城市地下空间开发的快速建设经常遇到上穿废弃人防洞的情形，地下废弃人防洞的稳定性在地下洞室工程问题中较为突出。在无扰动的情况下，地下岩土体长期处于平衡状态，一旦发生开挖，势必会造成地下岩土体平衡应力场失稳。作用在地下人防洞围岩上时，开挖卸荷会引起其应力的重新分布。当人防洞周遭围岩的承载力无法继续承受重分布后的应力时，则会造成围岩的失稳以及人防洞的损坏，严重时洞室会坍塌，继而引起地表塌陷以及地面建筑沉降变形、开裂等事故。目前国内外学者利用施工前勘察、理论计算、数值模拟与实测分析等手段对特殊地层条件或施工方案下的废弃人防洞稳定性问题进行了较为深入的分析。张森等[1]将用于隧道的超前预报TSP303系统应用到人防洞中，解决了从山顶进行钻探勘查时因地质地形问题布孔困难等问题。王贺[2]使用赤平极射投影方法对地下洞室楔形块体的滑移方式进行分析，探究对结构面不利的组合形式，判别有可能产生的失稳状态及楔形体结构面的空间组合关系，并结合极限平衡法提出有效的预防和控制措施。李念[3]利用Abaqus有限元软件，针对深基坑开挖与深埋既有人防洞之间的相互影响进行数值模拟，并与工程实测进行对比分析，为同类工程提供借鉴。周磊[4]利用Midas GTS NX有限元软件，模拟新建隧道与采用浆砌片石回填加固的既有人防洞之间力学关系，判断二者相互作用下人防洞和新建隧道的稳定性。刘丹等[5]结合虎支路—半山路二期工程中隧道穿越人防洞的实际工程，利用FLAC 3D软件研究隧道顶板沉降以及人防洞一定范围内围岩稳定性及二者引起的地表沉降变形。姜兆华等[6]结合重庆市某人防硐室的基坑开挖项目，利用FLAC 3D与现场实测相结合，对岩土复合地层中人防洞围岩失稳的影响因素进行研究，认为基坑开挖引起邻近人防洞变形主要为横向，且破坏方式取决于岩体厚度。陶连金等[7]依托具体工程，为了分析大尺寸地下洞室的稳定性特征和变形标准，利用有限元与理论相结合的方法进行研究，给出具体工程背景下大型洞室变形稳定的影响因素。现有研究大多集中于人防洞围岩的应力场分析，而对于西宁市特殊黄土中的人防硐室自身稳定性的研究较少。文章依托西宁市某街道改造项目，利用有限元软件，对黄土中废弃人防洞的稳定性破坏机理进行深入分析，以期为类似下埋人防洞改造工程的合理规划与施工提供参考。1工程概况1.1工程特点青海省西宁市某街道改造工程交通位置如图1如示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.001.F001图1青海省西宁市某街道工程交通位置工程区域拟建该街道片区一期工程，A幢高层在平面上呈矩形，层数为31层，占地面积为1 387.0 m2，设计标高（±0.0）相当于绝对标高2 258.8 m，基础埋深约17.0 m，剪力墙结构，筏板基础。该施工场地主要含水层为卵石，经钻孔勘查，局部为上层滞水，其主要形成原因是该层中部分卵石为粉土充填和泥质弱胶结，形成局部隔水层，从而含水，且经58#钻孔取样结果显示，该地下水位为21.5 m左右。该改造场地以黄土地层为主，从上至下分别为杂填土、黄土、粉土以及圆砾。其中黄土湿陷性等级为自重Ⅲ-Ⅳ级。场地土层划分及岩性特征如表1所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.001.T001表1场地土层划分及岩性特征土层及编号特征①杂填土杂色，稍湿，含大量建筑垃圾和旧基础地下设施，土质不均，结构松散，厚度为1.20~4.30 m，层底标高为2 253.85~2 256.93 m。②黄土浅黄至褐黄色，土质较均匀，局部夹砾、卵石透镜体。土层具有湿陷性，在场地大面积、大厚度分布，厚度为11.5~12.7 m。③粉土黄褐色，湿，中密-密实，厚度为0.20~1.60 m，平均厚度为0.85 m。大部分分布于地面下20 m以上。④圆砾黄褐-杂色，稍湿-湿，稍密，空隙间由砂、粉土充填，该层主要分布于58#和71#钻孔中，厚度为0.20~0.60 m，在卵石层间呈透镜状分布。1.2工程安全隐患青海地区特殊的自然地理条件以及黄土中存在较多黏土成分[8]，使得西宁黄土自身强度以及受水、荷载作用后强度降低的速度与其他地区不同。从微观角度分析，青海地区黄土中颗粒的组成具有一定的特殊性，受水湿陷时，集粒黏结物发生软化[9]，使得黄土层整体强度受到不同程度的破坏，并在荷载的持续作用下造成土层的湿陷。