某洞庫開挖施工方案模擬

陳 慶 馬志明 劉 杰

(1.陸軍勤務學院軍事設施系，重慶 401311；2.重慶市教育委員會，重慶 400020； 3.西寧聯勤保障中心成都房管局昆明房管處，云南 昆明 650000)

某洞庫開挖施工方案模擬

陳 慶1,2馬志明1劉 杰3

(1.陸軍勤務學院軍事設施系，重慶 401311；2.重慶市教育委員會，重慶 400020； 3.西寧聯勤保障中心成都房管局昆明房管處，云南 昆明 650000)

通過MIDAS對某洞庫開挖過程中的豎向位移、塑性區以及等效應力進行了分析，并且對特征點處的模擬數據與實測數據進行了對比，得到有限元分析計算能有效模擬洞庫的開挖過程，但由于圍巖狀態的復雜性，實際工程中不能完全依賴有限元計算方法。

MIDAS,洞庫,圍巖

1 工程概況

某洞庫為14 m跨地下機庫，洞庫埋深40 m，修建于軟質石灰地層，上部為第四紀地層，屬于松散堆積物，形成時間較短，地層松軟。下部為碎屑巖地層，屬于巖石機械風化后形成的巖石碎屑和礦物碎屑，經搬運、沉積、壓實、膠結而成的巖石，底層密實。隧洞穿越巖為Ⅲ類，局部破碎帶為Ⅳ類。地形起伏，山體肥厚，階地地勢較為平坦。為解決該工程施工方案問題，本章采用數值分析方法進行了方案必選及優化。

2 模型建立

2.1模型范圍的確定

要確定模型的計算邊界，不僅要滿足精度要求，也要節省時間與成本，實踐證明：對于洞庫開挖所造成的應力、應變影響，僅在洞室周圍距洞室中心點3倍～5倍開挖寬度(或高度)的范圍內實際存在影響，在3倍寬度處應力變化一般在10%以下，在5倍寬度處應力變化一般在3%以下，此外根據對稱性特點，分析區域可以取斷面的1/2或1/4。

2.2結構的離散化

將圍巖與支護結構離散為僅在節點處鉸接的單元體組合時有限單元法的基礎。通常情況下，二三節點的桿單元用來模擬錨桿，二三節點的梁單元用以模擬噴射混凝土，三節點與六節點的常應變單元與四節點八節點的等參單元用以模擬圍巖與二次襯砌[1]。

將結構體系離散化時應注意：

1)單元各邊長不能相差太大，兩邊夾角不能太小。

2)一個單元不能含有兩種材料，邊界應設置在材料的分界面與開挖的分界線上。

3)荷載突變處、集中荷載作用點、錨桿處端點必須布置節點。

4)當在材料特性方面和幾何形狀方面都具有對稱性時，可利用對稱性進行簡化計算。

5)單元劃分需考慮分期開挖部分與分部開挖部分的分界線。

2.3邊界條件及初始應力條件

由于洞庫都是在巖體中開挖，所以計算中一般采取內部加載的方式計算，即開挖在洞庫周圍釋放荷載，數值上等于開挖邊界上原先的應力并反向作用于開挖邊界上。

計算范圍一般采取三種方式：第一是假設為力邊界條件，由圍巖中的初始應力場確定；二是位移邊界條件，假設邊界點位移為零；第三是給定混合邊界條件，節點一個自由度給定位移，另一個自由度給定節點力。上述每一種計算方法都有誤差，且計算范圍越小誤差越大，在接近邊界處誤差最大，這種現象稱為“邊界效應”，而且在動力分析中影響更為顯著[2-4]。

2.4有限元分析

復合式襯砌模型的假定：1)圍巖和混凝土假定為均質、各向同性的黏彈性材料。2)錨噴支護一般有兩種處理方法，一種是提高錨噴加固區的圍巖參數來模擬錨噴支護作用，另一種是將噴射混凝土層、鋼拱架、錨桿模擬為桿單元；二次襯砌因其較厚，采用四邊形等參單元或格桁架單元模擬。3)防水層一般采用有厚度的夾層單元進行模擬，其切向剛度為零，徑向剛度一般采用彈性常數E、泊松比μ表示。

