地下硐室開挖過程的數(shù)值模擬分析

胡德超

摘要：針對地下硐室洞頂土層自穩(wěn)能力差，開挖初期變形增長較快，極易產(chǎn)生坍塌的特征，本文主要是利用了有限元數(shù)值模擬軟件，對地下硐室的開挖過程進(jìn)行了模擬分析，其中分析的主要內(nèi)容為，由于地下硐室開挖過程的施工，引起的周圍土體所產(chǎn)生的應(yīng)變、應(yīng)力、屈服區(qū)以及位移等，得出較為合理的施工工序與施工方法，從而指導(dǎo)工程施工。

Abstract： In view of the poor self-stability of the top layer of the underground cavity， the deformation at the initial stage of excavation grows rapidly and is prone to collapse. This paper mainly uses the finite element numerical simulation software to carry out the simulation analysis of the excavation process of the underground cavity. The main content of the analysis is to gain the reasonable construction procedures and construction methods due to the strain， stress， yielding area and displacement of the surrounding soil caused by the construction of the underground cavity excavation process， thereby guiding the construction of the project.

關(guān)鍵詞：地下硐室;自穩(wěn)能力;數(shù)值模擬;施工工序

Key words： underground cavity;self-stability;numerical simulation;construction process

中圖分類號：P633.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）18-0198-03

0? 引言

地下硐室（underground cavity）是指人工開挖或天然存在于巖土體中作為各種用途的構(gòu)筑物。根據(jù)圍巖的結(jié)構(gòu)不同，可采用不同的分析方法。如，完整結(jié)構(gòu)的巖體：彈塑性力學(xué)分析;塊狀結(jié)構(gòu)巖體：塊體平衡理論分析;碎裂和松散結(jié)構(gòu)巖體：松散體力學(xué)分析。

由于地下硐室洞頂土層自穩(wěn)能力差，開挖初期變形增長較快，極易產(chǎn)生坍塌，所以采用平面應(yīng)變有限元法進(jìn)行地下硐室施工過程設(shè)計計算顯得尤為重要。本文采用大型有限元軟件對地下硐室施工過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對其做出了有效分析。

1? 數(shù)值模擬軟件的選取

土體應(yīng)力變形分析中，由于土體的非線性、非均質(zhì)以及土體的復(fù)雜邊界，引起了在分析過程中的土體的非線性問題、非均質(zhì)問題和復(fù)雜邊界問題，而且這些問題都比較困難，而有限元法的突出優(yōu)點就恰恰在于適用于這些困難問題。這一方法的應(yīng)用就能較好的解決這些困難，從而能更好的研究邊坡處理穩(wěn)定分析這一類的相關(guān)問題。

本文所采用的有限元分析軟件出現(xiàn)于上個世紀(jì)70年代，它的理論基礎(chǔ)為有限元理論，固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)。其溫度場問題的數(shù)值解的獲得主要是通過求解力學(xué)線性、非線性方程組的方式。如今，本文采用的這一軟件應(yīng)用范圍越來越廣，包括科學(xué)研究在內(nèi)的各個行業(yè)的工程仿真分析，以及大專院校的各個領(lǐng)域，同時也逐漸被多數(shù)人所接受。本文就是選用了這一軟件來對地下硐室的開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬。

2? 模型分析及模擬方案

2.1 基本資料

本工程共有3類地層，地層A、地層B和地層C。其中，地層A與地層B之間為夾層A，地層B與地層C之間為夾層B。夾層傾角為45°，分布于硐室兩側(cè)，洞頂埋深為185米。硐室寬度為10米，高度為13.5米，半圓拱半徑為5米。

2.2 模型分析

由于硐體橫斷面的高度和寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其硐體的長度，故分析時采用的是平面應(yīng)變模型。開挖分4步進(jìn)行，荷載主要是土體的自重荷載。數(shù)值模擬中土體的屈服準(zhǔn)則選用的是Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，從而來建立有限元模型，模型網(wǎng)格的劃分采用的三角形單元和四邊形單元均為9節(jié)點。同時，本文沒有考慮地下水這一因素對其的影響，但考慮了硐室開挖前的土體內(nèi)初始地應(yīng)力。

2.3 評判準(zhǔn)則

土體的有限元穩(wěn)定性分析這一方法屬于有限變形分析法的范疇。在研究巖土的穩(wěn)定性時，往往采用有限變形分析這一方法，其基本原理是根據(jù)塑性區(qū)的連同情況、迭代計算的收斂性、應(yīng)力場規(guī)律等力學(xué)特征以及位移的突變性來判斷。迭代收斂性不完全是由于塑性區(qū)太大這一因素造成的，影響迭代收斂性的因素有很多，比如，可能是選取的分析參數(shù)影響所導(dǎo)致。因此，本研究土體失穩(wěn)的基本評判方法選擇的是塑性區(qū)的連通情況及關(guān)鍵點的位移突變。與此同時，由于土體這種材料抗拉能力非常小，整體破壞可能是由于某些局部的拉裂導(dǎo)致的，而且依靠自身維持平衡的硐室，不管在正常使用還是在施工開挖時，硐室的關(guān)鍵部位（如拱圈）都最好不要有拉應(yīng)力的出現(xiàn)。對于范圍足夠小且較小的拉應(yīng)力，允許出現(xiàn)在非關(guān)鍵部位（如側(cè)墻）。綜上，本研究的補(bǔ)充評判方法為非重要區(qū)域拉應(yīng)力區(qū)的范圍以及主拉應(yīng)力是否出現(xiàn)在關(guān)鍵部位。

