安全质量建 筑 技 术 开 发
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Safety and Quality
Building Technology Development
第48卷第6期
2021年3月
对于隧道开挖，首先要考虑其对围岩的影响，不同断面形状的隧道开挖引起的围岩变形和应力分布存在很大差异，因此对不同形状的隧道在施工后围岩的稳定性进行分析比较非常有意义。 目前国内外施工过程中常用的隧道断面形状有圆形、椭圆形和马蹄形等，本文运用FLAC 3D 软件对这3种断面形状隧道在开挖后围岩的应力分布、塑性区范围等进行系统的分析比较，以判定隧道的设计形状对隧道工程的影响，得出对围岩扰动最小的最优断面形状。
1 计算模型相关参数的确定
假定开挖的隧道围岩为理想的弹塑性介质，具有均匀的各向同性特征，只施加岩土体的自重应力。建立的模型尺寸为100 m ×100 m ×20 m （长×宽×高），设定不同形状隧洞的开
挖面积都为314.15 m 2
，埋深为50 m ，开挖隧道时采用全断面开挖法，围岩的物理力学参数见表1。
表1 围岩的物理力学参数
材料类别体积模量/Pa 剪切模量/
Pa 摩擦角/
℃粘聚力/Pa 抗拉强度/
Pa 参数
2×108
1×108
25
4×105
1.5×105
2 数值模拟计算分析
2.1 圆形断面隧道开挖后围岩的稳定性分析
图1、图2是在FLAC 3D 软件中模拟圆形断面隧道开挖后围岩的最大主应力与最小主应力分布图。如图1、图2所示，在圆形隧道开挖后围岩都是受压的，且应力分布较对称，隧道拱顶的最大压应力为1.07 MPa ，隧道拱底的最大压应力为1.67 MPa
。
图1
圆形隧道围岩的最大主应力（计算机截图）
图2 圆形隧道围岩的最小主应力（计算机截图）
在FLAC 3D 软件中模拟圆形断面隧道开挖后的塑性区分布如图3所示，在圆形隧道开挖后围岩的塑性破坏通常发生在隧道周围，且分布较均匀，洞底塑性区的范围略大于洞顶，隧洞左右两侧塑性区略大于其他部位，围岩塑性区体积为2.848×103 m 3。
2.2 椭圆形断面隧道开挖后围岩的稳定性分析
在FLAC 3D 软件中模拟椭圆形断面隧道开挖后围岩的最大主应力与最小主应力分布如图4、图5所示，在椭圆形隧道开挖后围岩都是受压的，且围岩的应力分布较均匀，隧道拱顶的最大压应力为0.58 MPa ，隧道拱底的最大压应力为 1.82 MPa 。
［摘 要］针对施工过程中常见的圆形、椭圆形和马蹄形这3种断面形状隧道，利用FLAC 3D 软件在相同的围岩条件下进行了隧道开挖的数值模拟，通过对隧道四周围岩的应力分布、塑性区范围等结果进行分析比较，得出圆形断面隧道是对围岩扰动最小的最优断面形状隧道。［关键词］施工过程；隧道开挖；数值模拟；稳定性分析［中图分类号］TU43；U451.2 ［文献标志码］B ［文章编号］1001–523X （2021）06–0136–03
Stability Analysis of Tunnel Surrounding Rock under Different
Cross-section Shapes based on FLAC 3D
Zhang Jian-guo ，Zhang Ying ，Chen Yun-bin ，Zhang Qin-lei
［Abstract ］Aiming at the three common cross-section shapes of circle ，oval ，horseshoe ，and pear shape during tunnel construction ，the numerical simulations of tunnel excavation are carried out with FLAC 3D software under the same surrounding rock conditions. By analyzing and comparin
g the results of the stress distribution and plastic zone range of the surrounding rocks ，it is concluded that the tunnel with a circular cross-section is the optimal cross-section tunnel with the least disturbance to the surrounding rock.
