地下厂房洞室群岩体蠕变特性分析

冯 洋,张志增,胡江春

(中原工学院,郑州 450007)

地下厂房洞室群岩体蠕变特性分析

冯 洋,张志增,胡江春

(中原工学院,郑州 450007)

岩体蠕变是大型地下工程围岩稳定性分析中的一项重要研究内容,它为地下洞室群的长期稳定性研究提供理论依据.本文通过对某地下厂房洞室群近期监测资料的分析,研究了其地下洞室群的蠕变特性,一方面丰富了蠕变分析的理论和方法,另一方面可以对该地下厂房洞室群在运行期的长期稳定性进行预测.

地下工程;蠕变;稳定性分析

近年来,随着各种大型地下洞室群工程的兴建,地下洞室群围岩稳定性问题受到了人们的广泛关注[1].由于岩体本身以及地下工程的复杂性,在地下工程的设计、施工及运行过程中,总是存在大量不可预见的因素.因此对地下洞室群稳定性进行分析研究就显得尤为重要[2].

目前,国内外对地下洞室围岩蠕变特性的分析方法有很多,大致可以归纳为解析法、数值分析方法、不确定性方法等[3].随着计算机技术的发展,数值模拟方法在研究地下洞室围岩应力、变形、破坏,定量评价围岩稳定性方面具有十分明显的优越性,已成为解决地下工程设计和施工问题的最有力工具[4].

由于地下工程的复杂性,围岩蠕变分析不能依赖于单一方法,因此,依托计算机技术进行多种方法综合评价分析,是未来发展的一种趋势.事实上,国外学者Griggs D T早在1939年便对灰岩、页岩和砂岩等进行了蠕变试验[5].此后,很多研究者相继从各个不同方面进行了岩石蠕变特性研究.而自20世纪50年代末起,特别是近20年来,随着国内许多大型工程的兴建,我国同行也深入开展了对岩石蠕变特性的研究[6].徐平等对三峡花岗岩进行了单轴蠕变试验,认为三峡花岗岩存在一个应力门槛值σs,当应力水平低于σs时,采用广义 Kelvin模型来描述三峡花岗岩的蠕变特性,当应力水平高于σs时,采用西原模型描述,并给出了相应的蠕变参数[7];许宏发通过对软岩进行单轴压缩蠕变试验,指出软岩的弹模随时间的延长而降低,与强度的变化规律具有相似性[8];沈振中、徐志英对三峡大坝地基花岗岩进行了单轴压缩蠕变试验,并采用Burgers模型来描述三峡大坝基岩的粘弹性性质[9];朱定华、陈国兴对南京红层软岩进行了单轴压缩蠕变试验,发现红层软岩存在显著的流变性,符合Burgers模型[10];李晓对泥岩峰后区进行三轴压缩蠕变试验,首次得到了泥岩试件的峰后蠕变特性曲线[11].

本文主要对某地下厂房近期的位移监测资料进行分析,研究围岩的蠕变特性,一方面可以丰富蠕变分析的理论和方法,另一方面可以对该地下厂房洞室群在运行期的稳定性进行预测,保证工程在运行期的安全运行.

1 岩体蠕变理论

在长期荷载的作用下,工程岩体的应力应变状态、变形破坏特征均随时间而不断发生变化,即具有显著的时间效应.研究岩体的蠕变特性对于合理解释岩体工程的时效力学行为,掌握其应力和变形规律,评价岩体与工程结构物的长期稳定性和运行安全性等,都具有重要的意义.

岩体蠕变是指在恒定荷载的情况下,总应变随时间而增长的现象.蠕变随时间的延续大致分3个阶段,如图1所示.第一阶段(a-b):减速蠕变阶段.在此阶段,应变增加,但是应变速率随时间增加而减小,此时围岩主要处于塑性变形阶段.第二阶段(b-c):等速蠕变阶段.在此阶段,应变增加,应变速率基本保持不变,围岩处于稳定塑性流变阶段.第三阶段(c-d):加速蠕变阶段.此阶段出现在应力超过岩体蠕变极限应力的条件下,特点是应变速率随时间增加而增加,并最终导致失稳破坏.在地下工程中必须采取合适的支护手段,避免围岩出现加速蠕变阶段,促使围岩保持稳定.

