FLAC3D 在膨脹巖隧道穩(wěn)定性分析中的應用

王超朋 王丙坤

(中鐵隧道集團二處有限公司，河北三河 065201)

1 FLAC3D簡介

FLAC3D［1-4］是美國ITASCA國際咨詢與軟件開發(fā)公司開發(fā)的三維數(shù)值有限差分數(shù)值模擬軟件，是應用于土木工程、交通、水利、石油、采礦工程、環(huán)境工程的通用軟件，是國際上指定的巖土分析軟件。它的求解采用有限差分法，基本方程組合邊界條件一般近似地采用差分方程來表示，差分方程通常采用顯式、時間遞步法來解算。它的輸入和一般的數(shù)值分析程序不同，它可以用交互方式從鍵盤輸入各種命令，也可以寫成命令(集)文件，類似于批處理，由文件來驅動。它同時具有強大而又豐富的后處理功能，可以輸出包括云圖、矢量圖、曲線、數(shù)據(jù)等各種各樣的結果，同時利用Tecplot軟件能夠繪制等值線圖來分析研究，并能夠將不同的研究對象繪制在同一幅圖中來研究分析。

2 工程概況

富民2號隧道位于吉林省延吉市朝陽川鎮(zhèn)，進口里程GDK257+859，位于下東溝村以東約510 m;出口里程GDK259+668，位于梨花屯西約1 500 m，隧道全長1 809 m。隧道最大埋深約61 m。隧址位于吉琿線膨脹土區(qū)域，主要為下第三系琿春組(Eh2－3)泥質砂巖、砂質泥巖、泥巖，白堊系上統(tǒng)龍井組(Kl2)泥質砂巖、砂質泥巖、泥巖，白堊系下統(tǒng)大拉子組(Kd1)泥質砂巖、砂質泥巖、泥巖以及這些基巖上覆的殘坡積(Qel+dl4)粉質粘土、粘土層。其中膨脹性最強的巖性為白堊系上統(tǒng)龍井組(Kl2)泥巖，主要分布于延吉市區(qū)及其周邊。

3 膨脹巖隧道穩(wěn)定性數(shù)值研究

3.1 施工方法和支護參數(shù)

在建的吉圖琿客專膨脹巖富民2號隧道開挖施工方法為CRD法，隧道開挖斷面形式采用曲墻斷面形式，隧道初期支護形式采用復式支護結構，形式為鋼筋網(wǎng)片噴射混凝土+中空組合、邊墻砂漿、鎖腳錨桿+工字形鋼;拱部和邊墻布設的鋼筋網(wǎng)片為φ8網(wǎng)片，網(wǎng)片縱環(huán)向間距為20 cm×20 cm，錨桿采用L=5.0 m，間距1.0 m×0.5 m(環(huán)×縱)，梅花形布設，拱部采用的是φ22組合中空錨桿，邊墻的錨桿形式為φ22的砂漿錨桿;型鋼采用的是間距50 cm，Ⅰ25的工字鋼;超前支護形式是在拱部進行預注漿，注漿管為L=4.5 m，φ42的超前小導管;每榀拱架拱腳采用L=4.5 m，φ42的鎖腳錨管，數(shù)量為12根;初期支護噴射雙層早強混凝土，第一層設計厚25 cm、第二層設計厚24 cm，拱墻噴射C30混凝土，仰拱噴射C25混凝土;二次襯砌設計厚85 cm，拱墻及仰拱采用C40鋼筋混凝土，仰拱填充C20混凝土。

3.2 參數(shù)選取和計算模型建立

3.2.1 選取計算參數(shù)

模擬計算中用到的巖石彈性模量、泊松比、粘聚力、摩擦角、密度等物理力學參數(shù)借助于巖石力學參數(shù)手冊和以前相似工程的經(jīng)驗值來選取。數(shù)值模擬計算過程中，對于鋼拱架的考慮是采用等效的原理，即型鋼拱架與噴射混凝土之間的彈性模量換算，其具體換算公式如下所示［5］:

其中，E為進行等效換算后的混凝土彈性模量;E0為未進行換算前的原混凝土的彈性模量;Sc為噴射混凝土的截面面積;Eg為型鋼彈性模量;Sg為支護型鋼截面面積。模型計算參數(shù)見表1。

表1 模型計算參數(shù)