在開挖過程中，土體不會坍塌、趨于穩(wěn)定，硐體關(guān)鍵點的位移則趨于穩(wěn)定或減小;否則，硐體關(guān)鍵點的位移并不穩(wěn)定或增大，則會引起坍塌事故。其中，洞頂、拱腳、地面等位置為關(guān)鍵點，拱腳以向洞外水平位移為正，拱頂和地面位移則以向下沉為正。

2.4 模擬方案

本文主要應(yīng)用了有限元軟件的生死單元功能，硐室開挖過程中的變形、塑性區(qū)及拉應(yīng)力等特征主要采用的是分部開挖這一方式來研究。以判斷洞體塑性區(qū)范圍、洞體圍巖位移變形情況以及洞體在開挖時所產(chǎn)生的應(yīng)力分布結(jié)果，從而保證在施工期和運(yùn)營期硐室的安全和穩(wěn)定。采用分層開挖的方法來對硐體進(jìn)行開挖，自上而下分為4層，整個硐室斷面從上到下分4步開挖（圖1）。

采用生死單元模擬開挖的具體步驟如下：

①針對施工過程中的模擬區(qū)域來劃分網(wǎng)格（圖2），均將初始狀態(tài)下的土體單元設(shè)置為“生”狀態(tài);

②給模型施加重力場（圖3）;

③按照施工順序，設(shè)置擬開挖步土體單元的“殺死”時間。

3? 結(jié)果與分析

3.1 位移變化

整體模型Y、Z方向位移云圖如圖5、圖6所示。

由圖5和圖6可知，Y、Z方向的土體已經(jīng)受到了擾動，產(chǎn)生位移，應(yīng)對硐室周圍進(jìn)行加固，可以采用內(nèi)部襯砌和加錨桿的方式來對硐室進(jìn)行加固。

3.2 應(yīng)力分布

整體模型的最大剪應(yīng)力分布如圖7所示。

整體模型的P1主應(yīng)力分布如圖8所示。

整體模型的P3主應(yīng)力分布如圖9所示。

通過對硐室周圍的最大剪應(yīng)力、P1主應(yīng)力和P3主應(yīng)力的分析可知，硐室兩側(cè)的剪應(yīng)力較大、而洞頂與洞底的剪應(yīng)力分布相對較小;整體模型的P1主應(yīng)力分布的比較均勻;而在硐室的兩側(cè)，P3主應(yīng)力分布較小，在洞頂與洞底P3主應(yīng)力較大需要，結(jié)合所學(xué)的知識，需要對模型尤其是在洞頂進(jìn)行加固，襯砌并加錨桿，以維持其自身和周圍巖體的穩(wěn)定性。

但是，在設(shè)置施加錨桿對硐室周圍巖土體進(jìn)行加固時應(yīng)注意，錨桿的極限抗拔力隨錨固長度的增加呈線性增長，且和錨固數(shù)量之間的關(guān)系也是如此。并且極限抗拔力的線性增長是有一定界限的，從而產(chǎn)生了臨界錨固長度這一概念，當(dāng)極限抗拔力超過這一臨界值后，其增加的速度趨于緩慢。當(dāng)極限抗拔力超過承載力極限值時，由于其數(shù)值增加帶來的硐室周圍土體穩(wěn)定性的增加并不會呈線性的提高，而且這種穩(wěn)定性效果的增加非常有限。綜上，通過大幅度的增加錨桿數(shù)量來提高硐室周圍的土體穩(wěn)定性這種方法是不合理的，應(yīng)根據(jù)數(shù)值模擬分析的結(jié)果在硐室周圍的適當(dāng)位置設(shè)置合適數(shù)量的錨桿。

4? 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

①運(yùn)用有限元分析軟件對基坑的開挖進(jìn)行模擬是可行的。

②本文通過應(yīng)用有限元分析軟件建立了地下硐室數(shù)值分析模型，對硐室的開挖施工，分別從Y、Z方向的位移、應(yīng)力的分布2個方面，分析了開挖過程對硐體穩(wěn)定性的影響。通過對整體模型的數(shù)值分析，我們可以根據(jù)開挖過程中形成的不同方向的位移，最大剪應(yīng)力及P1、P3主應(yīng)力的分布，來對實際硐室的開挖與支護(hù)方法進(jìn)行調(diào)整，從而確定出最終的切實可行的支護(hù)方案。

③數(shù)值模擬這一方法也存在著一些缺陷，其中的初始地應(yīng)力僅僅考慮了自重應(yīng)力這一方面，而沒有將構(gòu)造應(yīng)力考慮進(jìn)去，所以在針對具體工程時，對初始地應(yīng)力的計算所需要的圍巖參數(shù)，應(yīng)通過現(xiàn)場的原位試驗來測試獲取。

4.2 展望

①在進(jìn)行數(shù)值模擬過程中，地形地貌的起伏狀況、地質(zhì)構(gòu)造（斷層、褶皺、節(jié)理裂隙）的反映、地層巖性參數(shù)的選擇等因素很大程度上影響了數(shù)值模擬的結(jié)果。所以應(yīng)建立準(zhǔn)確而逼近實際條件的地質(zhì)模型，最大限度的進(jìn)行近似模擬。

②采用耦合分析的方法。場的耦合：如大壩或滑坡穩(wěn)定性驗算考慮水的影響因素時，可先進(jìn)行滲流場的求解;然后將滲流場疊加到重力場或應(yīng)力場中，再進(jìn)行穩(wěn)定計算。

③采用更為科學(xué)的分析方法，如可靠度分析方法和敏感性分析方法?？煽慷确治龇椒ú捎酶怕收摵蛿?shù)理統(tǒng)計方法，對輸入計算模型的參數(shù)、邊界條件、初始條件等進(jìn)行處理，然后進(jìn)行計算，得到結(jié)構(gòu)的破壞概率與可靠度，可更為科學(xué)、真實地表現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全性能。

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