基于ABAQUS 数值模拟的硐室围岩安全性评价

刘庆涛 姜元杰 王 晔 冀 东 仇 革

（1、青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛266032 2、青岛岩土工程技术研究中心，山东 青岛266032 3、青岛海泊尔建设工程检测有限公司，山东 青岛266032）

1 概述

近年来，随着城市建设的发展使得大量的人防干道被重新规划利用，目前人防干道大都建造于20 世纪60、70 年代，地下洞室围岩的稳定性及安全性是影响各类工程建设的重要问题。根据查阅资料，大量学者对中深部硐室群的稳定性及影响因素做了研究[1]。目前用于地下洞室围岩支护的研究方法主要是工程类比和经验法[2]。陈雨等[3]以某采矿隧道为研究对象，采用理论分析、数值模拟、现场实验相结合的手段，对地下硐室的稳定性和变形做出了较为准确的预测。刘林等[4]采用FLAC3D 软件，对某煤矿巷道未通过断层和通过断层的围岩稳定性进行了数值模拟。本工程采用ABAQUS 作为主要分析手段来计算分析主洞室扩挖对洞室群稳定性的影响。

2 工程背景

某人防干道主干道分为东西和南北两段，其中东西段长208 米左右，主洞宽8.6 米左右，高5～6 米；南北段长115 米，主洞宽8 米左右，高5～6 米。目前洞室基本保持稳定，东西和南北主干道的拱部和边墙局部存在明显的贯通裂隙。主要干道拱顶埋深36～70 米左右，局部出地面长支洞最小埋深18 米左右。

本次硐室数值模拟按照最不利因素考虑，分别选取了洞室尺寸较大、受断裂带影响较大的北侧干道群进行数值模拟分析。

3 有限元模型的建立

3.1 有限元模型的建立

计算模型如图1 所示，通过地形图拟合出山体形态，选取北侧干道、硐室为研究对象。南北向干道走向约NW15°，根据调查，共揭露6 条呈北东向构造破碎带穿过硐室和干道，详见图2。

3.2 计算单元及参数的选取

本次模拟中的山体围岩、干道及硐室采用8 结点六面体单元和6 结点四面体单元的3D 混合网格结构，喷混采用梁板单元的2D 混合网格结构，锚杆采用植入式桁架的1D 混合网格结构。计算模型中材料的物理力学参数如表1 所示。

表1 1 计算模型中材料的物理力学参数表

4 不同工况下硐室围岩数值模拟分析

4.1 无支护措施的干道围岩稳定性

4.1.1 最大剪应力

干道和硐室开挖后，原来山体的应力状态被打破，应力发生重新分布，应力发生变化的部位主要在硐室周围，最大剪应力出现的位置为干道和硐室的交接处，易形成应力集中，发生破坏。根据计算，最大剪应力大值出现在硐室和干道形状交接处，应力集中，因破碎带发育，洞室易出现边墙失稳掉块的现象，最大剪应力云图详见图2。

图2 最大剪应力云图（南北向剖切至硐室）

图3 Z 方向位移云图（大值位于硐室顶部和底部）

图4 安全系数等值线云图（安全系数1.97～5.00）

图5 安全系数等值线云图（安全系数2.08～5.00）

4.1.2 Z 方向位移云图

干道和硐室的Z 方向位移云图如图3所示，+ 的位移值表示隆起，- 值表示沉降，硐室顶部下沉最大值为3.84mm，硐底隆起最大值为2.76mm。由计算位移云图结果可知，硐室的顶面和底面变形较大。

4.1.3 安全系数

通过安全系数1.97～5.00 的等值线云图4 可知，最危险的易失稳部位位于干道边墙和硐室四周，干道安全储备不够。

4.2 采取支护措施的干道围岩稳定性

通过图5 安全系数等值线云图可知，采用喷混和锚杆对围岩进行支护后，硐室和Ⅳ2 类围岩干道的顶部、底部安全系数有显著提高。

5 结论

5.1 从数值模拟分析，目前洞室基本处于稳定的状态，但局部安全系数较小，不利长期稳定使用。

5.2 建议在构造发育及围岩稳定性较差的Ⅳ类围岩段进行锚喷处理，在Ⅲ级围岩段进行挂网喷护处理，在断裂带发育段对断裂带以及其他围岩的交界部位进行小导管注浆加固处理，对松动岩体进行清除或加固，以确保地下建构筑物整体的稳定。