地下水封洞庫明槽開挖穩定性數值模擬研究

管 政，賈樂鑫，韓立亮

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

明槽是貫穿地表與施工巷道的重要部分，施工巷道入口處的穩定性與明槽穩定性有直接關系，因此明槽邊坡的穩定性一直是人們關注的重點。

封永梅等[1]通過分析巖土高陡邊坡彎曲傾覆破壞時形成的滑移區、疊加傾覆區和懸臂傾覆區等得出保障巖土高陡邊坡穩定性的錨桿加固初始位置。郭昊天等[2]根據強度折減法的理論，采用有限元數值模擬和現場監測相結合的手段，對比分析了天然工況、開挖未支護及支護加固工況對高邊坡穩定性的影響。李漢鋒[3]結合某路基邊坡工程應用振動力時程曲線和車輛載荷擬合公式，采用FLAC3D有限差分軟件建立了數值分析模型，從加速度、位移、速度等方面研究了邊坡結構的振動響應特性及其擴展規律。李夢姿等[4]基于Fredlund強度理論提出了抗拉強度包線部分截斷的非飽和土非線性強度準則，建立了無限邊坡在穩定滲流作用下考慮抗拉強度部分剪斷的無限邊坡穩定性分析方法框架，給出非線性強度包線下安全系數的求解方法。閆春玲等[5]利用FLAC離散元軟件研究了鐵山坪隧道圍巖的穩定性。

本文依托于某地下洞庫項目，基于3DEC數值模擬軟件，創建明槽開挖模型，依據現場的施工順序要求，從位移、剪應變增量與安全系數3個角度對明槽的整體穩定性進行了模擬研究。

1 數值模擬方案

地下巖土工程常涉及大規模的地層擾動，通過物理實體試驗進行研究較為困難，而3DEC數值模擬技術可以在巖土工程的穩定性分析問題上得到足夠精度的近似解，為明槽的設計及施工提供指導和參考。

1.1 初始模型設計

為充分研究不同截面形狀分別對明槽開挖過程中的影響，結合實際情況，選取具有代表性的4個里程斷面進行研究，如圖1所示，分別為K0+55 m，K0+100 m，K0+160 m及K0+180 m斷面。明槽初始階段僅為一個邊坡形式，隨里程增加，深度逐漸增加，邊坡轉變為一級邊坡與二級邊坡共同構成，施工巷道入口處明槽深度最大值達到32 m；由于K0+180 m橫斷面處邊坡變形受洞口仰坡影響，因此對此斷面建立3D模型進行模擬研究，其余里程橫斷面均采用厚度為1 m的2D對稱模型。由于施工擾動，地層發生應力轉移，依據巖石力學相關原理，應力轉移的區域大小為施工區域的3～5倍，本文在考慮計算量的基礎上取3倍距離設計模型圍巖體，即以開挖尺寸為基準，在X，Z方向分別延長3倍作為圍巖體尺寸。

圖1 模型斷面

模型邊界約束：數值計算模型的上部邊界為自由邊界，下部邊界及前后左右邊界為位移約束邊界。各里程剖面模型尺寸見表1，不同橫斷面明槽圍巖的巖層厚度見表2，現場不同巖層的物理力學參數見表3。

表1 不同斷面計算模型尺寸

表2 不同橫斷面明槽圍巖的巖層厚度 m

表3 不同巖層的物理力學參數

1.2 圍巖監測布置

為深入分析模擬開挖過程中邊坡以及底板位移的變化情況，分別選取模型地面處、坡頂、坡中心、坡底以及底板中心位置作為位移監測點，如圖2所示，其中地面處監測點間距皆為1.5 m；K0+55 m剖面坡中心兩測點間距為4.81 m(圖2(a))；K0+100 m，K0+160 m坡中心兩測點間距為1.5 m(圖2(b)(c))；K0+180 m里程斷面所建模型為三維立體圖形，監測點布置如圖2(d)所示，其中監測點5，8，22，25，15，16分別位于監測點4，9，21，26，12，13內側1.5 m深度處，由于模型幾何尺寸與模型中賦予的材料參數的對稱性，下文部分斷面在進行監測點數據分析時只選擇左側監測點進行分析。

