基于ABAQUS 數值模擬的硐室圍巖安全性評價

劉慶濤 姜元杰 王 曄 冀 東 仇 革

（1、青島市勘察測繪研究院，山東 青島266032 2、青島巖土工程技術研究中心，山東 青島266032 3、青島海泊爾建設工程檢測有限公司，山東 青島266032）

1 概述

近年來，隨著城市建設的發展使得大量的人防干道被重新規劃利用，目前人防干道大都建造于20 世紀60、70 年代，地下洞室圍巖的穩定性及安全性是影響各類工程建設的重要問題。根據查閱資料，大量學者對中深部硐室群的穩定性及影響因素做了研究[1]。目前用于地下洞室圍巖支護的研究方法主要是工程類比和經驗法[2]。陳雨等[3]以某采礦隧道為研究對象，采用理論分析、數值模擬、現場實驗相結合的手段，對地下硐室的穩定性和變形做出了較為準確的預測。劉林等[4]采用FLAC3D 軟件，對某煤礦巷道未通過斷層和通過斷層的圍巖穩定性進行了數值模擬。本工程采用ABAQUS 作為主要分析手段來計算分析主洞室擴挖對洞室群穩定性的影響。

2 工程背景

某人防干道主干道分為東西和南北兩段，其中東西段長208 米左右，主洞寬8.6 米左右，高5～6 米；南北段長115 米，主洞寬8 米左右，高5～6 米。目前洞室基本保持穩定，東西和南北主干道的拱部和邊墻局部存在明顯的貫通裂隙。主要干道拱頂埋深36～70 米左右，局部出地面長支洞最小埋深18 米左右。

本次硐室數值模擬按照最不利因素考慮，分別選取了洞室尺寸較大、受斷裂帶影響較大的北側干道群進行數值模擬分析。

3 有限元模型的建立

3.1 有限元模型的建立

計算模型如圖1 所示，通過地形圖擬合出山體形態，選取北側干道、硐室為研究對象。南北向干道走向約NW15°，根據調查，共揭露6 條呈北東向構造破碎帶穿過硐室和干道，詳見圖2。

3.2 計算單元及參數的選取

本次模擬中的山體圍巖、干道及硐室采用8 結點六面體單元和6 結點四面體單元的3D 混合網格結構，噴混采用梁板單元的2D 混合網格結構，錨桿采用植入式桁架的1D 混合網格結構。計算模型中材料的物理力學參數如表1 所示。

表1 1 計算模型中材料的物理力學參數表

4 不同工況下硐室圍巖數值模擬分析

4.1 無支護措施的干道圍巖穩定性

4.1.1 最大剪應力

干道和硐室開挖后，原來山體的應力狀態被打破，應力發生重新分布，應力發生變化的部位主要在硐室周圍，最大剪應力出現的位置為干道和硐室的交接處，易形成應力集中，發生破壞。根據計算，最大剪應力大值出現在硐室和干道形狀交接處，應力集中，因破碎帶發育，洞室易出現邊墻失穩掉塊的現象，最大剪應力云圖詳見圖2。

圖2 最大剪應力云圖（南北向剖切至硐室）

圖3 Z 方向位移云圖（大值位于硐室頂部和底部）

圖4 安全系數等值線云圖（安全系數1.97～5.00）

圖5 安全系數等值線云圖（安全系數2.08～5.00）

4.1.2 Z 方向位移云圖

干道和硐室的Z 方向位移云圖如圖3所示，+ 的位移值表示隆起，- 值表示沉降，硐室頂部下沉最大值為3.84mm，硐底隆起最大值為2.76mm。由計算位移云圖結果可知，硐室的頂面和底面變形較大。

4.1.3 安全系數

通過安全系數1.97～5.00 的等值線云圖4 可知，最危險的易失穩部位位于干道邊墻和硐室四周，干道安全儲備不夠。

4.2 采取支護措施的干道圍巖穩定性

通過圖5 安全系數等值線云圖可知，采用噴混和錨桿對圍巖進行支護后，硐室和Ⅳ2 類圍巖干道的頂部、底部安全系數有顯著提高。

5 結論

5.1 從數值模擬分析，目前洞室基本處于穩定的狀態，但局部安全系數較小，不利長期穩定使用。

5.2 建議在構造發育及圍巖穩定性較差的Ⅳ類圍巖段進行錨噴處理，在Ⅲ級圍巖段進行掛網噴護處理，在斷裂帶發育段對斷裂帶以及其他圍巖的交界部位進行小導管注漿加固處理，對松動巖體進行清除或加固，以確保地下建構筑物整體的穩定。