基于FLAC3D的隧道變形機理分析

胡楠

【摘 要】本文結(jié)合某隧道穿越山體沖溝的松散黃土層出現(xiàn)的塌方事故，在現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)研和監(jiān)控測量的基礎(chǔ)上，應(yīng)用有限差分軟件FLAC3D，根據(jù)對現(xiàn)場地形和施工工序步驟的數(shù)值模擬，計算分析隧道周邊圍巖和土層隨著隧道開挖過程受力狀態(tài)的變化。結(jié)果顯示：通過正臺階法方式開挖進入淺埋區(qū)域時，圍巖變形發(fā)展迅速、拱頂沉降和地表沉降值過大，遠超過正常變形范圍，且存在潛在的剪切帶。因此可認為，隧道在進入淺埋區(qū)域后的開挖會導(dǎo)致圍巖的破壞和地表土體的沉陷。分析結(jié)果與現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)基本吻合，為后期加固施工提供了理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】松散黃土層；數(shù)值模擬；受力狀態(tài)；圍巖變形；地表土沉降

0 引言

隨著隧道建設(shè)的快速發(fā)展，越來越多的隧道線路需要穿越淺埋黃土區(qū)。受埋深淺、黃土承載力有限的限制，淺埋黃土隧道施工時容易出現(xiàn)支護變形過大、支護開裂甚至冒頂塌方的情況[1-2]。20世紀70年代以來，有限元法已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于土體的動力分析中。近年來，拉格朗日元由于能解決大變形問題而倍受青睞，美國Itasca公司推出的FLAC3D能夠很好地進行動力分析[3]。

FLAC3D是連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日差分分析方法（Fast Lagrangian Analysis of Continuum）的英文縮寫。美國Itasca Consulting Group Inc. 將此方法用于巖土體的工程力學(xué)計算中，并于1986年開發(fā)出Flac[4]。目前，該軟件從二維平面分析拓展到三維空間分析，已成為處理功能強大的新一代軟件—Flac3D。

Flac3D程序已成為目前巖土力學(xué)計算中的重要數(shù)值方法之一，它采用ANSI C++語言編寫，能夠進行土質(zhì)、巖石和其它材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動分析，并可通過調(diào)整三維網(wǎng)格中的多面體單元來擬合實際的結(jié)構(gòu)[5-6]。Flac3D采用的顯示拉格朗日算法和混合—離散分區(qū)技術(shù)能夠非常準確地發(fā)現(xiàn)模擬材料中的塑性破壞和流動。由于無需形成剛度矩陣，因此，采用較小的計算資源就能夠求解大范圍的三維巖土工程問題[7]。

本文以高速公路隧道淺埋段地表塌陷為實例，利用數(shù)值模擬軟件Flac3D建立計算模型[8]，對地表塌陷原因、圍巖破壞位置、加固前后圍巖受力狀態(tài)進行了詳細研究和對比[9]。并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)控量測和數(shù)據(jù)分析，驗證了數(shù)值模擬結(jié)果，預(yù)測淺埋黃土段隧道圍巖長期變形，確保注漿后隧道的穩(wěn)定和長期運營安全[10-11]。

1 工程背景

隧道出口段為V級圍巖，圍巖破碎，埋深，呈層塊構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育。隧道發(fā)生坍塌，初期支護全部垮塌并形成冒頂，地表下沉開裂形成凹坑。

通過現(xiàn)場勘察和塌方原因分析，認為導(dǎo)致塌方發(fā)生的原因有：（1） 隧道右洞掌子面為紅褐色粘土夾砂礫，夾石，拱部土質(zhì)松散；（2）坍方范圍埋深較淺，其中最淺處埋深僅，且地表存在偏壓；（3）本季雨水較多，雨水下滲導(dǎo)致土體重量增加，導(dǎo)致塌方冒頂。為了及時恢復(fù)施工秩序，決定對塌方區(qū)域進行地表注漿加固處理，以提高圍巖強度，確保隧道安全、順利通過淺埋黃土段。

