深埋地下厂房分层开挖中地应力瞬态卸载的扰动效应.pdf

第37卷第3期 2020年9月 Vol. 37 No. 3 Sep. 2020 bMg do i 10. 3963/j. issn . 1001 -487X. 2020.03.002 深埋地下厂房分层开挖中地应力 瞬态卸载的扰动效应* 吴封2,施明1向履2,陈洋2,梅松舉 1 ■水能资源利用关键技术湖南省重点实验室,长沙410014; 2.武汉科技大学理学院湖北省智能爆破技术研究中心，武汉430065； ； 3.云南省滇中引水工程建设管理局，昆明650021 摘要针对深埋地下厂房分层开挖工程中地应力场动态卸载诱发的安全问题，采用动力有限元软件，结 合隐式-显式顺序求解方法研究了厂房分层开挖中围岩质点响应规律。结果表明地应力卸载诱发的应力波 在墙脚处发生绕射并在其上方围岩中产生应力波叠加，致使竖直向质点峰值振速沿边墙向上呈现先增大后 减小的衰减规律;随着开挖深度增加，开挖区岩体应力水平也随之增加，卸载应力波在边脚处绕射后叠加效 应更为显著；开挖区岩体地应力卸载诱发的拱圈质点振动规律受其结构形状影响，垂直于临空面方向的振速 较大;拱顶振速峰值受初始地应力水平与距离影响，其值随开挖层数的增加呈现先增大后减小的规律;地应 力瞬态卸载导致保护层岩体内产生动拉应力，其形成主要是边墙约束保护层引起卸载应力波反射所致，该拉 应力与初始应力大小成正比。 关键词地下厂房；地应力；瞬态却载；数值模拟 中图分类号TD235.3 文献标识码A 文章编号1001 -487X202003 - 0008 - 07 Dynamic Disturbance Effect in Layered Excavation of Deep Underg round Powerhouse under I n-situ Stress Transient Unloading WU L iang12 ,SHI Ming3, XIANG Xiao-rui2, CHEN Yang2 ,MEI Song-hua1 1. Hu n a n Key La bo r a t o r y o f Key Tech n o l o gy o n Hy dr o po wer Devel o pmen t,Ch a n gsh a 410014,Ch in a； 2. Wu h a n Un iver sit y o f Scien ce a n d Tech n o l o gy, Co l l ege o f Scien ce, Hu bei Pr o vin cia l In t el l igen t Bl a st in g Tech n o l o gy Resea r ch Cen t er ,Wu h a n 430065,Ch in a; 3. Yu n n a n Wa t er Co n ser va n cy a n d Hy dr o el ect r ic Su r vey,Design a n d Resea r ch In st it u t e, Ku n min g 650021,Ch in a Abstract I n order to solve the safety problem caused by dynamic unloading of in-situ stress field in the layered excavation of deep underg round powerhouse, the response law of surrounding rock in the layered excavation of power house is studied by using implicit-explicit sequential solution of dynamic finite element software. The results show that the stress wave induced by in-situ stress unloading diffracts at the foot of the wall, and superposes in the surrounding rock, causing the peak velocity of particle in the vertical direction increase first but then drop along the edg e wall upward. With the increase of excavation depth, the stress level of rock mass in the excavation area increa ses ,and the superposition effect of unloading stress wave is more obvious. The vibration law of particle at arch ring rock mass induced by in-situ stress unloading is affected by its structural shape, and the vibration velocity