地下硐室开挖过程的数值模拟分析

胡德超

摘要：针对地下硐室洞顶土层自稳能力差，开挖初期变形增长较快，极易产生坍塌的特征，本文主要是利用了有限元数值模拟软件，对地下硐室的开挖过程进行了模拟分析，其中分析的主要内容为，由于地下硐室开挖过程的施工，引起的周围土体所产生的应变、应力、屈服区以及位移等，得出较为合理的施工工序与施工方法，从而指导工程施工。

Abstract： In view of the poor self-stability of the top layer of the underground cavity， the deformation at the initial stage of excavation grows rapidly and is prone to collapse. This paper mainly uses the finite element numerical simulation software to carry out the simulation analysis of the excavation process of the underground cavity. The main content of the analysis is to gain the reasonable construction procedures and construction methods due to the strain， stress， yielding area and displacement of the surrounding soil caused by the construction of the underground cavity excavation process， thereby guiding the construction of the project.

关键词：地下硐室;自稳能力;数值模拟;施工工序

Key words： underground cavity;self-stability;numerical simulation;construction process

中图分类号：P633.7                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）18-0198-03

0  引言

地下硐室（underground cavity）是指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的构筑物。根据围岩的结构不同，可采用不同的分析方法。如，完整结构的岩体：弹塑性力学分析;块状结构岩体：块体平衡理论分析;碎裂和松散结构岩体：松散体力学分析。

由于地下硐室洞顶土层自稳能力差，开挖初期变形增长较快，极易产生坍塌，所以采用平面应变有限元法进行地下硐室施工过程设计计算显得尤为重要。本文采用大型有限元软件对地下硐室施工过程进行了数值模拟，并对其做出了有效分析。

1  数值模拟软件的选取

土体应力变形分析中，由于土体的非线性、非均质以及土体的复杂边界，引起了在分析过程中的土体的非线性问题、非均质问题和复杂边界问题，而且这些问题都比较困难，而有限元法的突出优点就恰恰在于适用于这些困难问题。这一方法的应用就能较好的解决这些困难，从而能更好的研究边坡处理稳定分析这一类的相关问题。

本文所采用的有限元分析软件出现于上个世纪70年代，它的理论基础为有限元理论，固体力学、结构力学。其温度场问题的数值解的获得主要是通过求解力学线性、非线性方程组的方式。如今，本文采用的这一软件应用范围越来越广，包括科学研究在内的各个行业的工程仿真分析，以及大专院校的各个领域，同时也逐渐被多数人所接受。本文就是选用了这一软件来对地下硐室的开挖过程进行数值模拟。

2  模型分析及模拟方案

2.1 基本资料

本工程共有3类地层，地层A、地层B和地层C。其中，地层A与地层B之间为夹层A，地层B与地层C之间为夹层B。夹层倾角为45°，分布于硐室两侧，洞顶埋深为185米。硐室宽度为10米，高度为13.5米，半圆拱半径为5米。

2.2 模型分析

由于硐体横断面的高度和宽度远远小于其硐体的长度，故分析时采用的是平面应变模型。开挖分4步进行，荷载主要是土体的自重荷載。数值模拟中土体的屈服准则选用的是Mohr-Coulomb准则，从而来建立有限元模型，模型网格的划分采用的三角形单元和四边形单元均为9节点。同时，本文没有考虑地下水这一因素对其的影响，但考虑了硐室开挖前的土体内初始地应力。

2.3 评判准则

土体的有限元稳定性分析这一方法属于有限变形分析法的范畴。在研究岩土的稳定性时，往往采用有限变形分析这一方法，其基本原理是根据塑性区的连同情况、迭代计算的收敛性、应力场规律等力学特征以及位移的突变性来判断。迭代收敛性不完全是由于塑性区太大这一因素造成的，影响迭代收敛性的因素有很多，比如，可能是选取的分析参数影响所导致。因此，本研究土体失稳的基本评判方法选择的是塑性区的连通情况及关键点的位移突变。与此同时，由于土体这种材料抗拉能力非常小，整体破坏可能是由于某些局部的拉裂导致的，而且依靠自身维持平衡的硐室，不管在正常使用还是在施工开挖时，硐室的关键部位（如拱圈）都最好不要有拉应力的出现。对于范围足够小且较小的拉应力，允许出现在非关键部位（如侧墙）。综上，本研究的补充评判方法为非重要区域拉应力区的范围以及主拉应力是否出现在关键部位。

