基于ABAQUS 數(shù)值模擬的硐室圍巖安全性評價

劉慶濤 姜元杰 王 曄 冀 東 仇 革

（1、青島市勘察測繪研究院，山東 青島266032 2、青島巖土工程技術(shù)研究中心，山東 青島266032 3、青島海泊爾建設(shè)工程檢測有限公司，山東 青島266032）

1 概述

近年來，隨著城市建設(shè)的發(fā)展使得大量的人防干道被重新規(guī)劃利用，目前人防干道大都建造于20 世紀(jì)60、70 年代，地下洞室圍巖的穩(wěn)定性及安全性是影響各類工程建設(shè)的重要問題。根據(jù)查閱資料，大量學(xué)者對中深部硐室群的穩(wěn)定性及影響因素做了研究[1]。目前用于地下洞室圍巖支護(hù)的研究方法主要是工程類比和經(jīng)驗(yàn)法[2]。陳雨等[3]以某采礦隧道為研究對象，采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段，對地下硐室的穩(wěn)定性和變形做出了較為準(zhǔn)確的預(yù)測。劉林等[4]采用FLAC3D 軟件，對某煤礦巷道未通過斷層和通過斷層的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬。本工程采用ABAQUS 作為主要分析手段來計算分析主洞室擴(kuò)挖對洞室群穩(wěn)定性的影響。

2 工程背景

某人防干道主干道分為東西和南北兩段，其中東西段長208 米左右，主洞寬8.6 米左右，高5～6 米；南北段長115 米，主洞寬8 米左右，高5～6 米。目前洞室基本保持穩(wěn)定，東西和南北主干道的拱部和邊墻局部存在明顯的貫通裂隙。主要干道拱頂埋深36～70 米左右，局部出地面長支洞最小埋深18 米左右。

本次硐室數(shù)值模擬按照最不利因素考慮，分別選取了洞室尺寸較大、受斷裂帶影響較大的北側(cè)干道群進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

3 有限元模型的建立

3.1 有限元模型的建立

計算模型如圖1 所示，通過地形圖擬合出山體形態(tài)，選取北側(cè)干道、硐室為研究對象。南北向干道走向約NW15°，根據(jù)調(diào)查，共揭露6 條呈北東向構(gòu)造破碎帶穿過硐室和干道，詳見圖2。

3.2 計算單元及參數(shù)的選取

本次模擬中的山體圍巖、干道及硐室采用8 結(jié)點(diǎn)六面體單元和6 結(jié)點(diǎn)四面體單元的3D 混合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，噴混采用梁板單元的2D 混合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，錨桿采用植入式桁架的1D 混合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。計算模型中材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 1 計算模型中材料的物理力學(xué)參數(shù)表

4 不同工況下硐室圍巖數(shù)值模擬分析

4.1 無支護(hù)措施的干道圍巖穩(wěn)定性

4.1.1 最大剪應(yīng)力

干道和硐室開挖后，原來山體的應(yīng)力狀態(tài)被打破，應(yīng)力發(fā)生重新分布，應(yīng)力發(fā)生變化的部位主要在硐室周圍，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)的位置為干道和硐室的交接處，易形成應(yīng)力集中，發(fā)生破壞。根據(jù)計算，最大剪應(yīng)力大值出現(xiàn)在硐室和干道形狀交接處，應(yīng)力集中，因破碎帶發(fā)育，洞室易出現(xiàn)邊墻失穩(wěn)掉塊的現(xiàn)象，最大剪應(yīng)力云圖詳見圖2。

圖2 最大剪應(yīng)力云圖（南北向剖切至硐室）

圖3 Z 方向位移云圖（大值位于硐室頂部和底部）

圖4 安全系數(shù)等值線云圖（安全系數(shù)1.97～5.00）

圖5 安全系數(shù)等值線云圖（安全系數(shù)2.08～5.00）

4.1.2 Z 方向位移云圖

干道和硐室的Z 方向位移云圖如圖3所示，+ 的位移值表示隆起，- 值表示沉降，硐室頂部下沉最大值為3.84mm，硐底隆起最大值為2.76mm。由計算位移云圖結(jié)果可知，硐室的頂面和底面變形較大。

4.1.3 安全系數(shù)

通過安全系數(shù)1.97～5.00 的等值線云圖4 可知，最危險的易失穩(wěn)部位位于干道邊墻和硐室四周，干道安全儲備不夠。

4.2 采取支護(hù)措施的干道圍巖穩(wěn)定性

通過圖5 安全系數(shù)等值線云圖可知，采用噴混和錨桿對圍巖進(jìn)行支護(hù)后，硐室和Ⅳ2 類圍巖干道的頂部、底部安全系數(shù)有顯著提高。

5 結(jié)論

5.1 從數(shù)值模擬分析，目前洞室基本處于穩(wěn)定的狀態(tài)，但局部安全系數(shù)較小，不利長期穩(wěn)定使用。

5.2 建議在構(gòu)造發(fā)育及圍巖穩(wěn)定性較差的Ⅳ類圍巖段進(jìn)行錨噴處理，在Ⅲ級圍巖段進(jìn)行掛網(wǎng)噴護(hù)處理，在斷裂帶發(fā)育段對斷裂帶以及其他圍巖的交界部位進(jìn)行小導(dǎo)管注漿加固處理，對松動巖體進(jìn)行清除或加固，以確保地下建構(gòu)筑物整體的穩(wěn)定。