排洪隧道開挖前后受力變化及支護方案研究

趙永清

摘 要：以北衙萬硐山礦段東山河排洪隧道開挖設計及支護方案為工程背景，采用數值模擬計算的方法，著重分析排洪隧道開挖前后及支護后隧道穩定性。ansys進行建模，導入FLAC3D對隧道支護前后兩種工況進行了數值模擬計算，計算結果表明：不支護情況下巷道圍巖位移較大、拉應力大于圍巖內聚力；支護后有效抑制了巷道圍巖位移，減小了拉應力，提高了巷道整體穩定性。

關鍵詞：隧道；穩定性；支護；數值分析

前言

FLAC3D程序是FLAC二維計算程序在三維空間的擴展，用于模擬三維土體、巖體或其它材料體力學特性，廣泛應用于邊坡穩定性評價、支護設計及評價、隧道工程、礦山工程等[1-2]多個領域。所以使用FLAC3D程序對東山河排洪隧道進行開挖前后進行受力分析，根據分析結果確定是否支護以及支護方案是否可行，其結果是相對可靠的。

1 工程概況

東山河是萬硐山礦段內一條自西南向東北方向徑流的季節性河流，河谷寬2～4m，深0.5～1m左右，雨季匯集地表水，旱季干涸斷流。因萬硐山礦段開采境界的擴大，曾對東山河進行過兩次改道，以鋼筋混凝土進行支護。因萬硐山礦段露采終了境界的需要，須對東山河進行第三次改道，本次改道采用明渠、排洪隧道、暗涵聯合排水的方式，排洪隧道總長569m，坡度2%。因東山河關系到北衙村灌溉用水，其服務年限較長，必須對排洪隧道穩定性進行分析，確保排洪隧道支護的穩定。

根據《云南省鶴慶縣北衙鐵金礦資源儲量核實地質報告》礦區工程地質分區表，排洪隧道位于松散沉積物區，主要為粘土、粉質粘土，含少量礫砂以及殘坡堆積物組成，屬松散巖類巖組，結構疏松，穩定性差。根據地形地質圖，隧道圍巖以粘土巖為主，局部有灰色灰質角礫巖。查《礦區巖石物理力學試驗成果統計表》得粘土巖與灰質角礫巖物理性質與力學性質如下（見表1、表2）。

從物理性質指標及力學性質指標上分析，灰質角礫巖從強度到穩定性上遠高于粘土巖，加之研究區域主要為粘土巖，灰質角礫巖具體空間分布尚不明確，所以此次建模山體采用庫爾庫倫模型，山體結構為粘土巖，物理力學性質指標取平均值。建模軟件為ANSYS。

2 支護方案

鑒于排洪隧道圍巖以粘土為主，圍巖整體性很差，無法以錨桿等支護手段進行支護，設計采用鋼筋混凝土支護，鋼筋混凝土強度C20，支護厚度400mm，采用φ18mm鋼筋支護，縱橫筋配筋網度@400×200mm，鋼筋保護層厚度35mm。具體結構見圖2，物理力學參數見表3。

3 數值模擬計算結果及分析

因粘土巖結塊性較強，不存在斷層，其應力分布主要受巖體自重影響，同標高層位受力較為均勻。

3.1 無支護情況

考慮巷道開挖后不支護時巷道穩定性，模擬其應力分布情況及位移情況。

3.1.1 應力場分布特征

隧道開挖后，在不支護的情況下，根據FLAC3D程序分析，該模型最大主應力及最小主應力分布圖如圖3、圖4。

圖3 無支護最大主應力圖

圖4 無支護最小主應力圖

由圖3可以看出，壓應力由巷道外側逐漸向臨空面增大，最大壓應力集中在隧道左右兩側臨空面為2.83MPa。由圖4可以看出，在巷道頂板和底板出現拉應力，頂板最大拉應力為0.1MPa，底板最大拉應力為0.13MPa。根據表2，粘土巖最大抗壓強度為1.9MPa，抗拉強度為0.1MPa，可以斷定，巷道墻腳出現受壓破壞（片幫），巷道頂底板出現受拉破壞（頂板沉降、底板底鼓）。

3.1.2 位移場分布特征

巷道開挖后位移矢量圖如圖5，其最大位移矢量位于巷道底板中央，其最大位移為11.8mm，這說明巷道的位移主要與地應力分布有關。由于粘土巖整體性差，不能支撐巷道頂底板圍巖，致使巷道頂部粘土巖下沉、底部粘土巖底鼓，嚴重影響了巷道穩定性，應對巷道進行支護，抑制其變形，提高穩定性。

