UDEC在发育节理条件下调压井穹顶开挖稳定性分析中的应用

蒋 兵

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

1 概 述

当岩体中包含大量裂隙、节理、破碎带甚至断层等不连续结构，使岩体既不完全连续，也不完全离散，如何合理描述这种非连续岩体的力学行为已成为国际岩石力学界公认的理论难题[1]。离散单元法是专门用来解决不连续介质问题的数值模拟方法，该法把节理岩体看成是由离散的岩块和岩块间的节理面所组成。岩块能移动、转动和变形，而节理面可被压缩、分离或滑动[2-3]。调压井穹顶位于岩体条件复杂的地质环境中，节理裂隙发育，在穹顶开挖过程中极易与节理互相切割形成不稳定块体[4]，同时，节理裂隙的存在一定程度上降低了穹顶成拱效应，使穹顶竖向位移增大，具有一定的安全隐患[5-7]。因此，为分析其稳定性，借助二维UDEC离散元软件，对穹顶跨度最大且节理裂隙与开挖结构面最不利组合进行分析。

2 调压井穹顶模型建立

2.1 模型尺寸

调压井埋深约67 m，宽度23 m，穹顶圆心角102.95°，半径14.7 m，穹顶以下开挖高度约94 m。本计算主要研究穹顶变形，为节约计算时间，只考虑交通洞开挖范围，即开挖高度按7.5 m进行计算。为消除边界影响，左右及底部边界均取大约100 m。根据地质资料，具有三组节理裂隙：①组走向40°～50°倾向NW∠10°～20°，间距1～2 m，面缓波状，略粗糙，延伸长20～30 m；②组5°～15°NW∠40°～50°，间距20～40 cm，面略粗糙，延伸长3～5 m，密集发育；③组50°～60°SE∠40°～50°，断续延伸长20～30 m，间距1～2 m，面粗糙无充填。经过分析以及简化模型考虑，将走向接近的①和③组节理合并为一组节理，UDEC模型示意见图1。

图1 UDEC节理模型示意图

2.2 初始地应力

模型顶部取至覆盖层地表，为自由边界条件，左右和下部采用法向位移约束。底部施加沿着深度变化的地应力。左右边界约束X方向位移，底部施加约束X和Y向位移。

2.3 分析步设置

根据工程现场调压井穹顶施工进度，拟作以下分析步：

第一步：计算地应力平衡。计算初始应力场，包括一定埋深下的水平向、竖直向位移。

第二步：开挖穹顶和直墙范围内岩体。考虑穹顶开挖以后，荷载释放100%的工况，运行至最大不平衡力趋于较小定值(一般在104左右)。

第三步：施加锚杆，运行至最大不平衡力趋于较小的定值(一般在104左右)。

3 材料参数

根据地质资料，计算参数取值见表1。

根据UDEC软件对参数的要求，需要将弹性模量和泊松比转化为体积膨胀模量K和剪切模量G，见表1。锚杆及注浆体力学参数见表2。

表1 地质参数表

表2 锚杆及注浆体力学参数

4 计算结果分析

1) 未施做支护，穹顶稳定性分析。见图2-图7。

图2 最大不平衡力变化趋势(单位：N)

图3 开挖至平衡应力云图(单位：Pa)

图4 开挖至平衡位移矢量图(单位：m)

图5 开挖至平衡Y方向位移云图(单位：m)

图6 节理剪切滑移区示意图(红色)

图7 节理张开区示意图(红色)

根据图2可知，模型开挖后运行5 000步，已经达到平衡要求。此时调压井穹顶左侧和右侧出现应力变稀疏、变小的现象，且左侧的稀疏范围比右侧大，说明在这两个区域随着开挖并达到新的平衡过程中，出现了不同程度的比其他部位更大应力释放，见图3。这一现象通过图4-图6可以进一步看出，位移矢量图和Y向竖向位移图中穹顶左侧的位移较大，右侧的位移较小，穹顶最大位移约16 mm，小于在《锚杆喷射混凝土支护技术规范》表5.3.3中计算的允许最大竖向位移为23 mm。在图6节理剪切滑移区示意图中，也明显的表示出在穹顶左侧出现较大的剪切滑移，右侧出现较小的剪切滑移，最大剪切滑移范围约5 m。为了进一步验证穹顶是否会失稳，通过查看节理张开区进行说明。在图7中，节理张开区仅在底部出现，并未出现在穹顶，说明穹顶块体并未出现滑移至脱空现象，块体能够通过相互挤压形成较为稳定的拱。

上述分析并未考虑地质参数的随机性、不均质性以及施工等外部因素的扰动，在实际施工过程中，不可避免的会出现穹顶掉块现象，甚至出现由于关键块体失稳导致其他块体连环失稳的现象。因此，在穹顶开挖后要及时清扫穹顶表面不稳定块体，同时应在穹顶稳定一段时间后立即做喷锚支护措施。

2) 开挖稳定后进行锚杆支护。在开挖稳定后施做直径25 mm、间距2 m、长8 m的锚杆，计算结果见图8-图13。

图8 锚杆示意图(红色)

图9 位移矢量图(单位：m)

图10 施加锚杆至平衡Y方向位移云图(单位：m)

图11 节理剪切滑移区

图12 锚杆轴力图(单位：N)

图13 锚杆剪力图(单位：N)

分析可知，在穹顶开挖稳定后，为了防止穹顶二次应力释放、外部因素扰动以及岩体蠕变导致的不稳定，应及时施加支护。通过施加直径25 mm、间排距2 m、入岩深度8 m的锚杆，运行至平衡后，拱顶最大竖向位移限制在1 mm以内，且出现的部位仍是穹顶左侧，见图9、图10。在施加锚杆后，节理剪切滑动区域并未进一步扩展，说明锚杆限制了节理的开展，见图11。图12中，锚杆轴力最大值为4.3 t，出现在穹顶偏左侧，这也表明穹顶左侧处竖向位移较大，锚杆受到的竖向拉力较大，但整体小于锚杆设计轴力。图13中，锚杆的剪力主要集中在剪切滑移区，且峰值剪力主要出现在节理面，最大剪力为3.8 t。

5 结 论

运用UDEC离散元软件模拟复杂地质条件下调压井穹顶开挖支护过程，通过穹顶位移量、节理剪切滑移区和节理张开区云图等综合反映节理发育条件下调压井穹顶开挖稳定性，较单一利用位移量判定穹顶稳定性更加合理，进一步为工程技术人员提供理论依据。