2 模型的建立

采用有限差分軟件Flac3D，根據(jù)現(xiàn)場地形及地層建立數(shù)值計算模型，模型長140 m，寬60 m，高100 m；其中隧道寬14 m，高11.3 m。圍巖從上至下分別為：粉土層、砂土層、碎石土層及V級圍巖。隧道垂直穿過淺埋區(qū)域，淺埋段隧道拱頂埋深15m，淺埋區(qū)域沿掘進方向長40 m。數(shù)值模型如圖1所示。

模型邊界條件為：底部固定約束、四周約束法向位移、頂部為自由邊界。圍巖材料特性遵循Mohr-Coulomb屈服準則，初支通過實體單元模擬，按均質(zhì)彈性體考慮。選取六面體單元對模型進行網(wǎng)格劃分，假設(shè)模型在初始應(yīng)力條件下進行開挖，開挖前進行計算使模型不平衡率低于1e-5，得初始應(yīng)力場。計算荷載僅考慮圍巖自重及圍巖開挖釋放荷載，根據(jù)現(xiàn)場工程勘探報告選取模型計算參數(shù)見表1。

3 開挖模擬分析

當隧道通過淺埋區(qū)域時，分別采用正臺階法開挖，分析開挖過程中圍巖的變形發(fā)展情況。開挖按2m一循環(huán)開挖，40m長淺埋區(qū)域一個分為20個開挖循環(huán)，每個開挖循環(huán)計算1000時步。

圖2為圍巖剪應(yīng)變增量云圖。如圖所示，在采用正臺階法通過淺埋區(qū)域時，剪應(yīng)變增量分布與采用全斷面法無異，同樣潛在剪切帶已經(jīng)從地表至開挖面連通，存在剪切破壞可能。

臺階法開挖工序多于全斷面法，開挖時間亦更長，在Flac3D計算程序中，圍巖的變形隨著時步的增加會不斷增加（變形速率不為0）。故采用正臺階法開挖時，通過數(shù)值模擬得到的圍巖變形反而更大。這也說明在采用正臺階法開挖時，圍巖變形發(fā)展迅速而不能保持穩(wěn)定。開挖過程中1#～6#監(jiān)測斷面拱頂監(jiān)測點數(shù)據(jù)如圖3所示。隨著隧道的開挖，各監(jiān)測斷面拱頂沉降快速發(fā)展，其中3#監(jiān)測斷面（RK182+275）處拱頂下沉值達7.26m，已經(jīng)嚴重超出了圍巖變形破壞的控制范圍，圍巖出現(xiàn)大規(guī)模變形并導(dǎo)致破壞。圖4為開挖過程中A～E監(jiān)測點的地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)圖，其中B監(jiān)測點（RK182+280）的沉降值最大，達6.62m。

綜合上述分析，隧道采用正臺階法開挖通過淺埋區(qū)域時，圍巖的變形趨勢、塑性狀態(tài)與剪應(yīng)變增量分布與全斷面法開挖時差異不大。圍巖變形發(fā)展依然迅速，出現(xiàn)塑性屈服并導(dǎo)致破壞。同時，由于圍巖變形速率較大并保持恒定，數(shù)值計算中拱頂沉降值以及地表沉降值隨著計算時步的增加而增加。

4 結(jié)論

基于隧道工程實際和Flac3D數(shù)值計算程序，對雙側(cè)壓淺埋段隧道開挖過程進行了數(shù)值模擬分析。

分析隧道在淺埋段趨于開挖過程中圍巖的變化。選取全斷面法、正臺階法、正臺階留核心土法三種不同的開挖方式進行掘進，分析淺埋段圍巖在開挖過程中的變形規(guī)律及應(yīng)力狀態(tài)。結(jié)果顯示：通過三種方式開挖進入淺埋區(qū)域時，圍巖變形發(fā)展迅速、拱頂沉降和地表沉降值過大，遠超過正常變形范圍，且存在潛在的剪切帶。因此可認為，隧道在進入淺埋區(qū)域后的開挖會導(dǎo)致圍巖的破壞和地表土體的沉陷。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]