圖5 無支護總位移矢量圖

3.2 支護工況下

考慮巷道支護后巷道穩定性，模擬其應力分布情況及位移情況。

3.2.1 應力場分布特征

圖3為巷道開挖無支護工況下最大主應力圖，從圖3中可知，無支護工況下巷道周邊圍巖的最大主應力為-2.83MPa；從圖5 巷道開挖后無支護工況下圍巖的最小主應力圖可知巷道圍巖由無支護工況下的拉應力0.13MPa減少到錨噴網支護工況后最大拉應力為0-0.1MPa（見圖7），支護后應力集中程度下降，分布比無支護狀態均勻，巷道邊緣無拉應力集中，因在巷道邊緣形成壓應力錨固圈，從力學機制上改善了巖體的受力狀態，提高了圍巖的承載能力，對保持巷道穩定性十分有利。圖6為巷道開挖后鋼筋混凝土支護工況下最大主應力圖，從圖6中可知，鋼筋混凝土支護后巷道圍巖的最大主應力為-2.32MPa， 由圖6還可看出巷道邊緣應力分布較為均勻，無壓應力集中現象，而鋼筋混凝土支護結構抗壓強度為20MPa，完全能承受巷道周圍的壓應力，可見采用鋼筋混凝土支護可更有效的防止巷道內松散巖體的冒落。

圖6 支護后最大主應力圖

圖7 支護后最小主應力圖

3.2.2 位移場分布特征

圖8為巷道開挖后即采用錨噴網支護后的圍巖位移矢量圖，與圖5無支護時相比較看出，鋼筋混凝土支護下的巷道圍巖的位移減少，由11.8mm減少到1mm，為未支護前的8.47%。并對底板受拉應力集中影響的巖體進行加固，有效地防止了底鼓現象出現。從圖8中拱頂、拱底位移量也可以發現巷道開挖進行了支護后，巷道拱頂、拱底的位移趨于一個穩定值，變形不再增長，表明巷道開挖，對其進行了有效支護，拱頂、拱底位移趨于一個恒定值，巷道穩定了。

圖8 支護后總位移矢量圖

4 結束語

采用FLAC3D軟件對東山河改道方案排洪隧道穩定性進行數值模擬分析，分別分析了巷道開挖后不支護與采用鋼筋混凝土支護兩種工況的應力水平和位移場變化情況。得出以下結論：

（1）粘土巖抗壓強度、抗拉強度過小，整體性較差，在不支護的情況下隧道無法保持穩定，拉應力主要集中在隧道底板中央，最大位移位置與拉應力集中區域相同。

（2）采用鋼筋混凝土支護后，隧道邊緣應力分布較為均勻，無壓應力集中現象，隧道拱頂、拱底位移大幅減小，隧道穩定性大為提高。

參考文獻

[1]朱伯芳.有限單元法原理與應用[M].北京：中國水利電力出版社，1998.

[2]趙偉封.有限-邊界元法在樁基工程計算中的應用[J].東北公路，2000，23（4）：80-83.

摘 要：以北衙萬硐山礦段東山河排洪隧道開挖設計及支護方案為工程背景，采用數值模擬計算的方法，著重分析排洪隧道開挖前后及支護后隧道穩定性。ansys進行建模，導入FLAC3D對隧道支護前后兩種工況進行了數值模擬計算，計算結果表明：不支護情況下巷道圍巖位移較大、拉應力大于圍巖內聚力；支護后有效抑制了巷道圍巖位移，減小了拉應力，提高了巷道整體穩定性。

關鍵詞：隧道；穩定性；支護；數值分析

前言

FLAC3D程序是FLAC二維計算程序在三維空間的擴展，用于模擬三維土體、巖體或其它材料體力學特性，廣泛應用于邊坡穩定性評價、支護設計及評價、隧道工程、礦山工程等[1-2]多個領域。所以使用FLAC3D程序對東山河排洪隧道進行開挖前后進行受力分析，根據分析結果確定是否支護以及支護方案是否可行，其結果是相對可靠的。

1 工程概況

東山河是萬硐山礦段內一條自西南向東北方向徑流的季節性河流，河谷寬2～4m，深0.5～1m左右，雨季匯集地表水，旱季干涸斷流。因萬硐山礦段開采境界的擴大，曾對東山河進行過兩次改道，以鋼筋混凝土進行支護。因萬硐山礦段露采終了境界的需要，須對東山河進行第三次改道，本次改道采用明渠、排洪隧道、暗涵聯合排水的方式，排洪隧道總長569m，坡度2%。因東山河關系到北衙村灌溉用水，其服務年限較長，必須對排洪隧道穩定性進行分析，確保排洪隧道支護的穩定。