perpendic ular to free surface is larg er than that of others. The peak vibration velocity of arch top is affected by the initial in-situ stress level and distance, and its value increases first but then falls with the increase of excavation layers. The reverse of in-situ stress transient unloading at the side wall results in dynamic tension stress in the rock mass of protective 第37卷 第3期 吴 亮，施 明，向晓锐，等 深埋地下厂房分层开挖中地应力瞬态卸载的扰动效应9 layer,which is mainly caused by restraint protective layer,and the tensile stress is proportional to the initial stress. Key Words underg round hydropower station ； ； in-situ stress ； ； transient unloading ； ； numerical simulation 当前，钻爆法仍是深埋地下开挖工程的主要开 挖手段，开挖过程中爆破荷载会引起围岩振动并危 害工程安全。根据深埋工程实测和理论研究发现, 爆破开挖过程中围岩除了受爆炸荷载影响外,还将 受到地应力卸载影响,且开挖前原岩应力越高,开挖 时诱发岩体的振动越大IT ；在地应力较高的情况 下，地应力动态卸载激发的振动甚至可能超过爆破 振动而成为岩体振动的主要因素 W 因此,对深埋 岩体开挖中围岩的振动进行控制和评价时，开挖面 上的地应力卸荷所激发的扰动是不容忽视的因素 之一0 早在上世纪70年代，国外学者就对地应力卸荷 诱发岩体振动进行了系统研究，如N G W Co o k研 究了岩体开挖卸荷引起的岩体微震和变形机理，提 出了微震大小和地应力能量的释放速率有关⑷;J P Ca r t er和J R Bo o ker通过理论推算证明了长隧道快 速开挖会诱发围岩振动⑺，且卸荷速率越快诱发的 振动幅值越大;近年来，国内学者在地应力卸荷问题 中进行了深入研究,并取得了丰硕的成果,如卢文波 等研究发现在开挖面相同的情况下,地应力水平的 高低对动态卸荷激发的振动大小具有决定性影 响囲；张志呈等通过试验发现岩体开挖扰动将导致 应力重新分布，形成新的应力场,且主应力方向上的 爆破振动值要远大于理论预测值⑼；严鹏等对瀑布 沟引水隧洞爆破开挖振动测试数据进行了分析3〕， 发现中、高地应力条件下，地应力瞬间释放诱发振动 是爆破开挖诱发振动的重要组成部分,并在数值模 拟中进行了验证;范勇等研究发现深埋隧洞爆破开 挖会产生高、低双频带振动⑴］，在振动评估过程中 地应力瞬态卸荷产生的低频振动是不容忽视的;杨 建华等通过调整钻爆参数从而控制了地应力瞬态卸 荷诱发围岩振动问。鉴于地下工程开挖过程中地 应力卸荷诱发质点振动效应显著，施工前有必要进 行相关研究。 以瀑布沟地下厂房岩体开挖为研究背景，采用 有限元软件中隐式求解器对原岩应力场进行应力初 始化，随后按照隐-显式序列求解方法，对地下厂房 收稿日 112020-06-02 作者简介吴 亮 1980 -，男，博士、副教授,主要从事工程爆破与 岩石动力学研究,E-mail wuliang wust sina. como 基金项目水能资源利用关键技术湖南省重点实验室开放研究基金 项目 PKLHD201801 ;国家自然科学基金项目 51779193.51979205 分层开挖过程中岩体应力动态卸荷所诱发的质点振 动规律进行研究,以期为优化深埋岩体工程爆破设 计和保障施工安全提供参考依据。 1工程背景 瀑布沟水电站是大渡河流域水电梯级开发的下 游控制性水库工程，是大渡河流域梯级水电站开发 的关键项目之一。水电站地下厂房开挖规模巨 大问，埋深达220 -360叫开挖尺寸为294. 1 m x 30.7 mx70.2 m长x宽x高；开挖基岩为中粗粒 花岗岩，围岩以n、皿类岩体为主，地下厂房开挖区 域地应力场是一个以构造应力为主的中等偏高的地 应力场，如图1所示，地下厂房区域第一、第三主应 力方向基本接近水平，第一主应力与主厂房纵轴线 有20-30的夹角，第一、第三主应力大小分别为 21.1 -27.3 MPa 和 10.2-12.3 MPa；第二主应力方 向接近垂直，其大小为15.5-23.3 MPa ,该地下厂 房属于中高地应力条件［⑷。 2计算模型的建立 2.1计算模型计算模型 目前，国内大型水电站地下厂房的开挖方式往 往采用自上向下分层分区钻爆开挖，分层分区开挖 程序示意图见图1a 。除第I层顶拱采用中洞扩 挖方式开挖外,其余各层均采用中深孔台阶爆破开 挖。其中，第HI VI［层开挖深度分别为6. 4 m、 7. 8 m、6.8 m、6. 8 m、6. 