在开挖过程中，土体不会坍塌、趋于稳定，硐体关键点的位移则趋于稳定或减小;否则，硐体关键点的位移并不稳定或增大，则会引起坍塌事故。其中，洞顶、拱脚、地面等位置为关键点，拱脚以向洞外水平位移为正，拱顶和地面位移则以向下沉为正。

2.4 模拟方案

本文主要应用了有限元软件的生死单元功能，硐室开挖过程中的变形、塑性区及拉应力等特征主要采用的是分部开挖这一方式来研究。以判断洞体塑性区范围、洞体围岩位移变形情况以及洞体在开挖时所产生的应力分布结果，从而保证在施工期和运营期硐室的安全和稳定。采用分层开挖的方法来对硐体进行开挖，自上而下分为4层，整个硐室断面从上到下分4步开挖（图1）。

采用生死单元模拟开挖的具体步骤如下：

①针对施工过程中的模擬区域来划分网格（图2），均将初始状态下的土体单元设置为“生”状态;

②给模型施加重力场（图3）;

③按照施工顺序，设置拟开挖步土体单元的“杀死”时间。

3  结果与分析

3.1 位移变化

整体模型Y、Z方向位移云图如图5、图6所示。

由图5和图6可知，Y、Z方向的土体已经受到了扰动，产生位移，应对硐室周围进行加固，可以采用内部衬砌和加锚杆的方式来对硐室进行加固。

3.2 应力分布

整体模型的最大剪应力分布如图7所示。

整体模型的P1主应力分布如图8所示。

整体模型的P3主应力分布如图9所示。

通过对硐室周围的最大剪应力、P1主应力和P3主应力的分析可知，硐室两侧的剪应力较大、而洞顶与洞底的剪应力分布相对较小;整体模型的P1主应力分布的比较均匀;而在硐室的两侧，P3主应力分布较小，在洞顶与洞底P3主应力较大需要，结合所学的知识，需要对模型尤其是在洞顶进行加固，衬砌并加锚杆，以维持其自身和周围岩体的稳定性。

但是，在设置施加锚杆对硐室周围岩土体进行加固时应注意，锚杆的极限抗拔力随锚固长度的增加呈线性增长，且和锚固数量之间的关系也是如此。并且极限抗拔力的线性增长是有一定界限的，从而产生了临界锚固长度这一概念，当极限抗拔力超过这一临界值后，其增加的速度趋于缓慢。当极限抗拔力超过承载力极限值时，由于其数值增加带来的硐室周围土体稳定性的增加并不会呈线性的提高，而且这种稳定性效果的增加非常有限。综上，通过大幅度的增加锚杆数量来提高硐室周围的土体稳定性这种方法是不合理的，应根据数值模拟分析的结果在硐室周围的适当位置设置合适数量的锚杆。

4  结论与展望

4.1 结论

①运用有限元分析软件对基坑的开挖进行模拟是可行的。

②本文通过应用有限元分析软件建立了地下硐室数值分析模型，对硐室的开挖施工，分别从Y、Z方向的位移、应力的分布2个方面，分析了开挖过程对硐体稳定性的影响。通过对整体模型的数值分析，我们可以根据开挖过程中形成的不同方向的位移，最大剪应力及P1、P3主应力的分布，来对实际硐室的开挖与支护方法进行调整，从而确定出最终的切实可行的支护方案。

③数值模拟这一方法也存在着一些缺陷，其中的初始地应力仅仅考虑了自重应力这一方面，而没有将构造应力考虑进去，所以在针对具体工程时，对初始地应力的计算所需要的围岩参数，应通过现场的原位试验来测试获取。

4.2 展望

①在进行数值模拟过程中，地形地貌的起伏状况、地质构造（断层、褶皱、节理裂隙）的反映、地层岩性参数的选择等因素很大程度上影响了数值模拟的结果。所以应建立准确而逼近实际条件的地质模型，最大限度的进行近似模拟。

②采用耦合分析的方法。场的耦合：如大坝或滑坡稳定性验算考虑水的影响因素时，可先进行渗流场的求解;然后将渗流场叠加到重力场或应力场中，再进行稳定计算。

③采用更为科学的分析方法，如可靠度分析方法和敏感性分析方法。可靠度分析方法采用概率论和数理统计方法，对输入计算模型的参数、边界条件、初始条件等进行处理，然后进行计算，得到结构的破坏概率与可靠度，可更为科学、真实地表现结构的安全性能。

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