勘察阶段发现场地西侧44#钻孔内已钻穿地下废弃人防洞，为混凝土拱顶，且该人防洞埋深为8~10 m，位于黄土层。通过对西宁市某区域废弃人防洞进行详细勘察，得到其类型及分布情况。经查明，改造区域内共有9条通道，共计5个洞口，其中2#洞口与5#洞口为斜洞口，洞室C、洞室H较为重要。坑道宽2.0 m，净高2.5 m，平均埋深8~10 m，且各坑道围岩以黄土为主，洞底多为黄土及卵石。西宁市某地区人防洞分布如图2所示。第二期人防洞拐角如图3所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.001.F002图2西宁市某地区人防洞分布10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.001.F003图3第二期人防洞拐角考虑地层在地下水和荷载的作用下，黄土层将发生湿陷，使得整体结构受到扰动，从而导致人防硐室下沉、倾斜甚至拱顶开裂，继而对地表既有建筑的稳定性产生影响。因此在该区域进行改造工程前需要对拟规划住宅下方废弃的人防硐室稳定性进行分析，确保后续工程的顺利进行。2早期人防硐室的数值分析2.1建模分析文章运用Midas有限元软件，对拟建住宅区下方交叉人防洞围岩稳定性进行数值模拟，分析其围岩的应力分布情况。根据现场钻探结果及当地工程经验确定各土层物理力学参数如表2所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.001.T002表2各土层物理力学参数土层层厚/m密度/(g/cm3)黏聚力/MPa内摩擦角/°弹性模量/MPa泊松比/ν杂填土2.451.402 00015.017.470.32黄土12.501.769 80023.45.600.35粉土0.851.8217 30024.93.700.30根据详勘报告，考虑该区域改造范围内地势平坦，改造后洞室C、洞室H巷道上方地表拟建住宅、车库，建筑密集度高、人口密度大，故选取C、H两条最具典型的人防洞通道进行数值模拟分析，典型人防洞选取如图4所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.001.F004图4典型人防洞选取利用Midas建立交叉人防洞模型，模型的基本尺寸为30 m×30 m×15.8 m，交叉人防洞模型如图5所示。洞室C、洞室H具体尺寸如图6所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.001.F005图5交叉人防洞模型10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.001.F006图6洞室C、H具体尺寸洞室C、洞室H围岩从上往下分别为素填土、黄土、粉土、圆砾。洞室C、洞室H均为拱形剖面通道，顶部均为混凝土板砌筑，其中洞室C跨度1.7 m，侧壁高2 m，埋深8 m；洞室H跨度1.5 m，侧壁高1.8 m，埋深8.3 m，两洞室延伸均为30 m。2.2计算结果分析在当前工况下对西宁某拟建住宅区地下废弃交叉人防洞围岩稳定性进行分析，前期勘察结果显示地下水埋深在人防洞下方较深处，故文章忽略地下水位对人防洞围岩稳定性的影响，主要考虑自重应力条件和模拟施工情况下人防洞室开挖后的围岩应力的分布规律。（1）自然工况。参考该待建场地具体工程条件，借助Midas GTS NX有限元软件建立三维模型，如图7所示。模型共划分17 429个单元，125 026个节点。10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.001.F007图7自然工况下交叉人防洞数值计算模型利用Midas软件的后处理功能，洞室C、洞室H围岩最大和最小主应力的应力云图分布如图8、图9所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.001.F008图8自然工况下交叉人防洞室最大主应力云图10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.001.F009图9自然工况下交叉人防洞室最小主应力云图随着土层的埋深逐步增大，围岩的最大主应力也随之增大，但当人防洞开挖后，洞室C、洞室H周围岩土体因受到扰动，导致其内应力场重新分布，变化较大，且变化程度与距离洞室距离成反比。