深部軟巖巷道錨噴支護(hù)數(shù)值模擬分析

胡 雪，吳德義

深部軟巖巷道錨噴支護(hù)數(shù)值模擬分析

胡 雪1,2，吳德義1,2

(1.安徽建筑大學(xué) 建筑健康監(jiān)測(cè)及災(zāi)害預(yù)防技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230061；2.安徽建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)與地下工程省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230061)

為研究直墻半圓拱形巷道在錨噴支護(hù)下的受力狀態(tài)，運(yùn)用先進(jìn)的FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算中采用應(yīng)變軟化模型。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，得到在錨噴支護(hù)下，自重應(yīng)力對(duì)開(kāi)挖后直墻半圓拱的拱頂沉降、邊墻位移以及塑性區(qū)大小的影響。結(jié)果表明，深部軟巖巷道不同部位塑性區(qū)存在差異，拱腰和兩側(cè)邊墻塑性區(qū)最大，朝拱頂和巷道底部方向塑性區(qū)逐漸減小。因此巷道邊墻中部、拱腰是比較關(guān)鍵的部位，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

FLAC3D；巷道支護(hù)；數(shù)值模擬；塑性范圍

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，巷道開(kāi)挖深度逐漸加深，規(guī)模越來(lái)越大，其開(kāi)挖安全問(wèn)題也越來(lái)越受到人們的重視。在實(shí)際工程中，巷道開(kāi)挖過(guò)程伴隨著各種風(fēng)險(xiǎn)和安全問(wèn)題，錨噴支護(hù)是目前解決這類(lèi)問(wèn)題的重要途徑。巷道變形和受力狀態(tài)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)問(wèn)題，通過(guò)FLAC3D軟件模擬，可以得出巷道開(kāi)挖后應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分布的大致規(guī)律[1]。同時(shí)通過(guò)分析直墻半圓拱形巷道水平位移的變化，拱頂沉降及塑性區(qū)的變化，來(lái)判斷巷道在錨噴支護(hù)下的受力狀態(tài)，從而對(duì)易發(fā)生破壞的部位加強(qiáng)支護(hù)。

1 工程概況

本文以淮南某礦區(qū)巷道為數(shù)值模擬模型。巷道的埋深H=900 m，跨度L=6 m，邊墻的高度h=5 m。錨桿直徑D=20 mm，長(zhǎng)度L=2.2 m，錨桿為無(wú)縱筋錨桿，間距為800 mm×800 mm；混凝土選擇C30強(qiáng)度等級(jí)，噴射混凝土厚度為200 mm，彈性模量E=30 GPa，泊松比μ=0.15，通過(guò)計(jì)算分析錨噴支護(hù)下巷道圍巖變形破壞情況。

2 FLAC3計(jì)算模型

為了提高巷道開(kāi)挖后圍巖的穩(wěn)定性，錨噴支護(hù)被越來(lái)越多地應(yīng)用到實(shí)際工程中。地下工程巷道支護(hù)系統(tǒng)包括錨桿，錨索，混凝土噴層等[2]。在進(jìn)行巷道開(kāi)挖的過(guò)程中，巷道周?chē)鷷?huì)依次形成破碎圈、裂隙圈、塑性圈和彈性圈。巷道表面邊墻位移相對(duì)較大，因此必須進(jìn)行合理支護(hù)，保持巷道圍巖的穩(wěn)定性。實(shí)施有效的支護(hù)，控制巷道變形[3]，針對(duì)巷道不同部位的圍巖穩(wěn)定性需要進(jìn)行進(jìn)一步研究，從而達(dá)到穩(wěn)定巷道圍巖,節(jié)省建筑材料的目的。

2.1模型建立

模型的建立是FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬的基礎(chǔ)。該巷道直墻高為2 m，跨度為6 m，半圓拱半徑為3 m，巷道埋深為900 m。巷道巖性均勻，可近似處理為均一巖體[4]。