［Keywords ］construction process ；tunnel excavation ；numerical simulation ；stability analysis 基于FLAC 3D 在不同断面形状下
隧道围岩的稳定性分析
张建国1，张 营2，陈允斌1，张钦雷1
（1.山东正元建设工程有限责任公司，济南 250101；2.济南工程职业技术学院，济南 250200）
收稿日期：2020–10–24作者简介： 张建国（1982—），男，山东东营人，高级工程师，主要研究
方向为岩土工程。
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图3
圆形隧道围岩的塑性区（计算机截图）图4
椭圆形隧道围岩的最大主应力（计算机截图）
图5 椭圆形隧道围岩的最小主应力（计算机截图）
在FLAC 3D 软件中模拟椭圆形断面隧道开挖后的塑性区分布如图6所示。从塑性区分布图中可看出，在椭圆形隧道开挖后围岩的塑性区主要分布在隧道拱底及两侧壁，隧道拱底没有塑性区，围岩的破坏区域主要发生在两侧拱的中间部位，塑性区的体积达到3.558×103 m 3
。
图6 椭圆形隧道围岩的塑性区（计算机截图）
2.3 马蹄形断面隧道开挖后围岩的稳定性分析
在FLAC 3D 软件中模拟马蹄形断面隧道开挖后围岩的最大主应力与最小主应力分布如图7、图8所示，在马蹄形断面隧道开挖后，其周围围岩应力分布差异比较明显，上部圆拱及两侧直墙附近应力分布较均匀，主要受到压应力作用，下底板处主要受到拉应力作用，最大拉应力分布在底板中部，达到6.66×104 Pa
，且左右下侧拱脚部位容易发生应力集中。
图7
马蹄形隧道围岩的最大主应力（计算机截图）
图8 马蹄形隧道围岩的最小主应力（计算机截图）m.pire
活在春天里在FLAC 3D 软件中模拟马蹄形断面隧道开挖后的塑性区分布如图9所示，在椭圆形隧道开挖后围岩的颜面骨折
塑性区主要分布在隧道拱底及两侧壁，隧道拱底没有塑性区，围岩的破坏区域主要发生在两侧拱的中间部位，塑性区的体积达到3.488×103 m 3
。
图9 马蹄形隧道围岩的塑性区（计算机截图）
3 不同断面形状隧道围岩变形关键点的分析
不同断面形状隧道围岩变形关键点应力和塑性区体积见表2。
表2 不同断面形状隧道围岩变形关键点的
应力和塑性区的统计
断面形状拱顶最大主应力/MPa
拱底最大主应力/MPa
塑性区体积×103/m 3
圆形 1.07 1.67 2.848椭圆形0.58 1.82 3.558马蹄形
1.21
1.15
3.488
对图1~图9、表1、表2进行分析，对圆形、椭圆形和马蹄形这3种常见形状的隧道在开挖后，隧道周围应力分布和塑性区分布进行比较，可得出。
（1）椭圆形断面隧道围岩塑性区主要集中在隧道拱底及两侧壁，隧道拱底没有塑性区，围岩的破坏区域主要发生在两侧拱的中间部位。
（2）马蹄形断面隧道围岩的塑性区范围小于椭圆形断面，但容易在隧道拱底及两侧壁的相交处发生应力集中，有较大破坏，上部圆拱部位应力分布均匀，塑性区较小。
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（3）圆形断面隧道塑性区范围在所有形状断面中都是最小的，且应力分布均匀，圆形断面是稳定性最好的断面形状。
4 结束语
本文运用FLAC 3D 软件对施工过程中常见的圆形、椭圆
形和马蹄形这3种断面形状隧道进行开挖后的数值模拟分析，并分别对隧道围岩应力及塑性区进行分析比较，得出椭圆形和马蹄形断面隧道的塑性区最大，马蹄形隧道拱底与两侧壁相交处容易发生应力集中，圆形和梨形断面隧道的塑性区最小，洞周应力分布较为均匀。因此在同一围岩下相同开挖面积及埋深时，圆形断面隧道是对围岩扰动最小的最优断面形状
隧道。碳纤维布
参考文献
[1] 徐东强，张永谭，李晨，等.公路隧道最优开挖方法探讨分析[J].公路，2017（5）：242–248.[2] 高德莲.超大规模地下铁路车站与隧道过渡段复杂结构数值建模及施工方案优化[D].北京：北京交通大学，2012.[3] 颜勤.互通式地下立交隧道施工力学研究及方案优化[D].重庆：重庆大学，2007.[4] 郝付成.合理开挖地下洞室洞形初探[J].市政技术，2005（6）：59–61.[5] 张明，孙思奥，李仲奎.地下厂房布置优化及施工过程的显式有限差分法数值模拟[J].岩石力学与工程学报，2008（S2）：3760–3767.
