基于FLAC3D模擬隧道有無支護應(yīng)力與位移演化特征

吳登超，楊本水，程長清

（安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,合肥 230601）

引言

隨著工程建設(shè)不斷發(fā)展，隧道工程在地下工程中應(yīng)用極為廣泛。但是隧道環(huán)境變化復(fù)雜，地應(yīng)力和地質(zhì)復(fù)雜性隨之增加，對于隧道圍巖穩(wěn)定控制、圍巖應(yīng)力及位移變形方面的研究迫在眉睫。為保證隧道圍巖安全施工，圍巖支護成為隧道工程應(yīng)用及發(fā)展的重要研究課題。

很多學(xué)者在圍巖支護方面開展了研究。李曉斌［1］運用灰色關(guān)聯(lián)度分析法對圍巖穩(wěn)定性類別進(jìn)行研究，楊坦［2］采用FLAC3D軟件對地鐵隧道開挖過程進(jìn)行了模型構(gòu)建研究。賀耕夫［3］基于Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則對于寒區(qū)圓形隧道理想彈塑性圍巖的塑性區(qū)半徑進(jìn)行了研究。姜諳男［4］研究獲得了Hoek-Brown應(yīng)變軟化參數(shù)表征的改進(jìn)單元安全度公式。常建強［5］通過FLAC3D軟件分析了馬蹄形、圓拱形和橢圓形等3種不同斷面隧道的應(yīng)力場、位移場和塑性區(qū)的分布特征。伍達(dá)富［6］用ANSYS10.0有限元軟件建立錨桿支護單元與噴混支護單元的隧道開挖模型，以隧道拱頂下沉值作為判別依據(jù)，比較分析了不同錨桿長度和不同圍巖級別下隧道拱頂下沉值變化關(guān)系。李濤［7］通過建立全粘結(jié)錨桿與圍巖相互作用的數(shù)值分析模型，基于錨桿中性點理論及隧道圍巖分區(qū)破裂理論，分析了高地應(yīng)力下不同圍巖側(cè)壓力對錨桿中性點及圍巖分區(qū)破碎的影響。趙東平［8］從力學(xué)機理及理論計算方法上對隧道系統(tǒng)錨桿與圍巖聯(lián)合作用機理及承載拱的承載原理進(jìn)行了深入研究。張志強［9］采用原始PILE單元與修正PILE單元，進(jìn)行了錨桿剪切試驗與單弱面層狀巖體隧道錨桿支護的對比分析。羅豪［10］分析了巷道在無支護、錨桿支護、錨噴支護和錨噴+錨索支護等不同條件下圍巖的變形規(guī)律。徐剛［11］通過分析影響錨桿預(yù)緊力的預(yù)緊力矩等因素，提出了降低摩擦阻力、增大錨桿安裝力矩2個途徑增強錨桿預(yù)緊力。王偉［12］基于巷道圍巖支護理論，采用FLAC3D對巷道圍巖進(jìn)行了模擬，通過錨桿加噴漿支護的方式，提高錨固巖體的穩(wěn)定性，并對錨噴支護前后的圍巖應(yīng)力和位移變化進(jìn)行了分析。由文獻(xiàn)［13-20］相關(guān)基本理論可知隧道圍巖幫部和拱底腳部是圍巖穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵點，加強其關(guān)鍵點的支護有助于提高圍巖穩(wěn)定性控制。本研究通過FLAC3D軟件研究圍巖高強預(yù)緊力支護形式的可行性。在側(cè)壓力系數(shù)為λ=2.5情況下分析了隧道開挖后，無支護情況下圍巖變形特征，施加錨桿掛網(wǎng)噴漿支護后的圍巖變形特征，確定了隧道圍巖支護方案，為工程實踐提供一定參考。

1 基于Hoek-Brown準(zhǔn)則隧道圍巖破壞條件

Hoek-Brown屈服準(zhǔn)則［10］又稱為Hoek-Brown經(jīng)驗方程，是Hoek和Brown總結(jié)得出的巖塊和巖體破壞時主應(yīng)力之間的經(jīng)驗關(guān)系。由于該準(zhǔn)則可以很好的反應(yīng)出巖石和巖體的非線性破壞特征以及結(jié)構(gòu)面位移、應(yīng)力狀態(tài)對強度的影響,并且能夠較好說明應(yīng)力之間對強度的影響,所以在工程中應(yīng)用極為廣泛。

設(shè)隧道圍巖內(nèi)支護力為P0，隧道半徑為r0，塑性區(qū)半徑為R。根據(jù)Hoek-Brown屈服強度準(zhǔn)則，破壞條件表達(dá)式為：