根據《云南省鶴慶縣北衙鐵金礦資源儲量核實地質報告》礦區工程地質分區表，排洪隧道位于松散沉積物區，主要為粘土、粉質粘土，含少量礫砂以及殘坡堆積物組成，屬松散巖類巖組，結構疏松，穩定性差。根據地形地質圖，隧道圍巖以粘土巖為主，局部有灰色灰質角礫巖。查《礦區巖石物理力學試驗成果統計表》得粘土巖與灰質角礫巖物理性質與力學性質如下（見表1、表2）。

從物理性質指標及力學性質指標上分析，灰質角礫巖從強度到穩定性上遠高于粘土巖，加之研究區域主要為粘土巖，灰質角礫巖具體空間分布尚不明確，所以此次建模山體采用庫爾庫倫模型，山體結構為粘土巖，物理力學性質指標取平均值。建模軟件為ANSYS。

2 支護方案

鑒于排洪隧道圍巖以粘土為主，圍巖整體性很差，無法以錨桿等支護手段進行支護，設計采用鋼筋混凝土支護，鋼筋混凝土強度C20，支護厚度400mm，采用φ18mm鋼筋支護，縱橫筋配筋網度@400×200mm，鋼筋保護層厚度35mm。具體結構見圖2，物理力學參數見表3。

3 數值模擬計算結果及分析

因粘土巖結塊性較強，不存在斷層，其應力分布主要受巖體自重影響，同標高層位受力較為均勻。

3.1 無支護情況

考慮巷道開挖后不支護時巷道穩定性，模擬其應力分布情況及位移情況。

3.1.1 應力場分布特征

隧道開挖后，在不支護的情況下，根據FLAC3D程序分析，該模型最大主應力及最小主應力分布圖如圖3、圖4。

圖3 無支護最大主應力圖

圖4 無支護最小主應力圖

由圖3可以看出，壓應力由巷道外側逐漸向臨空面增大，最大壓應力集中在隧道左右兩側臨空面為2.83MPa。由圖4可以看出，在巷道頂板和底板出現拉應力，頂板最大拉應力為0.1MPa，底板最大拉應力為0.13MPa。根據表2，粘土巖最大抗壓強度為1.9MPa，抗拉強度為0.1MPa，可以斷定，巷道墻腳出現受壓破壞（片幫），巷道頂底板出現受拉破壞（頂板沉降、底板底鼓）。

3.1.2 位移場分布特征

巷道開挖后位移矢量圖如圖5，其最大位移矢量位于巷道底板中央，其最大位移為11.8mm，這說明巷道的位移主要與地應力分布有關。由于粘土巖整體性差，不能支撐巷道頂底板圍巖，致使巷道頂部粘土巖下沉、底部粘土巖底鼓，嚴重影響了巷道穩定性，應對巷道進行支護，抑制其變形，提高穩定性。

圖5 無支護總位移矢量圖

3.2 支護工況下

考慮巷道支護后巷道穩定性，模擬其應力分布情況及位移情況。

3.2.1 應力場分布特征

圖3為巷道開挖無支護工況下最大主應力圖，從圖3中可知，無支護工況下巷道周邊圍巖的最大主應力為-2.83MPa；從圖5 巷道開挖后無支護工況下圍巖的最小主應力圖可知巷道圍巖由無支護工況下的拉應力0.13MPa減少到錨噴網支護工況后最大拉應力為0-0.1MPa（見圖7），支護后應力集中程度下降，分布比無支護狀態均勻，巷道邊緣無拉應力集中，因在巷道邊緣形成壓應力錨固圈，從力學機制上改善了巖體的受力狀態，提高了圍巖的承載能力，對保持巷道穩定性十分有利。圖6為巷道開挖后鋼筋混凝土支護工況下最大主應力圖，從圖6中可知，鋼筋混凝土支護后巷道圍巖的最大主應力為-2.32MPa， 由圖6還可看出巷道邊緣應力分布較為均勻，無壓應力集中現象，而鋼筋混凝土支護結構抗壓強度為20MPa，完全能承受巷道周圍的壓應力，可見采用鋼筋混凝土支護可更有效的防止巷道內松散巖體的冒落。

