基于有限元模擬的隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

李 莉，王永峰，王玉廣，賈軍明，邵姝文

（1.青島市人民防空工程質(zhì)量監(jiān)管站，山東 青島 266071；2.青島市人民防空辦公室，山東 青島 266071；3.青島市建筑材料研究所有限公司，山東 青島 266011；4.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 青島 266033）

隧道工程作為基礎(chǔ)建設(shè)中的重要組成部分，對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重大推動作用。隧道是一種埋置于地下的隱蔽結(jié)構(gòu)，多數(shù)位于地質(zhì)工況較為復(fù)雜的地區(qū)，因此施工過程中不可避免地會出現(xiàn)許多不確定因素；再加上隧道施工管理中有諸多不便，施工方法的滯后使隧道施工過程存在較大風(fēng)險。另外，在隧洞施工過程中，常會遇到復(fù)雜的巖體內(nèi)部地質(zhì)環(huán)境，如剪切帶、裂縫、斷層等，這些地質(zhì)環(huán)境容易造成巖體內(nèi)部的不連續(xù)性，易形成塊體導(dǎo)致塌方[1-2]。特別是對于二次改造的隧道工程，除了應(yīng)關(guān)注巖體內(nèi)部地質(zhì)環(huán)境對隧道工程施工安全的影響，經(jīng)二次改造的隧道工程隧洞群自身穩(wěn)定性及新開挖隧洞群的穩(wěn)定性更值得關(guān)注。因此，研究經(jīng)二次改造隧洞群的穩(wěn)定性對保證工程安全具有重大意義。

近年來，為了尋找更可靠的方法保證隧道穩(wěn)定，眾多學(xué)者在穩(wěn)定性方面開展了大量的科學(xué)研究。Yan X L等[3]以隧道形狀、深度、跨度為變量，對隧道圍巖的支梁模型及橢圓板模型進(jìn)行了修正，并對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了討論。謝琪等[4]以南寧市地鐵隧道某區(qū)間為研究背景，利用三維彈塑性有限元法分析研究了溶洞數(shù)量及排列方式對隧道穩(wěn)定性的影響。田衛(wèi)明[5]利用FLAC 3D軟件，針對不同工法下施工階段的雙連拱隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，研究結(jié)果表明，中導(dǎo)洞法與三導(dǎo)洞法相比開挖次數(shù)較少、整體變形小、圍巖穩(wěn)定性好。

目前，研究多集中在隧道自身因素及不同施工工法對隧道穩(wěn)定性的影響上，對于二次開挖對隧洞群穩(wěn)定性的影響及爆破震動對相鄰隧洞群穩(wěn)定性的研究較少。因此，文章以青島龍山商業(yè)街?jǐn)U建工程為背景，利用有限元數(shù)值分析方法對龍山人防工程建立有限元模型進(jìn)行分析計算，分析研究二次改造對隧洞群關(guān)鍵施工斷面的合理性。研究結(jié)果將對人防改建工程的施工方式及隧洞支護(hù)提供理論支撐，進(jìn)一步推動人防改建工程的建設(shè)。

1 工程背景

青島市龍山商業(yè)街?jǐn)U建工程為大型地下商場工程，位于青島市信號山下，建筑面積約2500m2。商場服役年限較長，安全度要求高，但由于硐體跨度較大，圍巖地質(zhì)條件較差，支護(hù)設(shè)計又是在原有工程的開挖基礎(chǔ)上進(jìn)行的，加上施工技術(shù)的影響，在硐室施工過程中曾發(fā)生大面積的坍塌事故。其工程平面如圖1所示。王劍波[6]曾在硐室施工過程中按照《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50086—2015）規(guī)定，確定了此地段圍巖屬Ⅳ類圍巖，硐體屬淺埋非自穩(wěn)性硐體，應(yīng)進(jìn)行必要的支護(hù)與加固。在對圍巖穩(wěn)定性分級的基礎(chǔ)上，王劍波[7]對施工過程中的硐室提出了采取先拱后墻及長錨索、短錨桿，以錨為主，雙拱加固圍巖，個別地段加以鋼纖維噴射硂等一系列加固支護(hù)方案。采用此加固支護(hù)方案，在隧洞施工過程中并沒有出現(xiàn)大面積的塌方冒頂事故，施工完畢后該工程質(zhì)量檢驗符合標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計牢固可靠、經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)良。