數(shù)值計算中用到的剪切模量和體積模量，能夠通過彈性模量(E)和泊松比(v)依據(jù)下面式(2)和式(3)關系換算得出，其換算關系為:

剪切模量:

體積模量:

3.2.2 建立數(shù)值計算分析模型

數(shù)值模型的建立以橫向為X軸方向，縱向也即隧道軸線方向為Y軸方向，豎向為Z軸方向，其中，X軸方向左右各取60 m巖土，約為8倍隧道開挖斷面寬度，Z軸方向向上取40 m巖體，約為3倍隧道開挖斷面高度，Z軸向下方向取40m巖體，Y軸方向采用1 m的巖體進行平面研究分析計算，建立了曲墻仰拱斷面三維數(shù)值模型，共生成了4 119個節(jié)點和2 656個單元。

模擬計算中，隧道圍巖按摩爾庫侖模型來考慮，隧道初期支護以及二次襯砌按彈性模型來考慮，隧道圍巖和二次襯砌按實體單元來建模(四邊形四節(jié)點網(wǎng)格)，隧道初期支護按殼體單元來建模，建立的計算模型如圖1所示。

圖1 三維計算模型

3.3 數(shù)值模擬穩(wěn)定性分析

計算模型邊界條件為:坐標軸X，Y水平方向上的邊界約束，垂直方向Z軸的底面邊界約束，模型Z軸頂部方向無約束。

1)塑性區(qū)分布規(guī)律。圍巖在第一部開挖后，圍巖應力重新分布，開挖面周圍塑性區(qū)主要分布在開挖面底部左側及開挖面的左右側邊，相對分布比較均勻;圍巖在第二部開挖后，開挖面周圍塑性區(qū)分布發(fā)生變化，塑性區(qū)主要分布在開挖面左右側邊的45°方向，因此要加強該處的支護，而整個開挖面的拱頂塑性區(qū)分布范圍較小，圍巖擾動較小，如圖2所示。

2)圍巖應力分布規(guī)律。圍巖左上半斷面開挖后，圍巖應力重新分布，形成新的應力區(qū)，在開挖面的底部最小主應力應力集中，形成高應力區(qū)，而在開挖面的側邊最大主應力應力集中，形成高的應力區(qū)，應力云圖如圖3，圖4所示。

圖2 塑性區(qū)分布

圖3 最小主應力云圖

圖4 最大主應力云圖

3)圍巖位移分布。由圖5，圖6可知，對于膨脹巖隧道采用CRD開挖方法最大變形發(fā)生在拱腰45°方向和起拱線處，拱腰處最大豎向位移達到102 mm，圍巖變形已經(jīng)達到穩(wěn)定，然而沿著隧道起拱線方向向隧道中心軸線的變形值為98 mm，圍巖變形也已經(jīng)達到穩(wěn)定。根據(jù)上述可知，膨脹巖的富民2號隧道開挖施工方法選擇CRD法，對周邊圍巖的松動影響較小，阻止了膨脹圍巖大的變形出現(xiàn)，具有一定的優(yōu)越性，是膨脹巖隧道比較理想的開挖施工方法。

圖5 豎向位移云圖

圖6 水平位移云圖

4 結語

吉圖琿客專膨脹巖隧道比較理想的開挖施工方法為CRD法，在CRD法隧道斷面開挖施工過程中，每一步的開挖都可以非常好地得到控制，而且對周邊圍巖的松動影響也較小，小循環(huán)，短支護在膨脹巖隧道的斷面開挖過程中具有一定的優(yōu)越性。通過利用有限差分數(shù)值模擬軟件FLAC3D可以將膨脹巖隧道不同斷面開挖方法很好地模擬出來，在一定程度上可以較好地對不同隧道斷面開挖方法下圍巖的穩(wěn)定性做出評價，這一點對于隧道的設計和施工來說具有一定的現(xiàn)實意義。

［1］陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例［M］.北京:中國水利水電出版社，2008.

［2］彭文斌.FLAC3D實用教程［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007.

［3］劉 波，韓彥輝.FLAC原理實例與應用指南［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［4］李 圍.隧道及地下工程FLAC解析方法［M］.北京:中國水利水電出版社，2009.

［5］王超朋.木寨嶺隧道軟件大變形控制技術研究［D］.焦作:河南理工大學，2010.