地下工程安全性數(shù)值模擬分析★

韓國令

(中國中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州 450003)

0 引言

地下工程在21世紀(jì)發(fā)展是大趨勢所在。然而，由于技術(shù)的限制、經(jīng)濟(jì)效益、各種人為以及自然因素的影響，地下工程的開發(fā)運(yùn)用依然事故不斷。地下結(jié)構(gòu)中，由圍巖支護(hù)這一結(jié)構(gòu)體系決定地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。圍巖是天然的，取決于當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，支護(hù)的設(shè)計需根據(jù)圍巖的情況來選擇設(shè)計施工方法，以期使兩者相互作用達(dá)到穩(wěn)定。

本文的主要內(nèi)容是基于重慶某人防工程實(shí)例為基礎(chǔ)對某地下人防工程進(jìn)行安全性的數(shù)值分析。采用有限元法，使用Midas-GTS這個軟件來進(jìn)行分析，分析施工過程中的應(yīng)力及位移變化，觀察其是否處于正常穩(wěn)定狀態(tài)，借此為施工設(shè)計提供必要的依據(jù)。而在施工時必須借由實(shí)際檢測數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場情況來判定具體的施工方法。

1 安全性數(shù)值分析

此分析以重慶某人防工程實(shí)例為基礎(chǔ)，利用Midas-GTS軟件進(jìn)而得出結(jié)果，分析此人防工程的圍巖情況及其安全性。

圖1即是根據(jù)現(xiàn)場地形、圍巖分布情況而制作生成的地下工程項目的工程立體圖。此人防工程項目建立區(qū)域縱向分為3個圍巖層，其中主通道的直徑為11 m，應(yīng)急通道的直徑為6 m，模型幾何尺寸為80 m×60 m×60 m。

我們將整個模型的施工步驟分為了36步。整個模型按照幾何尺寸要求并結(jié)合實(shí)際圍巖情況建立，分析施工過程中施工工序，并分析施工過程中可能產(chǎn)生的最大應(yīng)力值以及最大位移，對可能產(chǎn)生最大值的區(qū)域進(jìn)行相對嚴(yán)格的監(jiān)控，從應(yīng)力及位移變化來分析其穩(wěn)定安全性。分析結(jié)構(gòu)是否符合設(shè)計的需要、使用需要。

2 應(yīng)力分析

從圖2我們可以很直觀的看出，除了上層的軟弱覆蓋圖層穩(wěn)定性差而造成的應(yīng)力大之外，就是主通道的地面部分應(yīng)力大，由此證明了開挖造成圍巖穩(wěn)定性變差的理論。

從圖3主通道在X方向上的應(yīng)力等值線，可以看出主通道的側(cè)壁受力大，證明采用適當(dāng)襯砌的必要。

從圖4可以明顯的看出，整個通道的受力，應(yīng)急通道基本是穩(wěn)定的，主通道應(yīng)力在襯砌頂部，而最大應(yīng)力基本集中在主通道與應(yīng)急通道的連接部分，數(shù)值達(dá)到1.1 MPa，而反向則達(dá)到3.9 MPa，如果是各向最大值則會更大。我們可以理解為由于這部分形成了夾角，造成了整個通道體系的應(yīng)力集中，屬于易遭破壞區(qū)域。因此，在進(jìn)行襯砌施工時，必須對連接部分進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控，并需要對這部分加強(qiáng)襯砌支護(hù)。同時我們也可以看到在主通道口有一部分很小的區(qū)域應(yīng)力值要明顯大于旁邊的部分，這是由于斷層應(yīng)力的不連續(xù)，各向應(yīng)力集中到一個面上而造成的，因此有必要對洞口的邊坡進(jìn)行整治。

圖1 工程模型立體圖

圖2 縱向應(yīng)力等值線

圖3 通道X向應(yīng)力等值線

圖4 連接通道應(yīng)力分布圖

整體上，左側(cè)位移、應(yīng)力一般要大于右側(cè)，原因是模型中洞室位置偏右，以及右側(cè)有應(yīng)急通道的洞室;就整體承載的應(yīng)力而言，左側(cè)要大于右側(cè)，這主要是由于地應(yīng)力很大一部分主要源自于自重應(yīng)力。

