-27

刘娟（1987-），女，硕士，助理讲师，主要从事结构的数值计算与优化设计工作。