在社会发展建设过程中，安全问题不可避免。我国工业化进程的加快，城市大规模的发展，地上建筑物越来越密集，传统的地上交通已无法满足日常的生活需求，城市地下轨道交通的发展迅速展开。在城市轨道交通建设过程中，必然会对周边的建筑物或构筑物产生一定的影响，尤其是地下管网的安全问题，如给排水管道的破裂引发的水灾、电缆管线的破坏引起的供电故障、燃气管道破裂引起的燃气泄漏等，因此对城市埋地管线安全风险评价尤为重要。 危机管理专家根据目前城市发展的进程及城市各类埋地管线的现状，与国内外相关研究成果相结合，埋地管线从设计、施工到运行使用的全过程中影响其安全的因素有：第三方破坏因素、管网的设计或施工失误、管线的腐蚀问题等[1–4]。其中，第三方破坏因素和管线的腐蚀问题是埋地管线后期运行中影响管线安全
的主要因素，第三方破坏影响因素是管线在运行中不
可避免的因素，而管线的腐蚀与管线的使用环境影响关联较多，本文将重点研究引起城市埋地管线安全问题的第三方破坏因素，确定因素集的权重，依据可拓学原理，建立节域物元、关联度，确定在第三方破坏因素下城市埋地管线的安全等级。
1 城市埋地管线的破坏因素
管线的第三方破坏是指由非管道员工的行为引起的管线破坏[4]。在管线的安全工作中，外部因素引起管线的破坏占管线使用周期内安全破坏因素的比例较大。例如，管线管理的相关部门监督与管理的缺失，公众对管线的安全保护意识模糊，盲目施工，环境因素等都会对城市埋地管线的安全性产生一定的影响。因此，将城市埋地管线第三方破坏因素分为以下 4个方面：公共教育、管道与设施、环境因素与管理水平[3, 4]。1.1 公共教育
公共教育的影响，主要是以人为主体的影响范畴。对于城市埋地管线，或其他建筑物及构筑物而言，人的主观保护意识非常重要，这也体现了人文素养的水平。公共教育因素主要体现在周边居民的文化水平与其对公共建筑的保护意识、
［摘 要］在城市建设过程中，建筑物与构筑物的安全问题始终占据首位，城市埋地管线的安全问题
日益严峻。重点探讨城市埋地管线第三方破坏因素对埋地管线的影响，利用模糊层次分析法，确定因素集，建立判断矩阵并进行各因素的权重求解，通过可拓学原理建立节域物元、关联度和等级评价体系，对计算结果进行等级评价，得出在第三方破坏因素影响下城市埋地管线的安全风险等级，所得到的结论对埋地管线施工的安全问题有一定的指导意义。［关键词］埋地管线；模糊层次分析法；可拓学；第三方破坏因素［中图分类号］TU 990.3 ［文献标志码］A ［文章编号］1001–523X （2021）06–0138–03
Research on Safety Risk Assessment of Urban Buried Pipelines
Wang Su-ping
［Abstract ］In the process of urban construction ，the safety problems of buildings and structures always occupy the first place ，and the safety problems of urban buried pipelines are becoming more and more serious. The article focuses on the influence of third-party damage factors of urban buried pipelines on buried pipelines. The fuzzy analytic hierarchy process is used to determine the factor set ，establish the judgment matrix and solve the weight of each factor ，and establish the node area matter element ，correlation and grade evaluation system ，the calculation results are graded and evaluated ，and the safety risk grade of urban buried pipelines under the influence of thi
rd-party damage factors is obtained. The conclusions obtained have certain guiding significance for the safety of buried pipeline construction.
［Keywords ］buried pipeline ；fuzzy analytic hierarchy process ；extension theory ；third-party damage factor 城市埋地管线的安全风险评估研究
王素萍
（郑州商学院建筑工程学院，郑州 451200）
曾智夫收稿日期：2020–10–15作者简介： 王素萍（1989—），女，河南洛阳人，助教，主要研究方向为
岩土工程与地下空间结构。
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