浅谈地下洞室围岩稳定性及对拟建物基础的影响

刘兴强

摘要：随着可持续发展战略的提出，地下工程的开发和利用显得尤为重要。地下洞室围岩稳定性是整个工程中的关键问题，现今对地下洞室围岩稳定性研究的分析方法有很多，为了明确各种研究方法的优缺点以及适用范围，本文分析了地下洞室对建筑物基础相互作用影响。

关键词：地下洞室；围岩稳定性；建物基础的影响

修建地铁、地下步行街等地下交通设施以分流地面交通是缓解地面交通巨大压力的措施之一。建设过程中将有可能引起建筑物地基的变形，地基变形下的建筑物上部结构与基础作为整体共同工作、共同变形，势必会对建筑上部结构和基础造成不利影响。

一、地下洞室围岩稳定性的定性分析方法

地下洞室围岩稳定性的定性分析可分为整体稳定性分析和局部稳定性分析两个方面。洞室整体稳定性评价的方法主要有经验类比法和岩体结构分析法；局部稳定性分析方法主要有块体稳定性赤平投影分析法、实体比例投影分析法和块体结构的矢量解析方法。

1.经验类比法。主要包括有成因的历史分析法、工程地质类比法、专家系统等方法，这些方法进行洞室稳定性分析与设计是一个定性的研究过程，其结论是一种比较客观的评价标准，同时也为定量分析提供了判定依据。工程地质类比法是根据拟建地下洞室的工程地质条件、岩体特性和动态观测资料，结合具有类似条件的已建工程，从工程地质的角度对围岩的各种差异进行概括、简化和归纳，然后加以分类，从而结合工程特征定性地判断工程区岩体的稳定性，取得相应的资料进行稳定性计算。对围岩分类的基本要求是类别明确，便于使用，能够体现已有的工程经验和认识。

2.岩体结构分析法。岩体结构分析法的理论基础是赤平极射投影和实体比例投影。将赤平极射投影和实体比例投影相结合，既可以通过作图方法求得不稳定块体在岩体中的具体分布位置、几何形状、体积和重量，确定其滑动方向、滑动面及其面积；也可以进行空间共点力系的合成和分解，对结构体在自重力和工程力作用下的稳定性进行分析计算。由于该方法较其它分析法显得简单、直观，且易于在计算机实现，因此，在岩体工程中应用很广。

3.块体稳定性赤平投影分析。赤平(极射)投影是一种球面投影。利用这种投影方法可以很方便地表达空间线状或面状物体的方向和相互之间的角度关系，20世纪60年代以后该方法才逐渐被引入工程地质研究领域用来解决岩体结构问题。早期主要应用于岩体结构面的统计和结构面的表达，后来陆续提出了结构体形态和结构面组合关系的赤平投影分析。

4.实体比例投影法。实体比例投影法是研究直线、平面以及由平面围成的块体在一定比例尺的平面图上构成影像的规律和作图的一种图解法。它应用正投影(垂直投影)的原理和方法，并与赤平投影相配合，根据野外填图或地质断面实测的结构面产状和分布位置，通过作图，求取结构面的组合交线、组合的平面，以及由组合的平面和直线围成的结构体的几何形状和规模、分布位置和方向等，用平面投影表示块体立体几何关系。实体比例投影法与赤平投影法相结合，可以通过作图方法求出结构体在工程岩体中的具体分布位置、它的几何形状、体积和重量；确定其滑动方向、滑动面及其面积；也可以进行空间共点力系的合成和分解，对结构体在自重力和工程力作用下的稳定性进行分析计算。

5.块体结构的矢量解析法。块体理论矢量运算法是分析岩质边坡稳定性的有效方法。该方法计算结果准确，通过分析结构面的空间位置关系和相应块体的几何参数和物理参数，可准确的寻找目标块体和可能的滑动方向。这为岩质边坡的加固设计提供了可靠的依据。基于块体理论的某些假定，在工程应用中，可结合场地条件和岩体的自身变形等因素进行综合评价。