根據(jù)巷道的實(shí)際情況，將沿隧道橫截面向右的方向定為X軸正方向，將沿隧道深度向內(nèi)的方向定為Y軸正方向，將沿巷道豎直向上的方向定為Z軸正方向。根據(jù)對(duì)稱(chēng)原理，將原點(diǎn)定為巷道開(kāi)挖的中心。數(shù)值模擬計(jì)算范圍根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，取30 m為計(jì)算邊界。巷道模型如圖1、圖2所示，巷道斷面形狀為直墻半圓拱，支護(hù)形式選擇錨噴支護(hù)。

圖1 巷道斷面及支護(hù)圖 圖2 巷道模型

2.2邊界條件

根據(jù)實(shí)際需要，該模型采用應(yīng)變軟化模型。在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，需要對(duì)位移邊界和應(yīng)力邊界進(jìn)行固定。首先要約束水平方向上的位移，本例固定左邊邊界X=-30 m和右邊邊界X=30 m上的位移和位移邊界，其次要約束前方邊界Y=0 m和后方邊界Y=2 m上的位移和位移邊界。最后固定巷道底面Z=-30 m上的位移和位移邊界，約束豎直方向的位移。其余邊界采用荷載邊界。

2.3力學(xué)參數(shù)

土體材料采用應(yīng)變軟化模型，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，需確定體積模量和剪切模量，可以通過(guò)公式求得。體積模量為：

(1)

剪切模量為：

(2)

該模型的相關(guān)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

表1 巷道圍巖力學(xué)參數(shù)

表2 混凝土力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1錨噴支護(hù)下巷道塑性區(qū)分析

在進(jìn)行巷道開(kāi)挖的過(guò)程中，巷道圍巖會(huì)受到各個(gè)方向的應(yīng)力，從而進(jìn)行應(yīng)力重分布。研究表明，塑性區(qū)和巷道圍巖巖體性質(zhì)密切相關(guān)，塑性區(qū)的范圍反映了圍巖穩(wěn)定性的高低。在進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析時(shí)，塑性區(qū)影響需引起重視。錨噴支護(hù)下巷道塑性區(qū)分布結(jié)果如圖3所示。

圖3巷道塑形區(qū)分布圖4巷道X方向位移分布

由圖3可知：兩側(cè)圍巖塑性區(qū)的分布范圍比拱頂塑性區(qū)分布范圍大，巷道拱腰和兩邊側(cè)墻圍巖更容易失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致巖石破碎；尤其在拱腰處，塑性區(qū)最大。所以在進(jìn)行巷道圍巖支護(hù)的時(shí)候，應(yīng)注意塑性區(qū)引起的破壞，適當(dāng)增加噴射混凝土厚度和優(yōu)化錨噴支護(hù)形式和參數(shù)，可以有效改善圍巖失穩(wěn)的問(wèn)題。采用適用于深部軟巖巷道最佳支護(hù)技術(shù)，對(duì)保證巷道圍巖穩(wěn)定性至關(guān)重要[5]。

3.2錨噴支護(hù)下巷道X方向位移穩(wěn)定性分析

圖4為錨噴支護(hù)下巷道水平方向的位移分布圖。由圖4可知：在進(jìn)行巷道開(kāi)挖時(shí)，圍巖兩側(cè)在水平方向的位移相對(duì)較大，拱頂和巷道底部方向位移逐漸減小，在拱腰處位移最大。為了保證巷道開(kāi)挖的穩(wěn)定性及施工的安全性，在進(jìn)行巷道支護(hù)時(shí)需要多加注意拱腰部及巷道兩邊側(cè)墻的支護(hù)。錨噴支護(hù)可以有效提高圍巖穩(wěn)定性，控制圍巖變形[6-7]。對(duì)巷道易失穩(wěn)的部位，選取合適的錨噴支護(hù)形式[8-9]，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，使圍巖變形降低，塑性區(qū)減小，圍巖完整性增加。從而增加施工安全性，有效提高工程效益。