圖6 支護后最大主應力圖

圖7 支護后最小主應力圖

3.2.2 位移場分布特征

圖8為巷道開挖后即采用錨噴網支護后的圍巖位移矢量圖，與圖5無支護時相比較看出，鋼筋混凝土支護下的巷道圍巖的位移減少，由11.8mm減少到1mm，為未支護前的8.47%。并對底板受拉應力集中影響的巖體進行加固，有效地防止了底鼓現象出現。從圖8中拱頂、拱底位移量也可以發現巷道開挖進行了支護后，巷道拱頂、拱底的位移趨于一個穩定值，變形不再增長，表明巷道開挖，對其進行了有效支護，拱頂、拱底位移趨于一個恒定值，巷道穩定了。

圖8 支護后總位移矢量圖

4 結束語

采用FLAC3D軟件對東山河改道方案排洪隧道穩定性進行數值模擬分析，分別分析了巷道開挖后不支護與采用鋼筋混凝土支護兩種工況的應力水平和位移場變化情況。得出以下結論：

（1）粘土巖抗壓強度、抗拉強度過小，整體性較差，在不支護的情況下隧道無法保持穩定，拉應力主要集中在隧道底板中央，最大位移位置與拉應力集中區域相同。

（2）采用鋼筋混凝土支護后，隧道邊緣應力分布較為均勻，無壓應力集中現象，隧道拱頂、拱底位移大幅減小，隧道穩定性大為提高。

參考文獻

[1]朱伯芳.有限單元法原理與應用[M].北京：中國水利電力出版社，1998.

[2]趙偉封.有限-邊界元法在樁基工程計算中的應用[J].東北公路，2000，23（4）：80-83.

摘 要：以北衙萬硐山礦段東山河排洪隧道開挖設計及支護方案為工程背景，采用數值模擬計算的方法，著重分析排洪隧道開挖前后及支護后隧道穩定性。ansys進行建模，導入FLAC3D對隧道支護前后兩種工況進行了數值模擬計算，計算結果表明：不支護情況下巷道圍巖位移較大、拉應力大于圍巖內聚力；支護后有效抑制了巷道圍巖位移，減小了拉應力，提高了巷道整體穩定性。

關鍵詞：隧道；穩定性；支護；數值分析

前言

FLAC3D程序是FLAC二維計算程序在三維空間的擴展，用于模擬三維土體、巖體或其它材料體力學特性，廣泛應用于邊坡穩定性評價、支護設計及評價、隧道工程、礦山工程等[1-2]多個領域。所以使用FLAC3D程序對東山河排洪隧道進行開挖前后進行受力分析，根據分析結果確定是否支護以及支護方案是否可行，其結果是相對可靠的。

1 工程概況

東山河是萬硐山礦段內一條自西南向東北方向徑流的季節性河流，河谷寬2～4m，深0.5～1m左右，雨季匯集地表水，旱季干涸斷流。因萬硐山礦段開采境界的擴大，曾對東山河進行過兩次改道，以鋼筋混凝土進行支護。因萬硐山礦段露采終了境界的需要，須對東山河進行第三次改道，本次改道采用明渠、排洪隧道、暗涵聯合排水的方式，排洪隧道總長569m，坡度2%。因東山河關系到北衙村灌溉用水，其服務年限較長，必須對排洪隧道穩定性進行分析，確保排洪隧道支護的穩定。

根據《云南省鶴慶縣北衙鐵金礦資源儲量核實地質報告》礦區工程地質分區表，排洪隧道位于松散沉積物區，主要為粘土、粉質粘土，含少量礫砂以及殘坡堆積物組成，屬松散巖類巖組，結構疏松，穩定性差。根據地形地質圖，隧道圍巖以粘土巖為主，局部有灰色灰質角礫巖。查《礦區巖石物理力學試驗成果統計表》得粘土巖與灰質角礫巖物理性質與力學性質如下（見表1、表2）。

從物理性質指標及力學性質指標上分析，灰質角礫巖從強度到穩定性上遠高于粘土巖，加之研究區域主要為粘土巖，灰質角礫巖具體空間分布尚不明確，所以此次建模山體采用庫爾庫倫模型，山體結構為粘土巖，物理力學性質指標取平均值。建模軟件為ANSYS。

2 支護方案

鑒于排洪隧道圍巖以粘土為主，圍巖整體性很差，無法以錨桿等支護手段進行支護，設計采用鋼筋混凝土支護，鋼筋混凝土強度C20，支護厚度400mm，采用φ18mm鋼筋支護，縱橫筋配筋網度@400×200mm，鋼筋保護層厚度35mm。具體結構見圖2，物理力學參數見表3。