圖2 不同剖面測點分布

2 數值模擬結果分析

2.1 里程K0+55 m

2.1.1 開挖結果云圖分析

計算結果如圖3所示，數據表明，明槽開挖完成后，由于開挖的卸荷作用，使得地應力平衡的狀態遭到破壞，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，導致坡面與底部均出現了隆起現象。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。底板隆起位移變化值為+0.49 mm。圍巖體的剪應變增量主要表現在邊坡表面與明槽底部區域，而且明槽底部區域范圍大于邊坡，剪應變增量最大值為2.74×10-4，出現在邊坡上填土層與全風化花崗巖交接面處。

圖3 開挖結果云圖(K0+55 m)

2.1.2 折減過程分析

圖4給出了K0+55 m橫斷面強度折減過程中巖土體的剪應變云圖，其中Ftrial為折減系數。通過圖4可以發現，隨折減系數增加，剪應變增量出現的區域由坡體臨空面逐漸向中間部位集中，并由此向模型地表發展貫通，最終由邊坡近中間位置(距離地面2.1 m)與地表某點處(地表距離明槽臨空面2.17 m)形成貫通性的弧形潛在破裂面。

圖4 強度折減云圖(K0+55 m)

2.1.3 監測點位移特征

K0+55 m橫斷面明槽開挖邊坡表面監測點的位移演化規律如圖5所示。開始階段，邊坡頂部位置位移變化晚于邊坡底部；測點1—2位于地表，距離明槽較遠，由于邊坡潛在的滑移趨勢，因此先沉降，后隆起；測點5—7位于明槽底部坡腳位置，位移在開始短時間內出現突增，后續基本保持穩定。因此K0+55 m里程附近明槽底部應加強支護。

圖5 邊坡監測點位移(K0+55 m)

2.2 里程K0+100 m

2.2.1 開挖結果云圖分析

圖6為明槽K0+100 m橫斷面開挖后豎向沉降與剪應變增量云圖。通過圖6可以發現，明槽圍巖出現“U”字形的Z向分層沉降趨勢，隨深度的增加，位移量逐漸減小。由圖6(a)可知明槽一級邊坡的變化位移量(+0.85 mm)大于明槽底部(+0.7 mm)；由圖6(b)可知，圍巖體剪應變增量主要在坡腳處，最大值為2.09×10-4，下邊坡位移范圍大于上邊坡。

圖6 開挖結果云圖(K0+100 m)

2.2.2 折減過程分析

圖7為K0+100 m橫斷面強度折減過程中巖土體的剪應變云圖，折減系數增加，明槽圍巖體會形成從一級邊坡坡腳(距離地表10.5 m)到地表的弧形滑動塑性區(圖7(d))，滑動面在地面的位置距離邊坡臨空面6.2 m。而同時剪應變增量出現的區域由二級邊坡表面逐漸向一級邊坡深部發展；一級邊坡坡腳同樣出現剪應變增量，逐漸與二級邊坡內部的剪應變區域相連通；模型不收斂時，整體呈現剪應變增量。

圖7 強度折減云圖(K0+100 m)

2.2.3 監測點位移特征

圖8為K0+100 m橫斷面明槽開挖邊坡表面監測點位移演化曲線。通過圖8曲線規律可得知，不同測點沉降位移減小后逐漸趨于穩定，越接近坡頂測點最大位移越大，坡腳測點位移最小，同時越接近坡腳，位移增長速率越高。因此應加強對坡頂及坡腳處的支護以保證明槽邊坡的穩定性。

2.3 里程K0+160 m

2.3.1 開挖結果云圖分析

圖9為K0+160 m斷面開挖結果云圖，通過圖9可以看出，明槽圍巖出現“U”字形的Z向分層沉降趨勢，隨深度的增加，位移量逐漸減小。明槽一級邊坡與明槽底部均出現最大的位移+1.19 mm；圍巖體一級、二級邊坡均出現較大的剪應變增量區域，應加強支護。

