高地应力地区围岩劈裂破坏现场监测和能量耗散模型及应用

摘要

在进行埋深较大的地下洞室施工时，由于岩体的脆性特征，在高地应力作用下洞室围岩容易出现劈裂破坏。因此，在深部岩体开挖过程中，对围岩劈裂破坏区域的预测格外重要。本文从能量耗散原理出发，结合横观各向同性模型，采用劈裂破坏准则对模型单元应力状态进行判断，得到新的自定义横观各向同性计算模型，在此基础上对大岗山水电站大型地下洞室群开挖过程中的稳定性进行计算。在大岗山水电站大型地下洞室群开挖工程现场开展洞周围岩劈裂破坏区的监测，测得主厂房在进行各个开挖步开挖时主厂房与主变室之间岩桥中围岩的位移及劈裂破坏的情况。将现场监测结果与不同本构模型的稳定性分析计算结果进行对比，结果表明：大岗山水电站地下洞室群在进行开挖时，考虑能量耗散的横观各向同性模型计算所得的主厂房下游边墙劈裂区平均深度与现场监测结果最为接近。考虑能量耗散的横观各向同性模型可较好地反映主厂房与主变室之间岩桥内部围岩位移变化趋势，与现场监测情况吻合度较高；使用摩尔库伦模型及横观各向同性模型计算得到的曲线与监测值有较大区别。根据稳定性分析结果，主厂房下游边墙吊车梁位置关键点和主厂房洞中关键点开挖后洞壁出现的位移较大，其最大水平位移为29．46mm；主厂房拱顶在开挖初期位移较大，拱顶竖直位移最大值为10．58mm；主变室拱顶竖直位移为10．06mm。对比其他现有的有限差分模型，考虑能量耗散的横观各向同性模型计算结果与实际监测值最接近，可以反映不同开挖步时围岩内部关键点位移的变化趋势。因此，在高地应力地区地下洞室开挖时，可使用该模型对洞周围岩的劈裂区进行预测与分析，并参考计算结果对关键区域加强监测与管理，从而减小围岩劈裂破坏对洞室稳定性的影响。