施工巷道入口處明槽邊坡穩定性三維分析

范曉強，孫 健，李 賽

(1.青島理工大學 理學院，青島 266525；2.中石油華東設計院有限公司，青島 266071)

隨著我國經濟建設的發展，地下空間的開發利用越來越多，尤其是地下洞庫工程[1-2]。地下工程多數采用開挖施工巷道的方式進行施工作業，而施工巷道的入口處往往采用放坡加支護的形式設計明槽，其三面邊坡的情況不同于基坑邊坡或路基邊坡，且由于開挖深度大，邊坡處的地質情況也比較復雜，邊坡工程在受到降水、凍融等環境影響后，邊坡的巖土體物理力學參數發生改變極易引發事故[3-4]，因此為防止邊坡事故，有必要進行邊坡穩定性分析。BISHOP[5]采用強度儲備的方法以安全系數分析邊坡整體穩定性；鄭穎人、趙尚毅等[6-7]采用強度折減法尋找巖土體的極限狀態，從而求解邊坡安全系數；潘昌青等[8]利用Midas GTS NX軟件對多種工況下的滑坡進行計算，并與理論計算結果對比證明了數值模擬軟件結果的可靠性；杜九博等[9]以水利工程邊坡為例證明了三維分析的結果比二維分析更準確；羅凌暉等[10]在邊坡穩定分析中考慮了成層邊坡的各向異性，從而得到了更加符合實際的計算結果。

本文以某地下工程明槽段巷道入口處的邊坡為工程背景，采用3DEC數值模擬軟件對巷道入口處的三側邊坡穩定性進行三維分析，為設計施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質概況

該工程為某地下洞庫工程，其中明槽段巷道入口開挖區域內，第四系覆蓋層厚度范圍約為0.0～4.5 m，向下有4.0～20.0 m厚度的全—強風化巖體，中風化巖體埋深范圍約為6.0～20.0 m。明槽底板以上表層由薄層第四系覆蓋；向下為6.0～10.0 m的全—強風化花崗巖，節理極發育—發育，巖體極破碎—破碎，圍巖等級主要為V級，巖體極不穩定—不穩定。明槽開挖以放坡開挖為主，采取錨網噴支護加固坡體，并設置泄水孔。明槽段巷道入口處設計斷面如圖1所示。

圖1 明槽段巷道入口設計斷面

1.2 支護設計情況

1) 石質邊坡采用錨網噴支護。錨桿直徑為25 mm，長度為4.5 m，間距為1500 mm×1500 mm；鋼筋網片為直徑8 mm的鋼筋，網格間距為150 mm×150 mm，鋼筋均采用HRB335型號。噴射C25混凝土，厚度100 mm。

2) 土質邊坡采用錨網噴支護。錨桿直徑為25 mm，長度為1.5 m，間距為1000 mm×1000 mm；鋼筋網片為直徑8 mm的鋼筋，網格間距為120 mm×120 mm，鋼筋均采用HRB335型號。噴射C25混凝土，厚度150 mm。

3) 施工巷道內采用錨網噴支護，錨桿直徑為25 mm，長度為3 m，縱環間距為500 mm×1000 mm，鋼筋網片為直徑8 mm的鋼筋，網格間距為150 mm×150 mm，鋼筋均采用HRB335型號。噴射C25混凝土，厚度為450 mm。施工巷道底板采用C25混凝土。

2 數值模擬過程

2.1 數值模擬軟件介紹

3DEC，即3 Dimension Distinct Element Code的縮寫，是一款以離散元法為基礎的針對非連續介質的三維數值程序，是在其二維版本UDEC的基礎上通過廣泛測試發展而來的。3DEC 可模擬靜態或者動態荷載作用下非連續介質(如裂隙巖體)的響應，把非連續介質看作是離散塊體的集合，間斷面作為塊體間的邊界條件，允許沿斷面產生大位移和塊體的轉動。塊體可變形可不變形，可變形的塊體將會被進一步劃分為有限元單元體，單元體與線性或非線性的應力-應變準則一一對應，非連續介質的相對運動由力-位移關系控制，與方向或線性關系無關。3DEC內置幾種對應于完整塊體和不連續體的材料模型，用于模擬非連續地質體或相似材料的響應。對于塊體系統的大變形模擬，采用基于拉格朗日算法的3DEC數值模擬軟件最為合適。

2.2 計算模型與邊界條件設置

1) 計算模型。根據巖石力學相關原理，由于施工擾動，地層由地應力平衡狀態發生應力轉移，而應力轉移的區域大小為施工區域的3～5倍，因此確定計算模型為開挖區域的 3 倍，即以開挖部分尺寸為基準，在X，Z方向分別延長2倍開挖部分尺寸作為計算模型，如表1與圖2所示。不同斷面的巖層厚度如圖3所示。

表1 計算模型尺寸 m

圖2 巷道入口處斷面計算模型

圖3 不同斷面的巖層厚度

2) 邊界條件。依據彈性力學原理，計算模型不同的邊界采用不同的約束條件：原始邊坡、開挖后邊坡以及支護后開挖邊坡數值計算模型的上部邊界為自由邊界；計算模型下部邊界為位移約束邊界，約束模型的X，Y，Z向的位移；前后左右4側邊界約束模型的X，Y向的位移。

2.3 計算參數

依據明槽與施工巷道巖土工程勘察報告(詳勘)，確定不同巖性地層圍巖力學參數，如表2所示。

表2 各巖層巖土體物理力學參數取值

2.4 開挖過程

對明槽仰坡處施工巷道開挖過程中圍巖穩定性進行分析時，對明槽施工過程進行了一定程度的簡化，但盡可能使模擬開挖過程符合實際，開挖過程如圖4所示。

第1步(圖4(a))：地應力平衡。通過對模型使用地應力平衡功能來模擬土體自然狀態下的固結沉降，從而使模型在開挖前處于天然狀態下的原始平衡，保證開挖后模型的位移、應力數值更加符合實際。加襯砌時與不加襯砌模型地應力平衡目的相同。