式中：σ1、σ2為巖體破壞時的最大、最小主應(yīng)力；σc為單軸抗壓強度；m、s分別為巖體材料常數(shù)，取決于巖石性質(zhì)以及破碎程度。

當(dāng)以應(yīng)力不變量進(jìn)行表述時，Hoek-Brown條件可寫成：

式 中：θσ為Loed角；I1為 平 面 應(yīng) 力；J2=為偏應(yīng)力第2不變量。

在應(yīng)力空間中，屈服曲面是一個具有6個拋物面組成的錐形面，如圖1所示，在6個拋物面的交線上具有奇異性。

圖1 應(yīng)力空間中的Hoek-Brown條件

為了消除奇異性，用橢圓函數(shù)g(θσ)逼近這一不規(guī)則的六角形：

其中：

式中qc、ql分別為受壓與受拉時的偏應(yīng)力。

因而，式（2）成為一個光滑、連續(xù)的凸曲面，并表示如下：

其中：

2 工程算例

在隧道工程Ⅳ級圍巖工程中，隧道總跨度為10 m，邊墻高5 m，采用Flac3D模擬施工現(xiàn)場的實際情況：每施工段長度1 m，隧道埋深20 m，隧道圍巖截面形狀設(shè)計為園拱，結(jié)合相關(guān)研究和實際情況，取場地各巖土層的主要物理及力學(xué)指標(biāo)見表1，并建立模型如圖2所示。

表1 部分巖土力學(xué)性質(zhì)參數(shù)估值表

圖2 數(shù)值模擬模型

本文中主要對比有無支護情況下的塑性區(qū)變化，位移和應(yīng)力變化等。采用錨桿掛網(wǎng)噴漿支護形式，混凝土噴射層厚100 mm，標(biāo)號為C20，頂板錨桿設(shè)置3根φ22 mm，長度為3000 mm尺寸的金屬錨桿，間距為1000 mm，排距為1500 mm，設(shè)置的錨桿與開挖面相切方向垂直面的夾角為20°，頂板中間1根沿開挖斷面垂直方向。

由于實際隧道工程埋深不同，側(cè)壓力系數(shù)大小也是隨之改變，為了能夠更好模擬隧道穩(wěn)定性，模擬側(cè)壓力系數(shù)選擇為λ=2.5。

當(dāng)隧道開挖后，隧道圍巖應(yīng)力重新分布，隧道的頂?shù)装寮皟蓭彤a(chǎn)生變形、甚至破壞。由于隧道為圓拱形狀，邊墻高5 m，根據(jù)經(jīng)驗取6倍的隧道半徑為圍巖影響區(qū)，所以取30 m為邊界，劃分網(wǎng)格的邊長為0.5 m，只分析X-Z平面上的受力及位移情況即可。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 塑性區(qū)分布特征

隧道土體開挖結(jié)束后，土體側(cè)壓力系數(shù)為λ=2.5時的整體塑性區(qū)位移如圖3（a）所示。隧道圍巖施工錨桿及噴漿支護后的塑性區(qū)位移如圖3(b)所示。由圖3(a)分析可知：隧道圍巖截面由于開挖后圍巖未采用支護方案，可以看出隧道拱底、角拱頂、拱肩等部位出現(xiàn)塑性區(qū)，且塑性區(qū)有繼續(xù)增大趨勢，導(dǎo)致隧道圍巖的穩(wěn)定性不良，隧道圍巖隨時可能出現(xiàn)危險。由圖3(b)分析可知，當(dāng)隧道開挖完成，并布置全金屬錨桿支護后，隧道圍巖穩(wěn)定性得到有效控制，圍巖的塑性區(qū)明顯得到改善，拱肩和拱頂?shù)慕孛婕羟衅茐膮^(qū)基本消失，拱肩和底板加固區(qū)只有小面積的截面剪切破壞。這充分表明布置掛網(wǎng)噴漿配合錨桿支護措施很好地控制了隧道周邊圍巖的塑性發(fā)展，使得隧道圍巖穩(wěn)定性得到有效控制。

