地下工程安全性数值模拟分析★

韩国令

(中国中铁隧道股份有限公司，河南郑州 450003)

0 引言

地下工程在21世纪发展是大趋势所在。然而，由于技术的限制、经济效益、各种人为以及自然因素的影响，地下工程的开发运用依然事故不断。地下结构中，由围岩支护这一结构体系决定地下结构的稳定性。围岩是天然的，取决于当地实际情况，支护的设计需根据围岩的情况来选择设计施工方法，以期使两者相互作用达到稳定。

本文的主要内容是基于重庆某人防工程实例为基础对某地下人防工程进行安全性的数值分析。采用有限元法，使用Midas-GTS这个软件来进行分析，分析施工过程中的应力及位移变化，观察其是否处于正常稳定状态，借此为施工设计提供必要的依据。而在施工时必须借由实际检测数据以及现场情况来判定具体的施工方法。

1 安全性数值分析

此分析以重庆某人防工程实例为基础，利用Midas-GTS软件进而得出结果，分析此人防工程的围岩情况及其安全性。

图1即是根据现场地形、围岩分布情况而制作生成的地下工程项目的工程立体图。此人防工程项目建立区域纵向分为3个围岩层，其中主通道的直径为11 m，应急通道的直径为6 m，模型几何尺寸为80 m×60 m×60 m。

我们将整个模型的施工步骤分为了36步。整个模型按照几何尺寸要求并结合实际围岩情况建立，分析施工过程中施工工序，并分析施工过程中可能产生的最大应力值以及最大位移，对可能产生最大值的区域进行相对严格的监控，从应力及位移变化来分析其稳定安全性。分析结构是否符合设计的需要、使用需要。

2 应力分析

从图2我们可以很直观的看出，除了上层的软弱覆盖图层稳定性差而造成的应力大之外，就是主通道的地面部分应力大，由此证明了开挖造成围岩稳定性变差的理论。

从图3主通道在X方向上的应力等值线，可以看出主通道的侧壁受力大，证明采用适当衬砌的必要。

从图4可以明显的看出，整个通道的受力，应急通道基本是稳定的，主通道应力在衬砌顶部，而最大应力基本集中在主通道与应急通道的连接部分，数值达到1.1 MPa，而反向则达到3.9 MPa，如果是各向最大值则会更大。我们可以理解为由于这部分形成了夹角，造成了整个通道体系的应力集中，属于易遭破坏区域。因此，在进行衬砌施工时，必须对连接部分进行严格的监控，并需要对这部分加强衬砌支护。同时我们也可以看到在主通道口有一部分很小的区域应力值要明显大于旁边的部分，这是由于断层应力的不连续，各向应力集中到一个面上而造成的，因此有必要对洞口的边坡进行整治。

图1 工程模型立体图

图2 纵向应力等值线

图3 通道X向应力等值线

图4 连接通道应力分布图

整体上，左侧位移、应力一般要大于右侧，原因是模型中洞室位置偏右，以及右侧有应急通道的洞室;就整体承载的应力而言，左侧要大于右侧，这主要是由于地应力很大一部分主要源自于自重应力。

3 现场检测

3.1 工程概况

该人防工程所在地区属于红土层区，构造剥蚀丘陵地貌。地形起伏较大，山脊与沟槽相间排列，地形总体为南高北低，地面高程375.00 m～415.00 m，相对高差约为40.00 m。总体地形坡度倾斜角约20°～30°。由于人类工程活动，场地北侧形成了高约2 m～17 m的岩质边坡，边坡总体倾向北东，坡角30°～65°，基岩裸露;在勘察区的东侧，形成了高为9 m～33.5 m的岩质边坡，坡角为15°～20°，坡面植被比较发育。场地主要底层为第四系人工填土、第四系全新统粉质及侏罗系中统沙溪庙组泥岩和砂岩互层组成。

3.2 监测工作计划

根据要求，主要监测内容包括:场地内高边坡地表变形，主坑道影响范围内地表变形。高边坡段监测重点包括水平与垂直位移测量，主坑道范围内监测重点是地表沉降。根据实际情况在已有的监测项目上增加了以下监测措施:

1)主坑道以上覆盖层地表沉降;2)高边坡地表位移;3)裂缝监测。

测点现场照片见图5。

本隧道洞口段，地质条件较差，属于重点监测地段，本监测组将断面间距定为8 m～12 m(见图6)。

图5 测点现场照片图

图6 监测断面位置示意图（单位：m）

3.3 监测数据

1号断面拱顶下沉情况见图7。

图7 1号断面拱顶下沉情况

4 总结

本文利用数值分析软件Midas-GTS针对实际工程进行理论上的稳定分析。通过分析，我们发现，此人防工程的工程危险点基本可以概括为:拱顶、拱底仰拱部位及洞室连接部位，并且小洞径的应急通道稳定性要大于主通道，也许是模型的不全面性及应急通道的影响，主洞右侧壁稳定性稍大于左侧壁。所有稳定危险点需加大监测监控力度，并像对于通道连接处这些区域应当加大支护力度。而像仰拱部位的位移变化，由于仰拱的修建会阻止位移的进一步变化，所以仰拱的修建应当尽早进行。

1)根据本监测数据得出，隧道围岩收敛较小，在安全范围内，未出现异常现象。

2)隧道地质条件较差，有软弱夹层和水存在，围岩属于三级围岩，该隧道埋深较浅，建议施工方严格控制炸药用量，尽可能减少人为施工因素对围岩的扰动和损伤，以便于充分利用围岩自承力和支护结构作用来保持整个围岩支护结构体系的稳定。

3)隧道内泥水较多，给施工和监测带来不便，拱脚处泥岩遇水易软化，岩体强度降低，易发生坍塌事故，存在较大的安全隐患，建议施工单位做好排水工作。

4)建议在初次支护中，增加拱架的架设。

现场的监测监控是针对地下工程稳定管理的主要方式。通过分析监测数据了解工程是否处于稳定安全的状态，并且在发现数据异常的情况下必须及时针对实际情况尽快采取相应的治理措施。否则一旦发生意外则将导致事故甚至整个工程的垮塌。所以，现场监测监控必须是实时监控、及时治理。

因此，我们可以判断，围岩基本处于稳定状态，支护基本可以满足支护的需要。而且，应急通道对于主通道洞室是有一定影响的，不仅在连接处的影响明显，而且对整体应力分布也会有一定影响。而通过监测数据可知，隧道围岩收敛较小，在安全范围内，未出现异常现象。隧道地质条件较差，建议施工方严格控制炸药用量，尽可能减少对围岩的扰动和损伤，以利于围岩自承力的保持和支护结构作用的发挥。

［1］ 袁方方.关于地下商业建筑的思考作者［J］.科技资讯，2009(22):74-75.

［2］ 丁 磊.浅谈隧道施工中的主要地质灾害［J］.黑龙江交通科技，2009(1):56-57.

［3］ 巴肇伦.论城市地下工程［J］.科技导报，2000(6):31-32.

［4］ 倪照鹏.国内外隧道防火技术现状及发展趋势［J］.交通世界，2003(2):44-46.

［5］ 钱七虎.中国地下工程安全风险管理的现状、问题及相关建议［J］.岩石力学与工程学报，2008(4):74-76.

［6］ 戴文亭.我国隧道及地下工程发展现状和前景展望［J］.东北公路，2000(4):39-40.

［7］ 胡振瀛.地下结构的设计与施工［J］.地下空间，1998(3):22-23.

［8］ 唐 伟.浅埋偏压双连拱隧道施工稳定性研究［D］.天津:河北工业大学，2008.

［9］ 章元爱.TBM隧道围岩稳定和支护结构受力特性研究［D］.北京:铁道科学研究院，2006.

［10］ 王 震.暗挖隧道结构荷载的力学机制与计算方法［D］.北京:北京交通大学，2010.

［11］ 李和平.隧道施工围岩稳定与适时支护［J］.民营科技，2010(5):47-48.