8 m；层中开挖都采用中部 拉槽方式开挖，拉槽宽度1随着开挖 深度的增加，开挖断面不断扩大，边墙高度增加，围 岩变形加大;另外，由于水平方向受力面减少，开挖 区水平应力随之增加，因此，随着开挖深度的增加, 开挖区岩体所受水平应力越来越大。根据静力计算 结果，ID W层开挖前开挖面x方向上的最大应力 分别为9. 763 MPa , 14. 349 MPa , 15. 706 MPa、 17.667 MPa、19.446 MPa。 3.1卸载诱发的拱圈振动衰减规律卸载诱发的拱圈振动衰减规律 为揭示厂房开挖中地应力卸载诱发的振动规 律，本文选取了第皿层中部拉槽时MS1段岩体挖出 后拱圈各质点的振速峰值,从拱脚向拱顶依次选取 7个振速监测点，见图5所示。开挖卸荷诱发的顶 拱各监测点的质点峰值振速见图6。结果表明水 平向和竖直向质点峰值振速在临近开挖区的1测 点最大，由拱脚向拱顶峰值振速迅速衰减，且拱脚处 以水平振速较大，而拱顶以竖直振速较大。 图5拱圈及边墙监测点 Fig . 5 Arch ring and side wall monitoring points S 、 曇径 测点编号 图6第DI层开挖时厂房顶拱各测点峰值振速 Fig . 6 Peak vibration velocity of side wall during excavation of Layer HI 由静力分析可知,开挖区岩体主要以水平向地 应力为主，因此开挖瞬态卸荷后岩体内激发的水平 12爆破2020年9月 向应力波要比竖直向强，水平向应力激发的应力波 沿兀方向迅速衰减,在开挖近区边脚处质点振速水 平振速大于竖直向;随后应力波在边脚处发生绕射, 形成面波沿着边墙向上传播,随着距离的增加,质点 振动峰值迅速衰减。 根据拱顶处质点振动特点，将皿 VII层各层 MS1段开挖时的拱顶振速峰值进行汇总，如图7所 示。结果显示各层开挖中顶拱振速均表现出竖直 向振速大于水平向，随着开挖层数的增加，拱顶质点 峰值振速随着开挖层数的增加呈现出先增大后减小 的规律。开挖层数增加后开挖区地应力随之增加, 开挖卸荷后开挖近区岩体振动增大，但扰动源与拱 顶的距离也会随之增加，因此拱顶质点峰值振速会 随着开挖层数的增加先增大后减小。 s In。囁坚麗 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 m iv v m vn 开挖层 图7各层开挖时厂房拱顶7测点质点峰值振速 Fig . 7 Peak vibration velocity at the vault 7 measuring point of powerhouse during excavation of each layer 3.2卸载诱发的边墙振动衰减规律卸载诱发的边墙振动衰减规律 研究表明,地应力水平与边墙高度均与开挖深 度成正比，地应力动态卸载诱发的振动愈加强烈。 本节对第vn层中部拉槽开挖诱发的边墙各质点振速 进行了分析。计算中沿边墙向上依次选取8-16 九个振速监测点，见图5所示,各监测点的振速峰值 见图8。计算结果显示，水平向质点峰值振速在边 脚处8测点最大,随后向上迅速衰减;竖直向质 点峰值振速在开挖区边脚上方9测点处最大，质点 峰值振速由边脚向上先增大后减小。这是由于高应 力区岩体开挖后应力波在边脚处发生绕射，随后在 边脚上方附近产生应力波叠加，竖直向振速也将随 之放大。因此,竖直向质点峰值振速沿边墙向上呈 现先增大后减小的衰减规律，且该规律在第皿 VI 层开挖过程中都得到了验证;随着开挖深度增加，开 挖区岩体应力水平也随之增加,卸载应力波在边脚 处绕射后叠加效应更为显著。 s m M s m 肛磁 测点编号 图8第W层开挖时厂房边墙上各测点峰值振速 Fig . 8 Peak vibration velocity of side wall during excavation of layer VH 3.3卸载诱发的动应力卸载诱发的动应力 分层开挖过程中每层开挖后边脚处质点振速峰 值与动应力计算结果见表2。计算结果表明开挖 前岩体水平向应力大小与开挖深度成正比，开挖时 地应力瞬态卸载导致保护层岩体内动拉应力的产 生，该拉应力的形成主要是边墙约束保护层引起卸 载应力波反射所致;另外，拉应力大小主要受开挖区 岩体初始水平应力大小的影响，即初始应力与卸荷 产生的拉应力成正比。实际工程中，第VI开挖区水 平向地应力约为12. 3 MPa ,数值模拟结果为 14.3 MPa ,由于模拟中没考虑节理、裂隙等因素，以 及提取地应力时考虑的是岩体内最大应力，因此模 拟计算结果偏大⑷。在动力计算中由于地应力采 用瞬态卸载，因此,卸后围岩振速较实际偏大，但分 层开挖时地应力卸载信息基本保留。 表2开挖近区岩石动力响应计算结果 Table 2 Calculation results of rock dynamic response near excavation 开挖层号 边脚处质点峰值振速/ cm・ ・ s1 竖直向 开挖前保护层岩体内 最大压应力/MPa 开挖时保护层岩体内 最大拉应力/MPa 监测点水平向 m1611.2491.7059.7630.822 VI1421.3812.52614.3491.278 V1221.1202.16715.7061.422 VI1023.3592.39317.6671.739 vn825.8542.71119.4461.952 第37卷 第3期 吴 亮，施 明，向晓锐，等 深埋地下厂房分层开挖中地应力瞬态卸载的扰动效应13 3.4工程例证工程例证 以第W层中部拉槽开挖为例，如图5所示。