FLAC3D 在膨脹巖隧道穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

王超朋 王丙坤

(中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北三河 065201)

1 FLAC3D簡(jiǎn)介

FLAC3D［1-4］是美國(guó)ITASCA國(guó)際咨詢與軟件開(kāi)發(fā)公司開(kāi)發(fā)的三維數(shù)值有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件，是應(yīng)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(guó)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(lái)表示，差分方程通常采用顯式、時(shí)間遞步法來(lái)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(lái)驅(qū)動(dòng)。它同時(shí)具有強(qiáng)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(jié)果，同時(shí)利用Tecplot軟件能夠繪制等值線圖來(lái)分析研究，并能夠?qū)⒉煌难芯繉?duì)象繪制在同一幅圖中來(lái)研究分析。

2 工程概況

富民2號(hào)隧道位于吉林省延吉市朝陽(yáng)川鎮(zhèn)，進(jìn)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(zhǎng)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(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖，白堊系上統(tǒng)龍井組(Kl2)泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖，白堊系下統(tǒng)大拉子組(Kd1)泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖以及這些基巖上覆的殘坡積(Qel+dl4)粉質(zhì)粘土、粘土層。其中膨脹性最強(qiáng)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(hù)參數(shù)

在建的吉圖琿客專膨脹巖富民2號(hào)隧道開(kāi)挖施工方法為CRD法，隧道開(kāi)挖斷面形式采用曲墻斷面形式，隧道初期支護(hù)形式采用復(fù)式支護(hù)結(jié)構(gòu)，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(shè)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(shè)，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(hù)形式是在拱部進(jìn)行預(yù)注漿，注漿管為L(zhǎng)=4.5 m，φ42的超前小導(dǎo)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(hù)噴射雙層早強(qiáng)混凝土，第一層設(shè)計(jì)厚25 cm、第二層設(shè)計(jì)厚24 cm，拱墻噴射C30混凝土，仰拱噴射C25混凝土;二次襯砌設(shè)計(jì)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(jì)算模型建立

3.2.1 選取計(jì)算參數(shù)

模擬計(jì)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(xué)參數(shù)借助于巖石力學(xué)參數(shù)手冊(cè)和以前相似工程的經(jīng)驗(yàn)值來(lái)選取。數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中，對(duì)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(jìn)行等效換算后的混凝土彈性模量;E0為未進(jìn)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(hù)型鋼截面面積。模型計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

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

剪切模量:

體積模量:

3.2.2 建立數(shù)值計(jì)算分析模型

數(shù)值模型的建立以橫向?yàn)閄軸方向，縱向也即隧道軸線方向?yàn)閅軸方向，豎向?yàn)閆軸方向，其中，X軸方向左右各取60 m巖土，約為8倍隧道開(kāi)挖斷面寬度，Z軸方向向上取40 m巖體，約為3倍隧道開(kāi)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(jìn)行平面研究分析計(jì)算，建立了曲墻仰拱斷面三維數(shù)值模型，共生成了4 119個(gè)節(jié)點(diǎn)和2 656個(gè)單元。

模擬計(jì)算中，隧道圍巖按摩爾庫(kù)侖模型來(lái)考慮，隧道初期支護(hù)以及二次襯砌按彈性模型來(lái)考慮，隧道圍巖和二次襯砌按實(shí)體單元來(lái)建模(四邊形四節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格)，隧道初期支護(hù)按殼體單元來(lái)建模，建立的計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 三維計(jì)算模型

3.3 數(shù)值模擬穩(wěn)定性分析

計(jì)算模型邊界條件為:坐標(biāo)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(wú)約束。

1)塑性區(qū)分布規(guī)律。圍巖在第一部開(kāi)挖后，圍巖應(yīng)力重新分布，開(kāi)挖面周圍塑性區(qū)主要分布在開(kāi)挖面底部左側(cè)及開(kāi)挖面的左右側(cè)邊，相對(duì)分布比較均勻;圍巖在第二部開(kāi)挖后，開(kāi)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(kāi)挖面左右側(cè)邊的45°方向，因此要加強(qiáng)該處的支護(hù)，而整個(gè)開(kāi)挖面的拱頂塑性區(qū)分布范圍較小，圍巖擾動(dòng)較小，如圖2所示。

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

圖2 塑性區(qū)分布

圖3 最小主應(yīng)力云圖

圖4 最大主應(yīng)力云圖

3)圍巖位移分布。由圖5，圖6可知，對(duì)于膨脹巖隧道采用CRD開(kāi)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(dá)到102 mm，圍巖變形已經(jīng)達(dá)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(dá)到穩(wěn)定。根據(jù)上述可知，膨脹巖的富民2號(hào)隧道開(kāi)挖施工方法選擇CRD法，對(duì)周邊圍巖的松動(dòng)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(kāi)挖施工方法。

圖5 豎向位移云圖

圖6 水平位移云圖

4 結(jié)語(yǔ)

吉圖琿客專膨脹巖隧道比較理想的開(kāi)挖施工方法為CRD法，在CRD法隧道斷面開(kāi)挖施工過(guò)程中，每一步的開(kāi)挖都可以非常好地得到控制，而且對(duì)周邊圍巖的松動(dòng)影響也較小，小循環(huán)，短支護(hù)在膨脹巖隧道的斷面開(kāi)挖過(guò)程中具有一定的優(yōu)越性。通過(guò)利用有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC3D可以將膨脹巖隧道不同斷面開(kāi)挖方法很好地模擬出來(lái)，在一定程度上可以較好地對(duì)不同隧道斷面開(kāi)挖方法下圍巖的穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià)，這一點(diǎn)對(duì)于隧道的設(shè)計(jì)和施工來(lái)說(shuō)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2008.

［2］彭文斌.FLAC3D實(shí)用教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］劉 波，韓彥輝.FLAC原理實(shí)例與應(yīng)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(guó)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(shù)研究［D］.焦作:河南理工大學(xué)，2010.