3.3錨噴支護(hù)下巷道不同部位總位移情況對(duì)比分析

為了定量分析錨噴支護(hù)下巷道不同部位整體位移情況，分別選取巷道中心線處、巷道底部及巷道拱腰處為參考部位，進(jìn)行模擬對(duì)比分析。由圖5可知：直墻半圓拱巷道拱腰處總位移最大，巷道中心線上各點(diǎn)總位移次之，巷道底部位置的總位移相對(duì)較小。臨近巷道表面時(shí)，各點(diǎn)位移變化幅度很大，隨著距巷道表面水平距離的增加，變化趨于穩(wěn)定。巷道中心線與巷道拱腰處位移變化隨著距離巷道表面水平距離的增加而接近，而巷道底部位移隨著距離巷道表面水平距離的增加逐漸減小，最后趨近于零。

4 結(jié)論

通過(guò)FLAC3D軟件對(duì)某直墻半圓拱形巷道在錨噴支護(hù)下的受力狀態(tài)進(jìn)行模擬分析研究，得到在錨噴支護(hù)下，自重應(yīng)力對(duì)巷道開(kāi)挖后的直墻半圓拱的拱頂沉降，邊墻位移以及塑性區(qū)大小的影響。通過(guò)分析巷道不同部位位移場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1) 深部軟巖巷道不同部位受力存在差異，巷道開(kāi)挖對(duì)周?chē)馏w影響不同。在進(jìn)行巷道開(kāi)挖后，巷道邊墻的支護(hù)應(yīng)引起足夠的重視。通過(guò)FLAC3D軟件計(jì)算模擬可知，巷道表面位移變化幅度大，為容易失穩(wěn)的部位。隨著距巷道表面距離的增加，圍巖受力越來(lái)越小，整體位移也隨之減小，巷道開(kāi)挖對(duì)其影響逐漸減小。

圖5 巷道各部位總位移變化曲線

(2) 巷道開(kāi)挖過(guò)程中巷道表面各部位塑性區(qū)，水平位移及總位移均存在差異。拱腰和兩側(cè)邊墻塑性區(qū)最大，水平位移和整體位移相對(duì)較大，為最易失穩(wěn)部位。拱頂和巷道底部方向塑性區(qū)逐漸減小，位移量也隨之減小，失穩(wěn)可能性降低。

(3) 在進(jìn)行巷道圍巖支護(hù)時(shí)，對(duì)巷道易失穩(wěn)的部位，選取合適的錨噴支護(hù)形式，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，同時(shí)適當(dāng)增加噴射混凝土厚度，可使圍巖變形降低，塑性區(qū)減小，圍巖穩(wěn)定性增加。

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Simulationanalysisofdeepsoftrockroadwayunderbolt-shotcretesupport

HU Xue1,2,WU De-yi1,2

(1.NationalandLocalJointEngineeringLaboratoryofBuildingHealthMonitoringandDisasterPreventionTechnology,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230601,China; 2.AnhuiKeyLaboratoryofBuildingStructureandUndergroundEngineering,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230601,China)

To research the strained condition of straight wall semicircle arch tunnel under the bolt-shotcrete support,advanced FLAC3D numeral simulation software was applied to numerical simulation,adopting the strain softening model.By numerical simulation,the influence of gravity stress of tunnel can be got under the bolt-shotcrete support,which is about the sedimentation of semicircular arch,the displacement of tunnel side wall and the size of plastic zone after roadway excavation.It turned out that stress is different at different position of deep soft rock roadway.The highest stresses was at haunch and both sides of wall.The stress was gradually decreased in the direction of the vault and the bottom of the roadway.The side wall central section and the haunch were key parts of the roadway where should be strengthened to support.

FLAC3D; roadway support; numerical simulation; plastic range

2017-03-01

國(guó)家自然科學(xué)基金(51374009，51674005)；安徽省自然科學(xué)基金(1608085ME105)

胡 雪(1992—)，女，江蘇徐州人，碩士研究生。

1674-7046(2017)03-0001-04

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.03.001

TU457

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