图1 岩体蠕变三阶段

遗憾的是,等速蠕变阶段何时进入加速蠕变阶段,学术界依然难以从理论上给出完美的解答.所以,当岩体进入等速蠕变阶段,就需要预警,加强监测和支护.

根据应变与时间关系的不同,蠕变可以分为2种类型:①稳定蠕变:低应力状态下发生的蠕变,只经历第一阶段蠕变(即减速蠕变阶段),后期应变趋于恒定,如图2中的曲线B所示;②不稳定蠕变:较高应力状态下发生的蠕变,应变随着时间增加而持续增长,可能经历蠕变的3个阶段,如图2中的曲线A所示.

图2 蠕变2种类型

2 位移监测资料的时效性分析

2.1 工程概况

某地下厂房洞室群规模巨大,主要由引水洞、主机间、母线洞、主变室、尾水调压室和尾水洞等组成,主机间、主变室、尾水调压室平行布置.地下厂房位于大坝下游约350 m的山体内,水平埋深约110～300 m,垂直埋深180～350 m.厂区主要岩性为大理岩,以 III1类围岩为主,饱和单轴抗压强度为60～75 M Pa,地质条件复杂,发育有三大断层和4组优势节理,且厂区属于极高-高地应力级区域.不利的地质条件、地应力条件、岩性条件及工程结构条件的组合,对地下厂房洞室群的稳定性提出了严重的挑战.

2.2 监测资料的分析方法

本文根据监测资料(监测数据截止2011年3月5日),重点分析了2010年11月4日至2011年1月4日和2011年1月4日至2011年3月5日的位移监测资料.

根据时间-位移曲线图的走势和位移日增量(又称为位移增速、位移曲线斜率)的大小,对多点位移计的每个测点进行分析,将其蠕变特性分为3类:

(1)位移稳定型.该类型的时间-位移曲线接近水平,位移随着时间增加而基本恒定,也可能因为支护的作用而使得位移随着时间增加而减小.位移稳定型表示该测点属于稳定蠕变,安全性高.具体分类时,只要位移日增量不超过0.002 8 mm(对应的位移年增量是1 mm)的测点都划分为位移稳定型.

(2)等速蠕变型.该类型对应典型蠕变曲线的第二阶段(等速蠕变阶段),位移随时间增加而持续增加,并且位移增速基本保持不变,此时,围岩处于稳定塑性流变阶段.等速蠕变型表示该测点属于不稳定蠕变,安全性低.如果不加强支护,随时可能进入蠕变第三阶段(加速蠕变阶段)而导致围岩失稳,所以我们对这个类型的测点提出预警.

(3)减速蠕变型.该类型对应典型蠕变曲线的第一阶段(减速蠕变阶段),位移随时间增加而增加,但是位移增速随时间增加而减小.该阶段一般发生在从岩体开挖至之后几个月内.由于该阶段既可能转入蠕变第二阶段(等速蠕变阶段),也可能进入位移恒定阶段,并且该阶段往往持续几个月的时间,所以对该类型的测点需要继续观察.

需要指出的是,在开挖和支护等工程扰动的情况下,上述3种类型可能互相转换.工程实践中,我们总是对等速蠕变型的区域加强支护,促使其向位移稳定型转换.

2.3 典型监测断面变形时效分析

本文以一典型断面(厂纵0+126.8断面)为例,对该断面的位移监测资料进行分析.该监测断面贯穿主厂房、主变室和1号尾调室,其中主厂房安装有10套多点位移计;主变室安装有6套多点位移计;1号尾调室安装有5套多点位移计.各仪器测点空间分布如图3所示,位移资料统计及分析如表1所示.

图3 厂纵0+126.8断面各仪器测点测值空间分布

表1 厂纵0+126.8断面位移监测结果统计表

续表1

由表1可以看出,主厂房监测断面稳定性好,无测点属于等速蠕变型.主厂房监测断面下游边墙EL 1653部位M6ZCF4-1的L 5和孔口测点属于减速蠕变型,需要继续加强监测.主厂房监测断面其他点位移计各测点均属于位移稳定型.由以上结果可知,主厂房监测断面整体稳定性好、安全性高;下游边墙 EL 1653部位的稳定性需要加强监测.