圖1 工程平面圖

現(xiàn)業(yè)主準(zhǔn)備將隧道進(jìn)行局部擴(kuò)挖，二次改造成地下停車庫。由于此工程在硐室施工開挖過程中曾發(fā)生過塌方事故，因此進(jìn)行二次改造施工時，隧洞群穩(wěn)定性成為工程重點關(guān)注問題。

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)青島市龍山商業(yè)街?jǐn)U建工程勘察設(shè)計資料及國家標(biāo)準(zhǔn)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50218—2014）對隧洞群各分區(qū)圍巖分級，如表1所示。根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG D70/2—2014）各級圍巖的物理力學(xué)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)得到該工程隧洞各分區(qū)圍巖物理力學(xué)參數(shù)，如表2所示。

表1 青島龍山人防工程隧洞群各分區(qū)圍巖分級表

表2 青島龍山人防工程隧洞群各分區(qū)圍巖物理力學(xué)參數(shù)表

2.2 隧洞斷面

根據(jù)《青島市龍山商業(yè)街?jǐn)U建工程硐室群布置圖》，隧洞穩(wěn)定性分析共選擇1-1剖面、2-2剖面和3-3剖面3個剖面進(jìn)行分析，平面布置如圖2所示，其選取原則主要是依據(jù)工程擾動區(qū)和擬定開挖區(qū)的穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇。從圖2中可以看到,1-1剖面除包括原已存在的A區(qū)和D區(qū)外，還橫剖了C區(qū)的新開挖區(qū)段，選取此剖面主要是考慮了新開挖隧洞對兩側(cè)原有隧洞結(jié)構(gòu)的不利及整體穩(wěn)定性影響；2-2剖面主要選取了C區(qū)擴(kuò)挖部分的斷面，2-2剖面的選取主要是為了分析擴(kuò)挖區(qū)段隧洞是否滿足結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性要求；而3-3剖面主要選取了B區(qū)擴(kuò)挖部分?jǐn)嗝妫ㄒ步蠦1區(qū)），此剖面的選取同樣是為了分析新擴(kuò)挖隧洞的整體穩(wěn)定性是否滿足要求。

圖2 隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算剖面選取的平面布置圖

2.3 數(shù)值模型的建立

各剖面有限元數(shù)值模型網(wǎng)格圖如圖3所示。

圖3 各剖面有限元數(shù)值模型網(wǎng)格圖

3 隧洞穩(wěn)定性

3.1 隧洞既有條件的穩(wěn)定性評判

由有限元模擬分析結(jié)果可得，在既有條件下3個剖面（1-1剖面、2-2剖面、3-3剖面）中的A區(qū)隧洞、B區(qū)隧洞、C區(qū)隧洞、D區(qū)隧洞的隧洞周圍安全度均大于1.3，故A-D區(qū)隧洞在隧洞既有條件下整體穩(wěn)定性均滿足要求。

3.2 無支護(hù)開挖條件下的穩(wěn)定性

通過分析比較1-1剖面、2-2剖面、3-3剖面在無支護(hù)開挖條件下的安全度分布圖、位移場、圍巖應(yīng)力場評定各隧洞在無支護(hù)開挖條件下的穩(wěn)定性。由有限元分析模擬得到的圍巖應(yīng)力分布圖可得如下結(jié)論：

（1）1-1剖面的C區(qū)新開挖區(qū)段洞頂應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力，除了拱腳壓應(yīng)力高達(dá)約5MPa，其余部位壓應(yīng)力數(shù)值分布在1.5MPa左右；由位移場分布圖可得洞頂位移可達(dá)5mm左右；安全度分布圖則表明，各隧洞洞頂及邊墻洞周安全度均在1.3以下，且有局部安全度分布在1.0左右，表明隧洞呈現(xiàn)不安全狀態(tài)，隧洞整體穩(wěn)定性不滿足要求。D區(qū)隧洞為既有隧洞，雖D區(qū)隧洞的圍巖應(yīng)力分布在2MPa左右、洞頂位移在1mm左右、安全度分布在1.0～1.3，但由于主要分析新建隧洞的穩(wěn)定性，故D區(qū)隧洞在無支護(hù)開挖條件下可認(rèn)為穩(wěn)定性滿足要求。A區(qū)隧洞同樣為既有隧洞，且此隧洞的圍巖應(yīng)力分布在2MPa左右、洞頂位移在1mm以下、安全度大于1.3，故此隧洞呈現(xiàn)安全狀態(tài)且穩(wěn)定性滿足要求。

