地下水封洞库明槽开挖稳定性数值模拟研究

2021-11-09贾乐鑫韩立亮

青岛理工大学学报 2021年5期

管政，贾乐鑫，韩立亮

(1.青岛理工大学土木工程学院，青岛 266525；2.中石油华东设计院有限公司，青岛 266071)

明槽是贯穿地表与施工巷道的重要部分，施工巷道入口处的稳定性与明槽稳定性有直接关系，因此明槽边坡的稳定性一直是人们关注的重点。

封永梅等[1]通过分析岩土高陡边坡弯曲倾覆破坏时形成的滑移区、叠加倾覆区和悬臂倾覆区等得出保障岩土高陡边坡稳定性的锚杆加固初始位置。郭昊天等[2]根据强度折减法的理论，采用有限元数值模拟和现场监测相结合的手段，对比分析了天然工况、开挖未支护及支护加固工况对高边坡稳定性的影响。李汉锋[3]结合某路基边坡工程应用振动力时程曲线和车辆载荷拟合公式，采用FLAC3D有限差分软件建立了数值分析模型，从加速度、位移、速度等方面研究了边坡结构的振动响应特性及其扩展规律。李梦姿等[4]基于Fredlund强度理论提出了抗拉强度包线部分截断的非饱和土非线性强度准则，建立了无限边坡在稳定渗流作用下考虑抗拉强度部分剪断的无限边坡稳定性分析方法框架，给出非线性强度包线下安全系数的求解方法。闫春玲等[5]利用FLAC离散元软件研究了铁山坪隧道围岩的稳定性。

本文依托于某地下洞库项目，基于3DEC数值模拟软件，创建明槽开挖模型，依据现场的施工顺序要求，从位移、剪应变增量与安全系数3个角度对明槽的整体稳定性进行了模拟研究。

1 数值模拟方案

地下岩土工程常涉及大规模的地层扰动，通过物理实体试验进行研究较为困难，而3DEC数值模拟技术可以在岩土工程的稳定性分析问题上得到足够精度的近似解，为明槽的设计及施工提供指导和参考。

1.1 初始模型设计

为充分研究不同截面形状分别对明槽开挖过程中的影响，结合实际情况，选取具有代表性的4个里程断面进行研究，如图1所示，分别为K0+55 m，K0+100 m，K0+160 m及K0+180 m断面。明槽初始阶段仅为一个边坡形式，随里程增加，深度逐渐增加，边坡转变为一级边坡与二级边坡共同构成，施工巷道入口处明槽深度最大值达到32 m；由于K0+180 m横断面处边坡变形受洞口仰坡影响，因此对此断面建立3D模型进行模拟研究，其余里程横断面均采用厚度为1 m的2D对称模型。由于施工扰动，地层发生应力转移，依据岩石力学相关原理，应力转移的区域大小为施工区域的3～5倍，本文在考虑计算量的基础上取3倍距离设计模型围岩体，即以开挖尺寸为基准，在X，Z方向分别延长3倍作为围岩体尺寸。

图1 模型断面

模型边界约束：数值计算模型的上部边界为自由边界，下部边界及前后左右边界为位移约束边界。各里程剖面模型尺寸见表1，不同横断面明槽围岩的岩层厚度见表2，现场不同岩层的物理力学参数见表3。

表1 不同断面计算模型尺寸

表2 不同横断面明槽围岩的岩层厚度 m

表3 不同岩层的物理力学参数

1.2 围岩监测布置

为深入分析模拟开挖过程中边坡以及底板位移的变化情况，分别选取模型地面处、坡顶、坡中心、坡底以及底板中心位置作为位移监测点，如图2所示，其中地面处监测点间距皆为1.5 m；K0+55 m剖面坡中心两测点间距为4.81 m(图2(a))；K0+100 m，K0+160 m坡中心两测点间距为1.5 m(图2(b)(c))；K0+180 m里程断面所建模型为三维立体图形，监测点布置如图2(d)所示，其中监测点5，8，22，25，15，16分别位于监测点4，9，21，26，12，13内侧1.5 m深度处，由于模型几何尺寸与模型中赋予的材料参数的对称性，下文部分断面在进行监测点数据分析时只选择左侧监测点进行分析。

图2 不同剖面测点分布

2 数值模拟结果分析

2.1 里程K0+55 m

2.1.1 开挖结果云图分析

计算结果如图3所示，数据表明，明槽开挖完成后，由于开挖的卸荷作用，使得地应力平衡的状态遭到破坏，围岩体向开挖方向产生相应的变形，来释放其内部储存的能量，导致坡面与底部均出现了隆起现象。明槽围岩出现“U”字形的分层沉降趋势，随深度的增加，位移量逐渐减小；位移变化尺度相近区域增加，同时向左右两侧延伸。底板隆起位移变化值为+0.49 mm。围岩体的剪应变增量主要表现在边坡表面与明槽底部区域，而且明槽底部区域范围大于边坡，剪应变增量最大值为2.74×10-4，出现在边坡上填土层与全风化花岗岩交接面处。

