地下工程安全性數值模擬分析★

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世紀發展是大趨勢所在。然而，由于技術的限制、經濟效益、各種人為以及自然因素的影響，地下工程的開發運用依然事故不斷。地下結構中，由圍巖支護這一結構體系決定地下結構的穩定性。圍巖是天然的，取決于當地實際情況，支護的設計需根據圍巖的情況來選擇設計施工方法，以期使兩者相互作用達到穩定。

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

1 安全性數值分析

此分析以重慶某人防工程實例為基礎，利用Midas-GTS軟件進而得出結果，分析此人防工程的圍巖情況及其安全性。

圖1即是根據現場地形、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域縱向分為3個圍巖層，其中主通道的直徑為11 m，應急通道的直徑為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合實際圍巖情況建立，分析施工過程中施工工序，并分析施工過程中可能產生的最大應力值以及最大位移，對可能產生最大值的區域進行相對嚴格的監控，從應力及位移變化來分析其穩定安全性。分析結構是否符合設計的需要、使用需要。

2 應力分析

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定性差而造成的應力大之外，就是主通道的地面部分應力大，由此證明了開挖造成圍巖穩定性變差的理論。

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

從圖4可以明顯的看出，整個通道的受力，應急通道基本是穩定的，主通道應力在襯砌頂部，而最大應力基本集中在主通道與應急通道的連接部分，數值達到1.1 MPa，而反向則達到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力集中，屬于易遭破壞區域。因此，在進行襯砌施工時，必須對連接部分進行嚴格的監控，并需要對這部分加強襯砌支護。同時我們也可以看到在主通道口有一部分很小的區域應力值要明顯大于旁邊的部分，這是由于斷層應力的不連續，各向應力集中到一個面上而造成的，因此有必要對洞口的邊坡進行整治。

圖1 工程模型立體圖

圖2 縱向應力等值線

圖3 通道X向應力等值線

圖4 連接通道應力分布圖

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

3 現場檢測

3.1 工程概況

該人防工程所在地區屬于紅土層區，構造剝蝕丘陵地貌。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。總體地形坡度傾斜角約20°～30°。由于人類工程活動，場地北側形成了高約2 m～17 m的巖質邊坡，邊坡總體傾向北東，坡角30°～65°，基巖裸露;在勘察區的東側，形成了高為9 m～33.5 m的巖質邊坡，坡角為15°～20°，坡面植被比較發育。場地主要底層為第四系人工填土、第四系全新統粉質及侏羅系中統沙溪廟組泥巖和砂巖互層組成。

3.2 監測工作計劃

根據要求，主要監測內容包括:場地內高邊坡地表變形，主坑道影響范圍內地表變形。高邊坡段監測重點包括水平與垂直位移測量，主坑道范圍內監測重點是地表沉降。根據實際情況在已有的監測項目上增加了以下監測措施:

1)主坑道以上覆蓋層地表沉降;2)高邊坡地表位移;3)裂縫監測。

測點現場照片見圖5。

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

圖5 測點現場照片圖

圖6 監測斷面位置示意圖（單位：m）

3.3 監測數據

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

本文利用數值分析軟件Midas-GTS針對實際工程進行理論上的穩定分析。通過分析，我們發現，此人防工程的工程危險點基本可以概括為:拱頂、拱底仰拱部位及洞室連接部位，并且小洞徑的應急通道穩定性要大于主通道，也許是模型的不全面性及應急通道的影響，主洞右側壁穩定性稍大于左側壁。所有穩定危險點需加大監測監控力度，并像對于通道連接處這些區域應當加大支護力度。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一步變化，所以仰拱的修建應當盡早進行。

1)根據本監測數據得出，隧道圍巖收斂較小，在安全范圍內，未出現異常現象。

2)隧道地質條件較差，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結構作用來保持整個圍巖支護結構體系的穩定。

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

4)建議在初次支護中，增加拱架的架設。

現場的監測監控是針對地下工程穩定管理的主要方式。通過分析監測數據了解工程是否處于穩定安全的狀態，并且在發現數據異常的情況下必須及時針對實際情況盡快采取相應的治理措施。否則一旦發生意外則將導致事故甚至整個工程的垮塌。所以，現場監測監控必須是實時監控、及時治理。

因此，我們可以判斷，圍巖基本處于穩定狀態，支護基本可以滿足支護的需要。而且，應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，而且對整體應力分布也會有一定影響。而通過監測數據可知，隧道圍巖收斂較小，在安全范圍內，未出現異常現象。隧道地質條件較差，建議施工方嚴格控制炸藥用量，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結構作用的發揮。

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