圖9 開挖結果云圖(K0+160 m)

2.3.2 折減過程分析

圖10為K0+160 m強度折減過程中巖土體的剪應變云圖。折減系數增加，明槽圍巖體在一級邊坡中間、一級邊坡與明槽底部首先出現剪塑性區，最終形成從一級邊坡(距離地表20.5 m)到地表的弧形滑動塑性區(圖10(a))，滑動面在地面的位置距離邊坡臨空面23 m。而同時剪應變增量首先出現在二級邊坡，進而在一級邊坡中間，最終形成一級邊坡坡腳與地表相連通的剪應變增量滑動區(圖10(c))。

圖10 強度折減云圖(K0+160 m)

2.3.3 監測點位移特征

圖11為K0+160 m橫斷面明槽開挖邊坡表面監測點的Z向位移演化規律。明槽開挖無支護時，不同測點沉降位移減小后逐漸趨于穩定，越接近坡頂測點沉降后最大位移越大，坡腳測點位移最??；同時越接近坡腳，位移增長速率越高。

圖11 邊坡監測點位移(K0+160 m)

2.4 里程K0+180 m

2.4.1 開挖結果云圖分析

圖12為K0+180 m位置開挖結果云圖，由于圍巖環境問題，橫斷面采用三維模式進行模擬。通過圖12得到，明槽開挖時，巖土體呈凹型沉降，明槽底部出現最大位移16.67 mm；一級邊坡位移在12 mm左右；二級邊坡在7 mm左右；剪應變增量主要出現在明槽底部、仰坡與底部相接部位，最大值為8.17×10-4。

圖12 開挖結果云圖(K0+180 m)

2.4.2 折減過程分析

圖13為K0+180 m橫斷面強度折減過程中巖土體的剪應變云圖。明槽圍巖體在明槽底部、仰坡與一級邊坡三者交接部位出現剪應變；折減系數增加，一級邊坡與明槽底部交接面處的剪應變增量增加；交接面與邊坡平臺、邊坡平臺與地表出現潛在的貫通性剪應變增量。

圖13 強度折減云圖(K0+180 m)

2.4.3 監測點位移特征

圖14為K0+180 m橫斷面明槽開挖邊坡與仰坡表面監測點的Z向位移演化規律。明槽開挖邊坡時(圖14(a))，不同測點隆起位移先增加后逐漸趨于穩定，越接近坡底的測點最終隆起位移越大。明槽開挖仰坡時(圖14(b))，靠近仰坡底部的隆起位移偏大，明槽開挖后逐漸趨于穩定。

圖14 邊坡監測點位移(K0+180 m)

2.5 整體位移及安全系數分析

表4中坡頂1表示明槽開挖后邊坡頂部測點與地層沉降影響區域邊界在X向距離；坡頂2表示邊坡頂部在地表處監測點的豎向位移；平臺1在K0+55 m斷面中表示邊坡與明槽底部的交接處監測點的豎向位移，在其他三個斷面表示二級邊坡與平臺的交接處的豎向位移；平臺2表示平臺與一級邊坡頂部的交接處的豎向位移。

表4 各斷面模擬結果數據

從不同監測點得到的數據來看，明槽開挖圍巖體豎向位移均處于正向增加，明槽底板也處于底鼓狀態；巖土體強度折減安全系數均高于《建筑邊坡工程技術規范》(GB 50330—2013)[6]要求的邊坡穩定最低安全系數，因此支護前后明槽邊坡土體均處于安全狀態。

3 結論

1) 明槽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，坡面與底部均出現了隆起現象。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。

2) 折減系數增加，剪應變增量出現的區域由坡體臨空面逐漸向中間部位集中，并由此向模型地表發展貫通，最終由邊坡近中間位置與地表某點處形成貫通性的弧形潛在破裂面，應加強支護。

3) 施工過程嚴格按照明槽尺寸設計方案施工，基本不會出現明槽邊坡的整體失穩，但明槽底部、一級邊坡底部、平臺等處，為明槽的相對危險點，需要注意明槽邊坡的局部失穩現象。