为 对比开挖卸荷后开挖区两侧保护层振动响应情况, 在第W层开挖区两侧保护层取8和R8两个监测 点。开挖区两侧保护层处监测点的振速时程曲线见 图9。结果显示，靠近地应力先卸载一侧的保护层 振动速度要大于另一侧;开挖区岩体主要受水平横 向地应力作用，并储存大量弹性应变能，该应变能的 释放以应力波形式向外传播，由于每排炮孔均分两 段起爆，因此地应力都将发生两次卸载并激发围岩 两次振动。例如,MS1段激发应力波会向两侧保护 层传播，而MS3段激发应力波则只能向一侧传播, 图9结果显示,每排第一阶段卸载后两测点均有明 显振动信号，而在第二阶段卸载后只有近开挖区测 点有明显振动信号。 o o o O o o o O6 6 € E 、 星哑径 60 40 20 60 40 20 JMS11 /MS13 8测点 R8测点 MS15 300 400 500 600 700 800 900 1000 时间/ms 图9第W层开挖时开挖区两侧保护层测点振速曲线 Fig . 9 Vibration velocity curve of protective layer on both sides of excavation area during excavation of layer VH 根据文献［4］的现场某次振速测试，得到了第 IV层爆破开挖后某测点的振速曲线,该测点距爆区 41 m处［图1b所示］，位于第三主应力方向上，振 速曲线如图10所示。通过对振速曲线分析发现，开 挖后围岩的振动是由爆破冲击和地应力卸载两部分 组成。振速曲线表明第1排炮孔的MS1段起爆后 所激发的振动要大于MS3段，其原因一是由于MS1 段的药量大于MS3阶段,其二是MS1段起爆后该方 向上的地应力产生卸载;第2排MS5段起爆后所激 发的振动和MS7段相当，而在MS5段药量小于MS7 段的情况下,爆后振速相当，也证明每排先起爆时地 应力产生了卸载。应力卸载方向实测振速曲线和模 拟振速变化趋势基本相似，因此也例证数值模拟的 合理性。 S9S9 M M Z 5 5S S 3 3 M S SM / 3 2 1 0 3 2 1 0 600 700 800 900 1000 1100 时间/ms 00 00 5 5 00 00 4 4 00 00 3 3 00 00 2 2 L OO L OO 「 - 1 1 €€ 2 2 磐熠團 图10厂房第N层开挖实测围岩振动时程曲线 Fig . 10 Time-history curve of surrounding rock vibration measured during excavation in the I V floor of Powerhouse 3.5实施效果实施效果 根据数值模拟及工程实例可知,在深埋地下厂 房爆破开挖过程中，开挖后围岩除了爆破冲击荷载 带来的扰动外还将受到地应力瞬态卸载影响，并表 现出开挖区域所受地应力越大开挖后围岩受到扰动 作用越大。在地下厂房自上而下分层开挖过程中， 随着开挖层数的增加,开挖区受到地应力挤压作用 越明显，开挖后引起近区围岩振动明显。在拱顶、拱 脚部位，其峰值振速受离开挖区的距离和地应力制 约,随着开挖层数的增加，振速表现出先增大后减 小。因此,在实际工程中，通过改善装药结构和孔间 距等钻爆参数来增加卸荷时长，从而有效地控制地 应力动态卸荷所诱发的扰动效应。另外，针对拱顶、 拱脚等薄弱部位,进一步加强了监测及支护。工程 监测结果显示［⑹围岩裂缝见图11、形变等均在 正常范围内。主厂房及安装间室监测成果统计见文 献［17］,变形较大部位一般出现在侧墙的上部，例 如主厂房的岩锚梁部位附近。 14爆破2020年9月 图11裂缝现场资料[回 Fig . 11 Field data of crack 口勺 4结论 采用动力有限元软件，结合隐式■显式顺序求解 方法研究了深埋地下厂房分层开挖中地应力场动态 卸载诱发的围岩响应规律,得到以下结论 1 地应力卸载诱发的拱圈质点振动规律受其 结构形状影响,垂直于临空面方向的振速较大；随开 挖层数的增加，拱顶振速峰值受初始地应力水平与 距离影响,质点振速峰值呈现先增大后减小的规律。 2 地应力卸载诱发的应力波在边脚处发生绕 射，随后在边脚上方附近产生应力波叠加致使竖直 向振速峰值放大。因此，竖直向质点峰值振速沿边 墙向上呈现先增大后减小的衰减规律;随着开挖深 度增加，开挖区岩体应力水平也随之增加，卸载应力 波在边脚处绕射后叠加效应更为显著。 3 地应力瞬态卸载导致保护层岩体内动拉应 力的产生，该拉应力的形成主要是边墙约束保护层 引起卸载应力波反射所致;卸荷产生的拉应力与初 始应力大小成正比。 需要说明的是本文开挖区岩体采用单元定时失 效方法进行挖除,其开挖后地应力瞬间完成卸载，因 此计算结果有较高的安全裕度。另外，尚未考虑爆 破荷载以及爆破荷载与地应力耦合作用的情况,该 问题还亟待进一步讨论。 参考文献参考文献References [1] CAO Wen, LI Xi-bing , MI NG Tao, et al. 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