3 數值模擬計算結果及分析

因粘土巖結塊性較強，不存在斷層，其應力分布主要受巖體自重影響，同標高層位受力較為均勻。

3.1 無支護情況

考慮巷道開挖后不支護時巷道穩定性，模擬其應力分布情況及位移情況。

3.1.1 應力場分布特征

隧道開挖后，在不支護的情況下，根據FLAC3D程序分析，該模型最大主應力及最小主應力分布圖如圖3、圖4。

圖3 無支護最大主應力圖

圖4 無支護最小主應力圖

由圖3可以看出，壓應力由巷道外側逐漸向臨空面增大，最大壓應力集中在隧道左右兩側臨空面為2.83MPa。由圖4可以看出，在巷道頂板和底板出現拉應力，頂板最大拉應力為0.1MPa，底板最大拉應力為0.13MPa。根據表2，粘土巖最大抗壓強度為1.9MPa，抗拉強度為0.1MPa，可以斷定，巷道墻腳出現受壓破壞（片幫），巷道頂底板出現受拉破壞（頂板沉降、底板底鼓）。

3.1.2 位移場分布特征

巷道開挖后位移矢量圖如圖5，其最大位移矢量位于巷道底板中央，其最大位移為11.8mm，這說明巷道的位移主要與地應力分布有關。由于粘土巖整體性差，不能支撐巷道頂底板圍巖，致使巷道頂部粘土巖下沉、底部粘土巖底鼓，嚴重影響了巷道穩定性，應對巷道進行支護，抑制其變形，提高穩定性。

圖5 無支護總位移矢量圖

3.2 支護工況下

考慮巷道支護后巷道穩定性，模擬其應力分布情況及位移情況。

3.2.1 應力場分布特征

圖3為巷道開挖無支護工況下最大主應力圖，從圖3中可知，無支護工況下巷道周邊圍巖的最大主應力為-2.83MPa；從圖5 巷道開挖后無支護工況下圍巖的最小主應力圖可知巷道圍巖由無支護工況下的拉應力0.13MPa減少到錨噴網支護工況后最大拉應力為0-0.1MPa（見圖7），支護后應力集中程度下降，分布比無支護狀態均勻，巷道邊緣無拉應力集中，因在巷道邊緣形成壓應力錨固圈，從力學機制上改善了巖體的受力狀態，提高了圍巖的承載能力，對保持巷道穩定性十分有利。圖6為巷道開挖后鋼筋混凝土支護工況下最大主應力圖，從圖6中可知，鋼筋混凝土支護后巷道圍巖的最大主應力為-2.32MPa， 由圖6還可看出巷道邊緣應力分布較為均勻，無壓應力集中現象，而鋼筋混凝土支護結構抗壓強度為20MPa，完全能承受巷道周圍的壓應力，可見采用鋼筋混凝土支護可更有效的防止巷道內松散巖體的冒落。

圖6 支護后最大主應力圖

圖7 支護后最小主應力圖

3.2.2 位移場分布特征

圖8為巷道開挖后即采用錨噴網支護后的圍巖位移矢量圖，與圖5無支護時相比較看出，鋼筋混凝土支護下的巷道圍巖的位移減少，由11.8mm減少到1mm，為未支護前的8.47%。并對底板受拉應力集中影響的巖體進行加固，有效地防止了底鼓現象出現。從圖8中拱頂、拱底位移量也可以發現巷道開挖進行了支護后，巷道拱頂、拱底的位移趨于一個穩定值，變形不再增長，表明巷道開挖，對其進行了有效支護，拱頂、拱底位移趨于一個恒定值，巷道穩定了。

圖8 支護后總位移矢量圖

4 結束語

采用FLAC3D軟件對東山河改道方案排洪隧道穩定性進行數值模擬分析，分別分析了巷道開挖后不支護與采用鋼筋混凝土支護兩種工況的應力水平和位移場變化情況。得出以下結論：

（1）粘土巖抗壓強度、抗拉強度過小，整體性較差，在不支護的情況下隧道無法保持穩定，拉應力主要集中在隧道底板中央，最大位移位置與拉應力集中區域相同。

（2）采用鋼筋混凝土支護后，隧道邊緣應力分布較為均勻，無壓應力集中現象，隧道拱頂、拱底位移大幅減小，隧道穩定性大為提高。

參考文獻

[1]朱伯芳.有限單元法原理與應用[M].北京：中國水利電力出版社，1998.

[2]趙偉封.有限-邊界元法在樁基工程計算中的應用[J].東北公路，2000，23（4）：80-83.