第2步(圖4(b)(c))：明槽開挖模擬。對開挖過程進行簡化，將臺階法開挖過程簡化為一次開挖，分別開挖二級邊坡、一級邊坡。如果明槽計算模型為有支護方案，明槽開挖的同時施工襯砌與錨桿。

第3步(圖4(d))：施工巷道開挖模擬。明槽開挖完成后，開挖施工巷道；若為有支護方案，施工巷道開挖的同時，施工襯砌與錨桿。

圖4 開挖過程模擬

3 數值模擬結果

3.1 無支護模擬結果

圖5為施工巷道無支護開挖的沉降云圖。明槽開挖完成后，由于開挖的卸荷作用，使得原本地應力平衡的狀態不再存在，圍巖體向開挖方向產生相應的變形，來釋放其內部儲存的能量，因此坡面與底部均出現了隆起現象(圖5(a))。明槽圍巖出現“U”字形的分層沉降趨勢，隨深度的增加，位移量逐漸減??；位移變化尺度相近區域增加，同時向左右兩側延伸。最大的隆起位置隨著開挖步(圖5(b)(c))由二級邊坡底部轉移到一級邊坡頂部、仰坡頂部、明槽底板等處。而施工巷道開挖后，明槽邊坡、仰坡的最大隆起值下降，仰坡的隆起趨勢逐漸轉變為巷道頂部沉降的趨勢。

圖5 無支護開挖沉降

最大主應力云圖由水平分布轉變為沿開挖部分凹型分布(圖6)，基本平行于邊坡坡面，這是由開挖卸載的影響造成的，巷道入口上方明顯大于兩側邊坡。最大主應力受巖土自身重力的原因隨深度的增加逐漸增大，應力主要為壓應力。

圖6 無支護開挖最大主應力

圖7為施工巷道無支護開挖的剪應變增量云圖。明槽二級邊坡開挖完成后，圍巖體向開挖方向產生相應的變形，來釋放其內部儲存的能量，仰坡、邊坡坡腳出現較大的剪應變增量，尤其是仰坡的坡腳(圖7(a))；明槽一級邊坡開挖后，圍巖體繼續向開挖方向產生相應的位移；巷道開挖后，巷道頂部二級邊坡坡腳會出現較大的薄弱區域(圖7(c))。

圖7 無支護開挖剪應變增量

3.2 加支護模擬結果

圖8為施工巷道有支護開挖的沉降云圖。開挖過程中增加支護后，明槽圍巖依然出現“U”字形的分層沉降趨勢，隨深度的增加，位移量逐漸減??；位移變化尺度相近區域增加，同時向左右兩側延伸，見圖8(c)。支護前后圍巖的豎向變形趨勢基本一致，不同點在于支護前施工巷道圍巖頂部出現明顯沉降，而支護后沉降明顯減小。

圖8 有支護開挖豎向位移

圖9為施工巷道有支護開挖的最大主應力云圖。仰坡坡腳等位置主要表現為拉應力，最大值為1.4 MPa，在巷道拱肩處也出現拉應力最大值；而壓應力主要表現在一級、二級邊坡坡腳等處，最大值為2.05 MPa。對比無支護開挖的最大主應力云圖可以發現，最大主應力得到了明顯的改善。

圖9 有支護開挖最大主應力

圖10為施工巷道開挖增加支護時的剪應變增量云圖。施工過程中，增加支護結構后，原本在二級邊坡坡腳等處出現的剪應變增量薄弱區域明顯減小(圖10(c))。支護結構對開挖過程中圍巖體的剪應變增長過程有明顯的改善效果。支護結構施工后，巷道上方的仰坡圍巖較大區域的剪應變增量(圖7(c))轉變為巷道頂板前段很小區域(圖10(c))，效果明顯。

圖10 有支護開挖剪應變增量

圖11為仰坡施工巷道有支護開挖過程中錨桿和襯砌結構的位移和受力云圖。施工巷道開挖后(圖11(c))，錨桿位移最大的位置在二級邊坡底部；巷道圍巖的錨桿位移并不大，頂板附近錨桿位移最大。錨桿受力最大的位置依舊位于巷道頂板附近，為10.33 kN的壓力(圖11(f))。襯砌結構最大位移發生在一級邊坡頂部和巷道頂部等，最大值為1.25 mm(圖11(i))。整體來看，支護結構的應力分布以壓應力為主，僅在巷道頂部仰坡附近出現局部拉應力，最大壓應力值為4.75 MPa，最大拉應力值為1.26 MPa。

圖11 錨桿及襯砌受力

4 結束語

在全風化及強風化地層中進行明槽段巷道入口處的分級邊坡開挖時，開挖區域豎向位移呈“U”字形的分層沉降趨勢，仰坡、邊坡坡腳出現較大的剪應變增量；施加支護后錨桿及襯砌有效限制了邊坡土體的位移，剪應變增量薄弱區域明顯減小。支護結構受力以壓應力為主，拉應力影響不大。

明槽及巷道在不同的開挖時期不同的開挖位置，危險區域亦有所不同，結合數值模擬的結果來看，二級邊坡開挖后由于坡度較緩，支護時可適當增加錨桿間距，減少錨桿的使用量；一級邊坡開挖后由于邊坡頂部鼓出，屬于危險部位，應重點注意，加強防護；施工巷道開挖后，巷道頂部應力及變形較大，也屬于重點防護部位。