（2）2-2剖面在無支護(hù)開挖條件下圍巖應(yīng)力分布在1.5MPa左右，洞頂位移分布在1mm以下，且隧洞周圍安全度均大于1.3，故2-2剖面中C區(qū)新擴(kuò)挖部分在無支護(hù)開挖條件下隧洞呈現(xiàn)安全狀態(tài)。

（3）3-3剖面B區(qū)擴(kuò)挖后隧洞狀態(tài)與1-1剖面中C區(qū)新開挖區(qū)段情況相似，隧洞洞頂呈現(xiàn)壓應(yīng)力且數(shù)值分布在1.8MPa左右，洞頂位移同樣高達(dá)5mm，洞周安全度大多小于1.3且存在局部小于1.0區(qū)域，故B區(qū)擴(kuò)挖后隧洞呈現(xiàn)不安全狀態(tài)。

4 隧洞加固處理方案

通過對無支護(hù)開挖條件下各剖面安全度分布圖、位移場、圍巖應(yīng)力場的分析得出1-1剖面的C區(qū)新開挖區(qū)段及3-3剖面的B區(qū)擴(kuò)挖區(qū)段的隧洞穩(wěn)定性不滿足要求?；诖耍恼绿岢鼍哂嗅槍π缘闹ёo(hù)方案以解決由于隧洞開挖改造引發(fā)的穩(wěn)定性不足現(xiàn)象。1-1剖面的C區(qū)新開挖區(qū)段及3-3剖面的B區(qū)擴(kuò)挖區(qū)段均采用噴層混凝土強(qiáng)度等級為C25、噴層厚度為25cm、錨桿長度為3m且尺寸為1m×1m@28的噴錨支護(hù)方案。

采用上述噴錨支護(hù)方案后，通過有限元分析得到1-1剖面、3-3剖面在此支護(hù)條件下的位移場、安全度分布圖、圍巖應(yīng)力場。1-1剖面C區(qū)新開挖區(qū)段在噴錨支護(hù)條件下拱腳部位圍巖壓應(yīng)力達(dá)5MPa，其余部位壓應(yīng)力為2MPa左右，洞頂位移由5mm降至3mm左右。洞頂及邊墻部位的安全度為1.0～1.3，但不安全區(qū)域均在噴錨支護(hù)范圍內(nèi)，故1-1剖面C區(qū)新擴(kuò)挖部位在噴錨支護(hù)條件下處于穩(wěn)定狀態(tài)。3-3剖面在噴錨支護(hù)條件下圍巖應(yīng)力在2.5MPa左右，洞頂位移處于2mm以下，洞周安全度有1.3以下區(qū)域且存在局部小于1.0區(qū)域，但不穩(wěn)定區(qū)域范圍縮小且不穩(wěn)定區(qū)域均在噴錨支護(hù)范圍內(nèi)，故3-3剖面B區(qū)擴(kuò)挖部位在噴錨支護(hù)條件下呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論

文章通過對青島市龍山商業(yè)街?jǐn)U建工程關(guān)鍵施工斷面圍巖的穩(wěn)定性分析，得到以下結(jié)論：

（1）在隧洞既有條件下，各剖面（1-1剖面、2-2剖面、3-3剖面）的A～D區(qū)隧洞的洞周安全度均在1.3以上，各隧洞在既有條件下均呈現(xiàn)穩(wěn)定安全狀態(tài)。

（2）在無支護(hù)開挖條件下，1-1剖面中，安全度分布圖表明隧道洞頂及邊墻安全度均在1.3以下，局部在1.0左右，呈現(xiàn)不安全狀態(tài)；2-2剖面中，C區(qū)擴(kuò)挖后洞周安全度均大于1.3，該斷面在無支護(hù)開挖條件下呈安全狀態(tài)；而3-3剖面B區(qū)擴(kuò)挖隧洞在無支護(hù)開挖條件下多數(shù)區(qū)域安全度在1.3以下，且存在局部安全度在1.0以下的區(qū)域，C區(qū)擴(kuò)挖部分在無支護(hù)開挖條件下呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）文章對于1-1剖面C區(qū)新開挖區(qū)域及3-3剖面B區(qū)擴(kuò)挖區(qū)域在無支護(hù)開挖條件下洞周呈現(xiàn)不安全狀態(tài)采用噴錨支護(hù)方式。采用此方式后，兩處不穩(wěn)定區(qū)域均位于噴錨支護(hù)內(nèi)，以此保證了所有施工斷面的安全穩(wěn)定性。