3 現(xiàn)場檢測

3.1 工程概況

該人防工程所在地區(qū)屬于紅土層區(qū)，構(gòu)造剝蝕丘陵地貌。地形起伏較大，山脊與溝槽相間排列，地形總體為南高北低，地面高程375.00 m～415.00 m，相對高差約為40.00 m?？傮w地形坡度傾斜角約20°～30°。由于人類工程活動，場地北側(cè)形成了高約2 m～17 m的巖質(zhì)邊坡，邊坡總體傾向北東，坡角30°～65°，基巖裸露;在勘察區(qū)的東側(cè)，形成了高為9 m～33.5 m的巖質(zhì)邊坡，坡角為15°～20°，坡面植被比較發(fā)育。場地主要底層為第四系人工填土、第四系全新統(tǒng)粉質(zhì)及侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組泥巖和砂巖互層組成。

3.2 監(jiān)測工作計劃

根據(jù)要求，主要監(jiān)測內(nèi)容包括:場地內(nèi)高邊坡地表變形，主坑道影響范圍內(nèi)地表變形。高邊坡段監(jiān)測重點(diǎn)包括水平與垂直位移測量，主坑道范圍內(nèi)監(jiān)測重點(diǎn)是地表沉降。根據(jù)實(shí)際情況在已有的監(jiān)測項目上增加了以下監(jiān)測措施:

1)主坑道以上覆蓋層地表沉降;2)高邊坡地表位移;3)裂縫監(jiān)測。

測點(diǎn)現(xiàn)場照片見圖5。

本隧道洞口段，地質(zhì)條件較差，屬于重點(diǎn)監(jiān)測地段，本監(jiān)測組將斷面間距定為8 m～12 m(見圖6)。

圖5 測點(diǎn)現(xiàn)場照片圖

圖6 監(jiān)測斷面位置示意圖（單位：m）

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)

1號斷面拱頂下沉情況見圖7。

圖7 1號斷面拱頂下沉情況

4 總結(jié)

本文利用數(shù)值分析軟件Midas-GTS針對實(shí)際工程進(jìn)行理論上的穩(wěn)定分析。通過分析，我們發(fā)現(xiàn)，此人防工程的工程危險點(diǎn)基本可以概括為:拱頂、拱底仰拱部位及洞室連接部位，并且小洞徑的應(yīng)急通道穩(wěn)定性要大于主通道，也許是模型的不全面性及應(yīng)急通道的影響，主洞右側(cè)壁穩(wěn)定性稍大于左側(cè)壁。所有穩(wěn)定危險點(diǎn)需加大監(jiān)測監(jiān)控力度，并像對于通道連接處這些區(qū)域應(yīng)當(dāng)加大支護(hù)力度。而像仰拱部位的位移變化，由于仰拱的修建會阻止位移的進(jìn)一步變化，所以仰拱的修建應(yīng)當(dāng)盡早進(jìn)行。

1)根據(jù)本監(jiān)測數(shù)據(jù)得出，隧道圍巖收斂較小，在安全范圍內(nèi)，未出現(xiàn)異常現(xiàn)象。

2)隧道地質(zhì)條件較差，有軟弱夾層和水存在，圍巖屬于三級圍巖，該隧道埋深較淺，建議施工方嚴(yán)格控制炸藥用量，盡可能減少人為施工因素對圍巖的擾動和損傷，以便于充分利用圍巖自承力和支護(hù)結(jié)構(gòu)作用來保持整個圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定。

3)隧道內(nèi)泥水較多，給施工和監(jiān)測帶來不便，拱腳處泥巖遇水易軟化，巖體強(qiáng)度降低，易發(fā)生坍塌事故，存在較大的安全隱患，建議施工單位做好排水工作。

4)建議在初次支護(hù)中，增加拱架的架設(shè)。

現(xiàn)場的監(jiān)測監(jiān)控是針對地下工程穩(wěn)定管理的主要方式。通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)了解工程是否處于穩(wěn)定安全的狀態(tài)，并且在發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常的情況下必須及時針對實(shí)際情況盡快采取相應(yīng)的治理措施。否則一旦發(fā)生意外則將導(dǎo)致事故甚至整個工程的垮塌。所以，現(xiàn)場監(jiān)測監(jiān)控必須是實(shí)時監(jiān)控、及時治理。

因此，我們可以判斷，圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，支護(hù)基本可以滿足支護(hù)的需要。而且，應(yīng)急通道對于主通道洞室是有一定影響的，不僅在連接處的影響明顯，而且對整體應(yīng)力分布也會有一定影響。而通過監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，隧道圍巖收斂較小，在安全范圍內(nèi)，未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。隧道地質(zhì)條件較差，建議施工方嚴(yán)格控制炸藥用量，盡可能減少對圍巖的擾動和損傷，以利于圍巖自承力的保持和支護(hù)結(jié)構(gòu)作用的發(fā)揮。

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