二、地下洞室影响下的相互作用数值分析

在本研究中采用有限元软件ANSYS进行数值分析，研究地下工程开挖影响下的上部结构与基础的共同作用。

1.模型的建立。根据实测资料建一幢10层框架结构办公楼模型，柱距为7.2m，主体长36.0m，宽为15.3m，建筑主体高度36.6m，电梯间顶高43.8m，基础为桩基础，建筑物平面布置（见图1）。地基为中风化泥岩，弹性模量为1600MPa，泊松比为0.33，内摩擦角为30°，黏结力为400kPa。混凝土均采用C30，泊松比为0.17，抗拉强度为2MPa，抗压强度为22MPa。Ⅰ级钢筋的弹性模量为2.1×105MPa，泊松比为0.27，抗拉强度为210MPa。Ⅱ级钢筋的弹性模量为2.0×105MPa，泊松比为0.26，抗拉强度为310MPa。梁的纵向配筋率为0.01；柱的纵向配筋率为0.15；由于隧道截面的中心线位于地基模型的右边缘，因此在模型中仅能看到隧道的一半（见图2），隧道的截面尺寸（见图2）放大图。为了避免由于地基土大变形引起建筑物过早破坏坍塌，在隧道内部施加0.1MPa的力作为表示隧道的支护力。

图2地下工程对建筑影响分析模型

2.计算结果的分析。（1）地下工程对基础的影响。地下工程开挖前的建筑物作为荷载作用在地基上。在地下工程开挖前的初始不均匀性是由建筑物本身刚度不均匀性和基础的非绝对刚度性引起的。地下工程的开挖使得沉降的不均匀性更趋严重。地基向隧道所在的位置变形，建筑物在自重产生的偏心荷载作用下，产生了附加倾覆力矩，基础和梁柱内均产生了附加应力，基底的承压力出现重新分布，靠近隧道部位的基底反力小于远离隧道部位的，建筑物整体向隧道方向倾斜。进一步分析发现，由于地基变形过大，桩基础的刚度比较大，其变形小于地基的变形，基础与地基之间个别部分出现相互脱离现象。在基础中，底板没有出现裂缝，裂缝仅出现在基础顶板中轴线即裂缝出现在基础顶板中部和远离隧道部分的基础顶板中，靠近隧道部分无裂缝产生。出现这种现象的原因是由于地下工程引起的地基土的变形，导致建筑物基础靠近隧道一侧出现比远离隧道一侧较大的沉降，在上部结构的荷重和自身强度作用下，柱脚产生角位移并出现裂缝。（2）地下工程影响下基础与上部结构的相互作用。地下工程开挖后，基础的变形导致上部结构局部出现裂缝。由于基础的变形对上部结构产生了附加应力，在此情况下该附加应力是使上部结构出现裂缝的主要原因，随着层数的增加，基础变形对上部结构的影响渐渐集中在中间部位。由模拟结果和对结果的数值分析可知，上部结构和基础作为一个整体在抵抗变形的过程中，梁的作用大于柱的作用，每层梁均对抑制变形有作用，能够联结各柱，使其成为整体，并且约束建筑物的整体变形；而柱对变形的约束作用主要体现在柱脚处，柱脚抑制梁端和桩基础顶板及底板的变形。然而，在无地下工程影响的情况下，柱对基础变形的约束作用却大于梁的作用，且随着层数的增高，梁的作用变小。

近年来，有关岩石破坏、失稳、突变的分叉与混沌研究，也为围岩失稳分析提供了新的理论方法。随着计算科学及相关学科的进一步发展，其理论计算结果将更具有实际意义。要对洞室围岩稳定性问题有比较全面、深入的认识，就必须依照实际情况，从专业的思维定势中解脱出来，用系统的方法加以研究。

参考文献

[1]朱晓小.地下大型硐室群稳定性的系统性研究[J].岩石力学与工程学报，2017，23：1689-1693.

[2]陈媛.大跨度高边墙地下硐室群围岩稳定性评价及支护方案的系统工程地质研究[D].成都：成都理工大学档案馆，2017