基于軟件模擬地下洞室穩(wěn)定性計(jì)算分析

李 萌,李悠然,鄧 源

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443000)

1 工程資料

由于平硐硐身較長(zhǎng)，平硐內(nèi)裂隙發(fā)育密集程度以及巖性有差異，而不同的巖性強(qiáng)度參數(shù)以及裂隙的密集程度直接影響著洞室的穩(wěn)定性[1]，所以根據(jù)裂隙密集程度以及巖性的不同將平硐分為不同區(qū)域，分別進(jìn)行分析。

1#施工支洞位于地下廠房1#交通洞內(nèi)，但由于研究資料的限制，現(xiàn)只能對(duì)K0+000 ～K0+062進(jìn)行分析。根據(jù)洞室的巖性，以剪切帶g21以及斷層F140為界，將該洞段分為兩個(gè)區(qū)域，如表1。

表1 洞室分區(qū)

2 地下洞室計(jì)算分析

由于K0+000～K0+062段出現(xiàn)了襯砌破壞等病害，因此采用三維數(shù)值計(jì)算對(duì)其進(jìn)行模擬分析。三維計(jì)算模型范圍為：沿隧道軸線方向取62 m(即K0+000～K0+062段),左右兩側(cè)取洞徑的4倍約40 m，下邊界取洞徑的6倍約60 m,隧道坡頂為實(shí)際坡度。模型共劃分100 570個(gè)節(jié)點(diǎn)和533 400個(gè)實(shí)體單元，三維數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 三維數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)圍巖地質(zhì)塊體分析結(jié)果，對(duì)隧道穩(wěn)定影響較大的主要有3個(gè)斷層(F140、F3和f17)、1個(gè)剪切帶(g48)和6組裂隙(T36、T24、T25、T26、T7和T9)。因而模型也對(duì)上述結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了考慮，所有結(jié)構(gòu)面均采用實(shí)體單元建立，根據(jù)工程地質(zhì)勘察結(jié)果，F(xiàn)140斷層寬取0.8 m，F(xiàn)3與f17斷層寬均取0.3 m，g48剪切帶寬取0.5 m，6組裂隙寬度均取為0.3 m。斷層、剪切帶、裂隙與施工支洞間的相對(duì)位置如圖2所示。

圖2 斷層、剪切帶以及裂隙與施工洞間相互關(guān)系

模型前邊界、后邊界、左邊界以及右邊界均施加法向約束，隧道坡頂為自由邊界。

根據(jù)《清江水布埡樞紐地下廠房區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)及巖體力學(xué)特性研究》《清江水布埡樞紐地下廠房洞室群施工開(kāi)挖與支護(hù)的優(yōu)化方案分析及穩(wěn)定性研究報(bào)告》《清江水布埡水利樞紐地下廠房施工期快速監(jiān)測(cè)、反饋分析與圍巖穩(wěn)定性研究》等對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的測(cè)試和反演結(jié)果[2]，計(jì)算時(shí)采用的初始應(yīng)力場(chǎng)為：鉛直方向按自重應(yīng)力場(chǎng)施加，水平向應(yīng)力取側(cè)壓系數(shù)，kx=1.0，kz=0.8。計(jì)算時(shí)不考慮蠕變效應(yīng)進(jìn)行模擬分析[3-4]。

巖體的本構(gòu)模型采用彈塑性Mohr-Coulomb模型，采用的計(jì)算參數(shù)如表2所示。

選取三個(gè)斷層、裂隙集中的研究面(K0+011、K0+021、K0+040)對(duì)隧道圍巖和結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變特征進(jìn)行分析。

隧道開(kāi)挖后不同斷面圍巖的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力如圖3所示。從圖中可以看出，K0+011斷面最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在兩側(cè)邊墻，最大約6.75 MPa，拱頂和底板將出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力，最大值約為6.33 kPa；K0+021斷面最大壓應(yīng)力也出現(xiàn)在兩側(cè)邊墻，最大約7.42 MPa，拱頂和底板將出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力，最大值約為26.77 kPa；K0+040斷面拱圈范圍內(nèi)出現(xiàn)了較多的拉應(yīng)力區(qū)，最大值約為24.63 MPa。

表2 圍巖與支護(hù)的物理力學(xué)參數(shù)

將隧道開(kāi)挖輪廓線附近拱頂、左拱腳、右拱腳、底板定義為隧道關(guān)鍵點(diǎn)，同樣選取上述三個(gè)斷面為研究面，三個(gè)斷面豎向位移云圖如圖4所示，從圖中可以看出，K0+011斷面拱頂下沉1.56 mm，底板位移1.81 mm，左右拱腳水平位移較小；K0+021斷面拱頂下沉1.76 mm，底板位移2.45 mm；K0+040斷面拱頂下沉3.01 mm，底板位移2.5 mm。K0+000～K0+062隧道中K0+041斷面的拱頂位移變化最大為3.01 mm。

圖3 洞室開(kāi)挖后不同斷面應(yīng)力圖

圖4 不同斷面圍巖位移圖

3 結(jié) 論

對(duì)比以上分析可以看出：整個(gè)1#施工支洞受裂隙及其組合的影響較為明顯，且具有較為明顯的時(shí)間效應(yīng)。當(dāng)隧道開(kāi)挖后，三個(gè)關(guān)鍵斷面的拱頂下沉在1.56～3.01 mm范圍內(nèi)，拱頂部分出現(xiàn)的拉應(yīng)力最大值約為26.77 kPa。蠕變10 a后，裂隙貫穿的拱頂部位拱頂下沉值達(dá)到了2.10～2.33 cm，且拱頂出現(xiàn)了約0.19～0.36 MPa范圍的拉應(yīng)力，極有可能造成該部位的破壞。