主变室监测断面,无测点属于等速蠕变型.下游拱脚部位 M4PS1-16的 L 1测点,下游边墙 EL 1668部位M4PS2-8的 L 1、L 3、L4 测点 ,下游边墙 EL1653 部位M4ZBS4-3的所有测点属于减速蠕变型,需要继续观察其发展趋势.主变室监测断面其他多点位移计各测点均属于位移稳定型.根据以上结果,主变室监测断面的顶拱及上游边墙稳定性好、安全性高;下游拱脚和下游边墙的稳定性差、安全性低,是需要加强监测和支护的重点区域.

1号尾调室监测断面,属于等速蠕变型,需要预警的测点有顶拱M4TYS4-2的孔口测点.主变室监测断面上无测点属于减速蠕变型,其他多点位移计各测点均属于位移稳定型.由以上结果可知,1号尾调室监测断面整体稳定性好、安全性高;拱顶部位的稳定性差、安全性低,是需要加强监测和支护的重点区域.

3 结 语

针对某地下厂房洞室群的长期稳定性问题,进行了监测资料的蠕变性分析研究.主要结论如下:

(1)研究了位移监测的分析方法,根据时间-位移曲线图的走势和位移日增量的大小,将岩体蠕变特性分为三类:位移稳定型、等速蠕变型和减速蠕变型.

(2)该地下厂房在运行期的整体稳定性较高.分析其原因,应该是随着支护和灌浆工作的深入,松动圈逐步向承载圈转化,锚固和灌浆的支护加固体系开始联合发挥积极的作用.

(3)对于仍然处于减速蠕变型和等速蠕变型的区域,需要加强监测和支护.

[1]轩辕啸雯,秦淞君.论隧道与地下工程在可持续发展战略中的作用[C]∥.中国土木工程学会第八届年会论文集.北京:清华大学出版社,1998.

[2]谷兆祺,彭宁拙,李仲奎.地下洞室工程[M].北京:清华大学出版社,1994.

[3]张天宝.地下洞室群围岩稳定性分析[D].浙江:浙江大学,2001.

[4]郭力,王剑波,陈新胜.地下工程中常用开挖方法[J].工程机械与维修,2005(15):85-87.

[5]Griggs D T.Creep of rocks[J].Journal of Geology,1939,47:225-251.

[6]孙钧.岩石流变力学及其工程应用研究的若干进展[J].岩石力学与工程学报,2007,26(6):1081-1106.

[7]杨建辉.砂岩单轴受压蠕变试验现象研究[J].石家庄铁道学院学报,1995,8(2):77-80.

[8]许宏发.软岩强度和弹模的时间效应研究[J].岩石力学与工程学报,1997,16(3):246-251.

[9]沈振中,徐志英.三峡大坝地基花岗岩蠕变试验研究[J].河海学报,1997,25(2):1-7.

[10]朱定华,陈国兴.南京红层软岩流变特性试验研究[J].南京工业大学学报,2002,24(5):77-79.

[11]李晓.岩石峰后力学特性及其损伤软化模型的研究与应用[J].徐州:中国矿业大学,1995.

Study on the Creep Property of Underground Powerhouse Cavities

FENG Yang,ZHANG Zhi-zeng,HU Jiang-chun
(Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

Rock creep is very important research content of the surrounding rock stability analysis in a large underground engineering.It provides theoretical foundation for long-term stability and reliability study of the underground cavities.Thispaper analyzes the recentmonitoring data and studies the underground cavitiescreep properties,enriches creep analysis theory and method,and also analyses and forecast underground workshop cavities stability of operation period.

underground engineering;creep;stability analysis

U 453.2

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2011.03.001

1671-6906(2011)03-0001-05

2011-05-20

国家自然科学基金面上项目(51074196)

冯 洋(1987-),男,河南焦作人,本科生;指导教师:张志增(1981-),男,河南安阳人,讲师,博士.