地下硐室開挖過程的數值模擬分析

胡德超

摘要：針對地下硐室洞頂土層自穩能力差，開挖初期變形增長較快，極易產生坍塌的特征，本文主要是利用了有限元數值模擬軟件，對地下硐室的開挖過程進行了模擬分析，其中分析的主要內容為，由于地下硐室開挖過程的施工，引起的周圍土體所產生的應變、應力、屈服區以及位移等，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.

關鍵詞：地下硐室;自穩能力;數值模擬;施工工序

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

中圖分類號：P633.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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筑物。根據圍巖的結構不同，可采用不同的分析方法。如，完整結構的巖體：彈塑性力學分析;塊狀結構巖體：塊體平衡理論分析;碎裂和松散結構巖體：松散體力學分析。

由于地下硐室洞頂土層自穩能力差，開挖初期變形增長較快，極易產生坍塌，所以采用平面應變有限元法進行地下硐室施工過程設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行了數值模擬，并對其做出了有效分析。

1? 數值模擬軟件的選取

土體應力變形分析中，由于土體的非線性、非均質以及土體的復雜邊界，引起了在分析過程中的土體的非線性問題、非均質問題和復雜邊界問題，而且這些問題都比較困難，而有限元法的突出優點就恰恰在于適用于這些困難問題。這一方法的應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定分析這一類的相關問題。

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

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，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遠小于其硐體的長度，故分析時采用的是平面應變模型。開挖分4步進行，荷載主要是土體的自重荷載。數值模擬中土體的屈服準則選用的是Mohr-Coulomb準則，從而來建立有限元模型，模型網格的劃分采用的三角形單元和四邊形單元均為9節點。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初始地應力。

2.3 評判準則

土體的有限元穩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，其基本原理是根據塑性區的連同情況、迭代計算的收斂性、應力場規律等力學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影響所導致。因此，本研究土體失穩的基本評判方法選擇的是塑性區的連通情況及關鍵點的位移突變。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，硐室的關鍵部位（如拱圈）都最好不要有拉應力的出現。對于范圍足夠小且較小的拉應力，允許出現在非關鍵部位（如側墻）。綜上，本研究的補充評判方法為非重要區域拉應力區的范圍以及主拉應力是否出現在關鍵部位。

在開挖過程中，土體不會坍塌、趨于穩定，硐體關鍵點的位移則趨于穩定或減小;否則，硐體關鍵點的位移并不穩定或增大，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、塑性區及拉應力等特征主要采用的是分部開挖這一方式來研究。以判斷洞體塑性區范圍、洞體圍巖位移變形情況以及洞體在開挖時所產生的應力分布結果，從而保證在施工期和運營期硐室的安全和穩定。采用分層開挖的方法來對硐體進行開挖，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域來劃分網格（圖2），均將初始狀態下的土體單元設置為“生”狀態;

②給模型施加重力場（圖3）;

③按照施工順序，設置擬開挖步土體單元的“殺死”時間。

3? 結果與分析

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方向的土體已經受到了擾動，產生位移，應對硐室周圍進行加固，可以采用內部襯砌和加錨桿的方式來對硐室進行加固。

3.2 應力分布

整體模型的最大剪應力分布如圖7所示。

整體模型的P1主應力分布如圖8所示。

整體模型的P3主應力分布如圖9所示。

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

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

4? 結論與展望

4.1 結論

①運用有限元分析軟件對基坑的開挖進行模擬是可行的。

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

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

4.2 展望

①在進行數值模擬過程中，地形地貌的起伏狀況、地質構造（斷層、褶皺、節理裂隙）的反映、地層巖性參數的選擇等因素很大程度上影響了數值模擬的結果。所以應建立準確而逼近實際條件的地質模型，最大限度的進行近似模擬。

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

③采用更為科學的分析方法，如可靠度分析方法和敏感性分析方法。可靠度分析方法采用概率論和數理統計方法，對輸入計算模型的參數、邊界條件、初始條件等進行處理，然后進行計算，得到結構的破壞概率與可靠度，可更為科學、真實地表現結構的安全性能。

參考文獻：

[1]高大釗，袁聚云.土質學與土力學[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]張向東，周軍霞，單春雨.ADINA在隧道開挖中的數值模擬應用[J].科學技術與工程，2007（17）：4398-4402.

[3]金學洋，李宗利.淺埋黃土隧洞施工過程數值模擬[J].西北農林科技大學學報（自然科學版），2009.

[4]俞琳.軟巖隧道開挖與支護數值分析[D].大連：大連理工大學，2003.

[5]于學馥，鄭穎人，劉懷昌，等.地下工程圍巖穩定分析[M].北京：煤炭工業出版社，1983.