深埋地下厂房爆破开挖边墙保护层厚度优选

作     者：陶郦雪 

作者单位：武汉大学 

学位级别：硕士

导师姓名：严鹏

授予年度：2019年

学科分类：081504[工学-水利水电工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：地下厂房 开挖程序 保护层厚度 地应力 损伤分析 围岩变形 

摘      要：大型深埋地下厂房洞室群建设是我国西南丰富水能资源开发的关键,大型地下厂房往往存在大跨度、大埋深、高边墙以及结构复杂等特点,在开挖过程中会产生围岩变形和应力集中现象,甚至可能出现岩爆、围岩损伤开裂及突发大变形等变形破坏现象。目前,水电站地下厂房通常采用分层分部开挖,其中应用最为广泛的是预留边墙保护层的开挖程序。鉴于地下洞室开挖过程中围岩变形与稳定控制的要求越来越高,地下厂房合理的边墙保护层厚度的选择至关重要,但现有的边墙保护层厚度设计主要还是采用经验法。因此,有必要对复杂条件下地下厂房边墙预留保护层厚度的确定和优选展开深入研究。本文针对水电站大型地下厂房开挖,考虑开挖过程中爆炸荷载与开挖瞬态卸载的耦合作用,建立了厂房爆破开挖的计算模型,研究了不同保护层厚度的开挖方案对地下厂房爆破开挖效果的影响,并对不同初始应力条件下不同开挖方案对围岩扰动的影响规律进行了研究,对于地下厂房开挖过程中开挖程序的选择和优化具有一定意义。首先,对当前水电站地下厂房分层开挖程序进行了详细的总结梳理,对断面尺寸、围岩稳定因素、地应力水平等影响边墙保护层厚度的因素进行了分析,以便更好地研究边墙预留保护层开挖程序的优化。以白鹤滩水电站地下厂房爆破开挖为背景,对不同预留保护层厚度的开挖方案进行数值计算,研究不同开挖方案对围岩变形、损伤及动力响应特性的影响。结果表明,随着预留保护层厚度的增加,围岩损伤范围、围岩振动响应及位移等均呈现先减小后增大的趋势,存在一个与地应力水平相适应的合理保护层厚度。对于白鹤滩水电站地下厂房,其开挖时合理的边墙保护层厚度取值为2～4m。考虑到地应力水平对围岩的爆破效果影响,利用动力有限元程序LS-DYNA对不同初始地应力水平下的厂房开挖进行数值模拟。结果表明,不同的初始地应力条件下,随着预留保护层厚度的增加,围岩的损伤、变形等特征均呈现先减小后增大的趋势。基于围岩扰动程度,不同地应力水平下均存在一个优选的保护层厚度取值;在一定的地应力范围内,随着初始地应力的增加,优选保护层厚度也逐渐增大;地应力在10MPa左右时优选保护层厚度为2m,当地应力增大至约50MPa时可预留4～6m左右的保护层。最后,结合典型实际工程实例的对比分析,在考虑厂房尺寸、地应力水平、岩体质量等的影响情况下,给出了不同条件下保护层厚度的选取建议值,能够为地下厂房施工时边墙保护层厚度的选取提供一定的参考。