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地下洞室支护结构安全性分析

文档作者：陈璞磊马仲涛文档来源： 1．河海大学力学与材料学院 2．上海同丰工程咨询有限公司，		点击数：	更新时间： 2021年06月16日
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陈璞磊等：地下洞室支护结构安全性分析 1l5
地下洞室支护结构安全性分析
陈璞磊 ， 马仲涛
(1．河海大学力学与材料学院． 南京210098； 2．上海同丰工程咨询有限公司， 上海200050)
【摘要】 运用现代支护结构原理，结合工程实例，通过ANSYS软件进行了开挖和支护的数值模拟，计算出
了支护结构的内力，由其内力结果，得出衬砌强度安全系数，研究不同厚度的衬砌对其安全系数及其稳定性的影
响，根据工程规范，确定衬砌的最小安全厚度。
【关键词】衬砌支护；可靠性；ANSYS；地下洞室
【中图分类号】TU942 【文献标识码】 A 【文章编号】 1001—6864(2014)01—0115—03
SECURITY ANALYSIS ON SUPPORTING STRUCTURE OF UNDERGROUND CAVERN
CHEN Pu—lei ， MA Zhong．tao
(1．College of Mechanics and Materials，Hohai University，Nanjing 210098，China；
2．Shanghai Tongfeng Engineering Consulting Co．，Ltd．，Shanghai 200050，China)
Abstract：Using morden supporting structure theory，this paper does numerical analysis of excava—
ting and supporting with the software ANSYS in an engineering project，and calculate the internal force
of supporting structure．Through the analysis results of internal force，the safety factor of the strength of
the lining can be obtained．According to the engineering specification，it can determine the minimum
safety thickness of lining by studying how thickness of lining affects the safety factor and stability．
Key words：supporting structure of lining；reliability；ANSYS；underground cavern
目前地下工程的设计，必须满足安全、适用、耐久
等可靠性方面的要求。因为在地下工程的设计、施
工，甚至投入使用以后，其可靠性都会受到各种因素
的影响，比如天然地应力、构造应力，以及在工程测量
产生的误差等等都是影响因素 。对于这些随机的
因素进行分析的过程称之为结构可靠性分析，这是结
构计算与设计的重要组成部分。但是，由于地下工程
的支护需要很大的投资，所以就会出现各种人为的和
客观的因素，所建成的支护结构与理想的相差较大，
尤其是在施工过程中造成的改变。支护衬砌结构在
地下工程中是主要的承载结构，其厚度的变化也就会
影响地下洞室的可靠性与寿命，但其厚度也直接关系
到工程成本，所以笔者通过工程实例对地下洞室的衬
砌结构厚度的变化来分析其对洞室可靠性的影响，并
对衬砌的安全性作出评价。
1 现代支护结构原理
现代支护结构原理是建立在围岩与支护共同作
用的基础上，即把围岩与支护看成是由两种材料组成
的复合体。按一般结构观点，亦即把围岩通过岩石支
承环作用使之成为结构的一部分，充分发挥围岩的自
承能力。一方面不能让围岩进入松动状态，以保持围
岩的自承能力；另一方面允许围岩进入一定程度的塑
性，以使围岩自承力得以极大限度的发挥。当围岩洞
壁位移接近允许变形值Ur~nax时，围岩压力就达到最小
值。无论是岩石的应力一应变曲线还是岩体节理面
的摩擦力与位移的关系曲线都具有同样的规律，即起
初随着应变或位移的增大，岩石或岩体的强度逐渐获
得发挥，而进入塑性后，又随着应变或位移的增大，强
度逐渐丧失，可见，围岩刚进入塑性时，发挥的自承力
最大。
支护结构体系与围岩共同作用的计算模式，主要
用于由于围岩变形而引起的压力，压力值必须通过支
护结构与围岩共同作用而求得，该解法把围岩视作弹
塑性体或粘弹塑性体，并与支护一起采用有限元或边
界元数值法求解，可以直接算出围岩与支护的应力和
变形状态，以判断围岩是否失稳和支护是否破坏，并