圍巖力學計算參數和錨桿與噴射混凝土的計算參數見表1和表2。

表1 圍巖力學計算參數表

表2 錨桿與噴射混凝土(C20)計算參數表

機庫的幾何模型簡化為三心圓，R1=4.5 m，R2=6 m，A1=60°,A2=55°，如圖1所示。

本工程采用環形預留核心土法開挖，每個施工步驟掘進1 m，共開挖14次，采用C20混凝土噴射支護，噴射厚度為0.2 m，每個施工步驟使用11個錨桿，長度為4 m，錨桿間隔為1.5 m，有限單元網格的劃分及特征點位移如圖2所示。

3 數據分析

3.1豎向位移分析

洞庫開挖過程中，豎直方向的位移云圖如圖3所示(從左到右依次為第一、四、七、十、十二、十四開挖段)。

由圖3可以看出，開挖過程中洞庫底部凸起位移相對較大以及核心土周圍位移較大。

3.2開挖塑性區分析

洞庫開挖過程中，塑性區分布如圖4所示(從左到右依次為第一、三、六、九、十二、十四開挖段)。

由圖4可以看出隨著洞庫的開挖，逐漸出現塑性區，主要集中在洞庫兩腰及兩側底部，隨著支護作用的起效，塑性區又逐漸消失，其中，第十二開挖段的塑性區范圍最大，施工過程中應及時采取支護措施，密切關注監測數據，使安全風險下降至最低。

3.3開挖MISES應力分析

洞庫開挖過程中，MISES應力分布云圖變化如圖5所示(從左到右依次為第一、三、六、九、十二、十四開挖段)。

從圖5中可以看出洞庫開挖過程中圍巖應力的變化趨勢，與塑性區相對應，應力值較大處主要存在于洞庫底部兩側、兩腰及核心土周圍，對比塑性區分布圖，支護應該密切關注這些對安全有影響的關鍵位置。

3.4特征點位移分析

A,B,C,D四個特征點計算位移如表3所示。

表3 模擬特征點位移表 m

3.5模擬和實測位移分析

最后一個開挖過程數值模擬和實測下沉數據如表4所示。可以看出，除A,B,C三點誤差較小外， D點誤差達到了24.56%，模擬計算值大于實測位移值，說明開挖后測量儀器還未來得及安裝，圍巖就已經發生了一部分下沉；另一方面，雖然有限元分析計算作為一種科學、有效的方法能較為準確的預測整個開挖過程中圍巖的狀態，但由于圍巖賦存條件等的復雜性，實際施工過程中，不能完全依賴有限元分析計算。

表4 實測特征點位移表

4 結語

通過MIDAS對某地下機庫開挖過程中的豎向位移、塑性區以及等效應力進行了分析，并且對特征點處的模擬數據與實測數據進行了對比，除了極個別數據誤差較大以外，絕大部分數據都符合現場量測，證明了有限元分析計算作為一種科學的方法能有效模擬洞庫的開挖過程，但由于圍巖狀態的復雜性，實際工程中不能完全依賴有限元計算方法。

[1] 朱維申，李曉靜，郭彥雙,等.地下大型洞室群穩定性的系統性研究[J].巖石力學與工程學報，2004，23(10)：1689-1693.

[2] JTG D70—2004,公路隧道設計規范[S].

[3] JTJ 042—94,公路隧道施工技術規范[S].

[4] 況世華.隧道工程技術[M].北京：高等教育出版社,2009:79-81.

Simulationofexcavationconstructionschemeforacave

ChenQing1,2MaZhiming1LiuJie3

(1.DepartmentofMilitaryFacilities,ArmyLogisticsUniversityofPLA,Chongqing401311,China; 2.ChongqingEducationCommittee,Chongqing400020,China；3.KunmingHousingDepartmentofChengduHousingManagementBureauofXiningJointLogisticCenter,Kunming650000,China)

Vertical displacement, plastic zone and equivalent stress for a cave are analyzed by MIDAS in the process of excavation. The simulation method and software are verified on comparing the simulation results with those from experiment of a case. However, due to the complexity state of surrounding rock, the FEM can not be relied on in actual engineering.

MIDAS, cave, surrounding rock

1009-6825(2017)30-0157-03

2017-08-12

陳 慶(1975- )，男，副調研員

TU941

A