图3 开挖结果云图(K0+55 m)

2.1.2 折减过程分析

图4给出了K0+55 m横断面强度折减过程中岩土体的剪应变云图，其中Ftrial为折减系数。通过图4可以发现，随折减系数增加，剪应变增量出现的区域由坡体临空面逐渐向中间部位集中，并由此向模型地表发展贯通，最终由边坡近中间位置(距离地面2.1 m)与地表某点处(地表距离明槽临空面2.17 m)形成贯通性的弧形潜在破裂面。

图4 强度折减云图(K0+55 m)

2.1.3 监测点位移特征

K0+55 m横断面明槽开挖边坡表面监测点的位移演化规律如图5所示。开始阶段，边坡顶部位置位移变化晚于边坡底部；测点1—2位于地表，距离明槽较远，由于边坡潜在的滑移趋势，因此先沉降，后隆起；测点5—7位于明槽底部坡脚位置，位移在开始短时间内出现突增，后续基本保持稳定。因此K0+55 m里程附近明槽底部应加强支护。

图5 边坡监测点位移(K0+55 m)

2.2 里程K0+100 m

2.2.1 开挖结果云图分析

图6为明槽K0+100 m横断面开挖后竖向沉降与剪应变增量云图。通过图6可以发现，明槽围岩出现“U”字形的Z向分层沉降趋势，随深度的增加，位移量逐渐减小。由图6(a)可知明槽一级边坡的变化位移量(+0.85 mm)大于明槽底部(+0.7 mm)；由图6(b)可知，围岩体剪应变增量主要在坡脚处，最大值为2.09×10-4，下边坡位移范围大于上边坡。

图6 开挖结果云图(K0+100 m)

2.2.2 折减过程分析

图7为K0+100 m横断面强度折减过程中岩土体的剪应变云图，折减系数增加，明槽围岩体会形成从一级边坡坡脚(距离地表10.5 m)到地表的弧形滑动塑性区(图7(d))，滑动面在地面的位置距离边坡临空面6.2 m。而同时剪应变增量出现的区域由二级边坡表面逐渐向一级边坡深部发展；一级边坡坡脚同样出现剪应变增量，逐渐与二级边坡内部的剪应变区域相连通；模型不收敛时，整体呈现剪应变增量。

图7 强度折减云图(K0+100 m)

2.2.3 监测点位移特征

图8为K0+100 m横断面明槽开挖边坡表面监测点位移演化曲线。通过图8曲线规律可得知，不同测点沉降位移减小后逐渐趋于稳定，越接近坡顶测点最大位移越大，坡脚测点位移最小，同时越接近坡脚，位移增长速率越高。因此应加强对坡顶及坡脚处的支护以保证明槽边坡的稳定性。

2.3 里程K0+160 m

2.3.1 开挖结果云图分析

图9为K0+160 m断面开挖结果云图，通过图9可以看出，明槽围岩出现“U”字形的Z向分层沉降趋势，随深度的增加，位移量逐渐减小。明槽一级边坡与明槽底部均出现最大的位移+1.19 mm；围岩体一级、二级边坡均出现较大的剪应变增量区域，应加强支护。

图9 开挖结果云图(K0+160 m)

2.3.2 折减过程分析

图10为K0+160 m强度折减过程中岩土体的剪应变云图。折减系数增加，明槽围岩体在一级边坡中间、一级边坡与明槽底部首先出现剪塑性区，最终形成从一级边坡(距离地表20.5 m)到地表的弧形滑动塑性区(图10(a))，滑动面在地面的位置距离边坡临空面23 m。而同时剪应变增量首先出现在二级边坡，进而在一级边坡中间，最终形成一级边坡坡脚与地表相连通的剪应变增量滑动区(图10(c))。

图10 强度折减云图(K0+160 m)

2.3.3 监测点位移特征

图11为K0+160 m横断面明槽开挖边坡表面监测点的Z向位移演化规律。明槽开挖无支护时，不同测点沉降位移减小后逐渐趋于稳定，越接近坡顶测点沉降后最大位移越大，坡脚测点位移最小；同时越接近坡脚，位移增长速率越高。

图11 边坡监测点位移(K0+160 m)

2.4 里程K0+180 m

2.4.1 开挖结果云图分析

图12为K0+180 m位置开挖结果云图，由于围岩环境问题，横断面采用三维模式进行模拟。通过图12得到，明槽开挖时，岩土体呈凹型沉降，明槽底部出现最大位移16.67 mm；一级边坡位移在12 mm左右；二级边坡在7 mm左右；剪应变增量主要出现在明槽底部、仰坡与底部相接部位，最大值为8.17×10-4。