且可以考虑岩体中的节理裂隙、层面、地下水渗流及
岩体膨胀性等影响，是目前理论计算法中的主要方法。
2 工程实例 J
2．1 工程概况
某大型水电站位于四川省凉山彝族自治州，采用
左岸首部开发方式进行布置，地下厂区洞室群规模巨
l16 低温建筑技术 2014年第1期(总第187期)
大。地下厂房部位的地面高程2275～2480m，上覆岩
体厚度245～450m，岩性为花岗闪长岩，主厂房开挖跨
度27m，开挖高度58m，主变室开挖跨度为18m，开挖
高度为27m，尾水调压室的开挖跨度为24m，高度
63m。主副厂房洞、主变洞以及尾水调压室三大洞室
从上游往下游依次平行布置，主副厂房与主变洞的净
间距为45m，主变洞与尾水调压室的净间距为42m；引
水隧洞高压管道轴线与厂房纵轴线垂直布置；地面开
关站布置在进水口上游侧约100m处。
2．2 计算模型
采用二维计算模型，将问题视为平面应变问题，
模拟主厂房、主变室、调压井三大洞室开挖与支护的
过程。采用大型通用计算分析软件ANSYS进行数值
模拟分析。选用平面4节点单元PLANE42。而支护
的模拟中，分别用杆单元和梁单元来模拟锚杆与衬
砌，并施加相应预应力。在模型两侧约束其水平方向
位移，竖直方向自由；底部约束其竖直方向位移，水平
方向自由；而上部完全自由，如图I所示。
图1 厂房地质条件模拟图
2．3 初始地应力
根据实测地应力资料回归反演分析可知，厂房洞
室围岩以自重应力为主，因此，计算中初始地应力场
采用自重应力场。
2．4 模拟开挖支护的步骤与方案
根据设计方案，该水电站地下厂房主要分为11层
开挖支护，如图2所示。开挖支护过程通过软件对衬
砌单元、锚杆单元与开挖部分单元的“激活”、“杀死”
操作来实现。
图2 地下厂房分步开挖示意图
2．5 计算结果
计算结果表明，主厂房、主变室、尾水调压室在开
挖完成后，因围岩卸荷松弛而产生向临空面的位移，
在边墙、顶拱和拱肩部位较大深度范围内产生拉应
力；在顶拱、底板部位因围岩回弹变形而形成承载拱
形结构，产生了较大的压应力；在角点部位存在应力
集中现象。总体上，应力、位移计算结果符合一般
规律。
3 支护衬砌结构安全性分析
通过模型计算得到衬砌厚度变化时衬砌的轴力、
剪力及弯矩，图3～图5为衬砌结构厚度为41em时的
轴力、剪力和弯矩云图。
为分析衬砌厚度变化对其安全性的影响，借由
《公路隧道设计规范》规定，整体式衬砌的混凝土偏心
受压构件，其轴向力的偏心距不宜大于截面厚度的
0．45倍，混凝土和砌体矩形截面轴心及偏心受压构件
的抗压强度按式(1)计算：
≤ 。bh (1)
式中， 。为为混凝土或砌体的抗压极限强度，按
表1选用；K为为安全系数；Ⅳ为为轴向力；b为为截面
宽度；h为为截面厚度； 为为纵向弯曲系数，应根据
其长细比取用，这里可取 =l； 为轴向力的偏心影
响系数，由式
Ot=1+0．648(e／h)一12．569(e／h) +15．444(e／
h) 可确定；
按抗拉裂要求，混凝土矩形截面偏心受压构件的
陈璞磊等：地下洞室支护结构安全性分析 1l7
抗拉强度按式2计算。
图3 地下厂房衬砌剪力图
图4 地下厂房衬砌轴力图
图5 地F J房村砌弯矩图
≤
1．7
．
≤ 5R~bh (2)
— 一 O (2)
e ． ‘
式中，R。为混凝土的抗拉极限强度；其它符号与
意义同前。
根据材料的极限强度，计算出偏心受压构件的极
限承载力Ⅳ。，代入上式可得实际安全系数K ，并与
相比较，可确定其是否满足规范要求。
表1 混凝土极限强度 MPa
使用上述公式，对洞室顶拱单元进行了计算，并
列表统计了变厚度衬砌在顶拱单元的安全系数。
通过表2可以看出，对于拱顶处不同厚度的衬砌
最小安全系数为1．94，而该处的衬砌厚度为27cm，说
明此处的初期支护受力是不利的。由规范可知，该处
地质条件下的最小安全系数取值为2．0，所以由安全
系数统计表可知满足衬砌安全的最小厚度为30cm
左右。
表2 安全系数统计
衬砌厚度／em 27 28 30 32 40 42 46 67 72 91
安全系数1．941．98 2．21 2．37 2．95 3．11 3．49 5．19 5．78 7．29
4 结语
由衬砌内力图可以看出，对于同一条件下的地下
洞室结构其边墙的弯矩和轴力都较顶拱处大，且在二
者连接处更为明显，有应力集中的现象。在改变衬砌
厚度的情况下，衬砌的内力随厚度的增加有明显的提
升，可见衬砌厚度是影响安全系数的一个重要因素。
对于地下洞室其拱脚和边墙的支护，在考虑其经济效
益和安全性的情况下，可以选取30cm为最小的施工
衬砌厚度作为参考。
参考文献
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— 2l67．
[收稿日期】2013一lO—l7
【作者简介] 陈璞磊(1987一)，男，河南信阳人，硕士研究生，
研究方向：地下结构稳定性。
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