洞室C的最大主应力和最小主应力的分布情况如图10、图11所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.001.F010图10自然工况下洞室C最大主应力10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.001.F011图11自然工况下洞室C最小主应力由图10、图11可知，由于洞室C的小断面多台阶开挖，洞室周围土体发生卸荷，从云图上可以看出，洞室临空面周围的围岩应力由于扰动而释放，且应力突变发生于洞室C的拱肩处和左右洞脚处，应力集中现象在这两处较为明显，同时可以看出，洞室C的最大主应力位于拱顶，为221.95 kN/m2。洞室H的最大主应力和最小主应力如图12、图13所示。洞室H与洞室C的整体应力分布情况较为相似，但是洞室H围岩应力整体大于洞室C。10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.001.F012图12自然工况下洞室H最大主应力10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.001.F013图13自然工况下洞室H最小主应力（2）施工工况。根据场地实际工况，在C、H交叉人防洞上方拟建住宅楼，且为剪力墙结构，根据设计方案，对交叉人防洞地表土层施加均布荷载为50 kN/m2。施工工况下交叉人防洞数值计算模型如图14所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.001.F014图14施工工况下交叉人防洞数值计算模型利用Midas的后处理功能，得到模拟施工过程中洞室C、洞室H围岩最大和最小主应力的应力云图分布如图15、图16所示。整体的云图形状和规律与自然工况下保持一致，围岩应力变化程度与距离洞室的距离成反比。但由于地表住宅施工的均布荷载，使得人防洞围岩受到的扰动更为剧烈，从而导致洞口承受更大的荷载。10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.001.F015图15施工工况下交叉人防洞最大主应力云图10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.001.F016图16施工工况下交叉人防洞最小主应力云图洞室C的最大主应力和最小主应力的分布情况如图17、图18所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.001.F017图17施工工况下交叉洞室C最大主应力云图10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.001.F018图18施工工况下交叉洞室C最小主应力云图由图17、图18可知，该工况下整体应力分布规律与自然工况几乎一致，应力较大位置均在拱顶和拱脚处，局部出现应力突变等情况，最大应力出现在洞室C拱顶处，为370.168 kN/m2。在模拟施工的工况下，洞室H的最大主应力和最小主应力如图19、图20所示。洞室H与洞室C的整体应力分布情况较为相似，但是围岩应力整体大于洞室C。10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.001.F019图19施工工况下交叉洞室H最大主应力云图10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.001.F020图20施工工况下交叉洞室H最小主应力云图3结语文章选取西宁某街道改造工程地下废弃人防洞，利用Midas对交叉人防洞C、H进行数值模拟，对承受自重应力、黄土特殊地层中的人防洞室围岩稳定性进行分析，研究洞周围岩的应力分布规律。由模拟结果可知，洞室开挖后洞周围岩因卸荷而受到扰动，应力重新分布，重分布后的应力以洞室拱顶的中心线为轴对称分布，在拱顶和两侧拱脚存在较为明显的应力集中，且拱脚处应力显著大于洞室其他部分，而洞室底部和侧面围岩应力较小，且洞室H的应力大于洞室C，整体人防洞围岩处于稳定状态。