基于软件模拟地下洞室稳定性计算分析

李 萌,李悠然,邓 源

(三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443000)

1 工程资料

由于平硐硐身较长，平硐内裂隙发育密集程度以及岩性有差异，而不同的岩性强度参数以及裂隙的密集程度直接影响着洞室的稳定性[1]，所以根据裂隙密集程度以及岩性的不同将平硐分为不同区域，分别进行分析。

1#施工支洞位于地下厂房1#交通洞内，但由于研究资料的限制，现只能对K0+000 ～K0+062进行分析。根据洞室的岩性，以剪切带g21以及断层F140为界，将该洞段分为两个区域，如表1。

表1 洞室分区

2 地下洞室计算分析

由于K0+000～K0+062段出现了衬砌破坏等病害，因此采用三维数值计算对其进行模拟分析。三维计算模型范围为：沿隧道轴线方向取62 m(即K0+000～K0+062段),左右两侧取洞径的4倍约40 m，下边界取洞径的6倍约60 m,隧道坡顶为实际坡度。模型共划分100 570个节点和533 400个实体单元，三维数值计算模型如图1所示。

图1 三维数值计算模型

根据围岩地质块体分析结果，对隧道稳定影响较大的主要有3个断层(F140、F3和f17)、1个剪切带(g48)和6组裂隙(T36、T24、T25、T26、T7和T9)。因而模型也对上述结构面进行了考虑，所有结构面均采用实体单元建立，根据工程地质勘察结果，F140断层宽取0.8 m，F3与f17断层宽均取0.3 m，g48剪切带宽取0.5 m，6组裂隙宽度均取为0.3 m。断层、剪切带、裂隙与施工支洞间的相对位置如图2所示。

图2 断层、剪切带以及裂隙与施工洞间相互关系

模型前边界、后边界、左边界以及右边界均施加法向约束，隧道坡顶为自由边界。

根据《清江水布垭枢纽地下厂房区地应力场及岩体力学特性研究》《清江水布垭枢纽地下厂房洞室群施工开挖与支护的优化方案分析及稳定性研究报告》《清江水布垭水利枢纽地下厂房施工期快速监测、反馈分析与围岩稳定性研究》等对地应力场的测试和反演结果[2]，计算时采用的初始应力场为：铅直方向按自重应力场施加，水平向应力取侧压系数，kx=1.0，kz=0.8。计算时不考虑蠕变效应进行模拟分析[3-4]。

岩体的本构模型采用弹塑性Mohr-Coulomb模型，采用的计算参数如表2所示。

选取三个断层、裂隙集中的研究面(K0+011、K0+021、K0+040)对隧道围岩和结构的应力、应变特征进行分析。

隧道开挖后不同断面围岩的最大主应力和最小主应力如图3所示。从图中可以看出，K0+011断面最大压应力出现在两侧边墙，最大约6.75 MPa，拱顶和底板将出现一定的拉应力，最大值约为6.33 kPa；K0+021断面最大压应力也出现在两侧边墙，最大约7.42 MPa，拱顶和底板将出现一定的拉应力，最大值约为26.77 kPa；K0+040断面拱圈范围内出现了较多的拉应力区，最大值约为24.63 MPa。

表2 围岩与支护的物理力学参数

将隧道开挖轮廓线附近拱顶、左拱脚、右拱脚、底板定义为隧道关键点，同样选取上述三个断面为研究面，三个断面竖向位移云图如图4所示，从图中可以看出，K0+011断面拱顶下沉1.56 mm，底板位移1.81 mm，左右拱脚水平位移较小；K0+021断面拱顶下沉1.76 mm，底板位移2.45 mm；K0+040断面拱顶下沉3.01 mm，底板位移2.5 mm。K0+000～K0+062隧道中K0+041断面的拱顶位移变化最大为3.01 mm。

图3 洞室开挖后不同断面应力图

图4 不同断面围岩位移图

3 结 论

对比以上分析可以看出：整个1#施工支洞受裂隙及其组合的影响较为明显，且具有较为明显的时间效应。当隧道开挖后，三个关键断面的拱顶下沉在1.56～3.01 mm范围内，拱顶部分出现的拉应力最大值约为26.77 kPa。蠕变10 a后，裂隙贯穿的拱顶部位拱顶下沉值达到了2.10～2.33 cm，且拱顶出现了约0.19～0.36 MPa范围的拉应力，极有可能造成该部位的破坏。