圖3 支護前后塑性區(qū)分布

3.2 Z、X方向位移變化特征

隧道土體開挖結(jié)束后，土體側(cè)壓力系數(shù)為λ=2.5時，Z和X方向的位移云圖及隧道圍巖施工錨桿及噴漿支護后位移云圖如圖4所示。

由圖4（a）可以看出，隧道開挖后圍巖未支護時的z方向位移變化情況，圍巖多處區(qū)域位移量較大，拱頂豎直位移達(dá)到8.142 mm。由圖4(b)可以看出，當(dāng)隧道開挖完成，并布置全金屬錨桿支護后，隧道圍巖拱頂?shù)奈灰屏棵黠@減小，且位移量只有3.172 mm，其他條件不變情況下，位移減小約5 mm，圍巖底板鼓起的位移面積減小非常明顯。可見，錨桿支護對圍巖的垂直位移得到了有效控制。

由圖4(c)可以看出，隧道開挖后圍巖未支護時得x方向位移變化情況，邊墻水平位移最大，且達(dá)到9.963 mm。當(dāng)圍巖施加錨桿支護后，由圖4(d)可以看出，隧道圍巖邊墻位移量明顯減小，位移量僅為2.039 mm，支護前后在其他條件不變的情況下位移減小約8 mm?？梢姡^桿支護對隧道圍巖的水平位移得到了有效控制。

圖4 Z、X方向支護前后位移云圖

3.3 Z、X方向應(yīng)力特征

隧道土體開挖結(jié)束后，在側(cè)壓力系數(shù)為λ=2.5時,Z、X方向的應(yīng)力云圖及隧道圍巖施工錨桿及噴漿支護后的應(yīng)力云圖如圖5所示。

由圖5(a)可以看出，隧道開挖后圍巖未支護時，關(guān)于X方向圍巖應(yīng)力，拱頂水平壓應(yīng)力最大，底角、頂板次之，且圍巖應(yīng)力有繼續(xù)變化特征。由圖5(b)可以看出，隧道開挖圍巖施加錨桿支護后，隧道圍巖底板、拱頂、邊墻區(qū)域在施加錨桿支護后的水平壓應(yīng)力范圍和大小變化較為明顯，在較遠(yuǎn)巖層中受水平拉應(yīng)力區(qū)域和大小也隨之減小，由此看出結(jié)構(gòu)面受力情況得到了有效控制。

由圖5(c)所示為隧道開挖后圍巖未支護時的z方向圍巖應(yīng)力，最大垂直應(yīng)力出現(xiàn)在拱底角處，拱頂和底板垂直應(yīng)力均勻分布。由圖5(d)可以看出，隧道開挖圍巖施加錨桿支護后，圍巖受力與圍巖未支護相比，巖層應(yīng)力分布更加均勻，受力狀態(tài)有所改善，隧道圍巖更加安全。

圖5 X、Z方向支護前后應(yīng)力云圖

4 工程試驗

隧道未施工掛網(wǎng)噴漿+錨桿支護時，其頂幫變形嚴(yán)重，且底板起鼓，可以視為隧道普通支護效果較差區(qū)域。根據(jù)Hoek-Brown準(zhǔn)則與數(shù)值模擬確定的方案進(jìn)行支護施工，并在其頂板、兩側(cè)幫設(shè)置監(jiān)測站，并觀測記錄數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 監(jiān)測站觀測記錄數(shù)據(jù)

在現(xiàn)場進(jìn)行檢測結(jié)束后，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得：頂板和底板累計位移量達(dá)250 mm，兩側(cè)幫位移量累計達(dá)292 mm。通過普通支護方案和施工掛網(wǎng)噴漿+錨桿支護對比分析，該支護方案使得隧道圍巖明顯減小變形，改善了圍巖受力情況。

5 結(jié)論

（1）隧道斷面施工結(jié)束后，圍巖附近應(yīng)力發(fā)生變化，巖體產(chǎn)生較大范圍的塑性區(qū)，且產(chǎn)生剪切破壞，導(dǎo)致隧道圍巖產(chǎn)生各個方向位移，使得圍巖整體的穩(wěn)定性得不到保證，必須采取合理的支護方案解決問題。

（2）一般工程隧道處于堅硬巖層中，而該案例處于中風(fēng)化巖層中，圍巖自身穩(wěn)定性較差，具有一定特殊性，而采用掛網(wǎng)噴漿加錨桿支護的方式可以很好地進(jìn)行解決，并滿足了隧道圍巖穩(wěn)定性要求。

（3）隧道施加錨桿與圍巖共同形成一個承載體后，改善了圍巖應(yīng)力狀態(tài)，有效控制了隧道附近巖體變形，使得圍巖塑性區(qū)、垂直和水平位移明顯減小，從而保證了隧道圍巖的穩(wěn)定性。由此看出，錨桿配合掛網(wǎng)噴漿護方案，使得圍巖穩(wěn)定性大大提高，滿足隧道安全性要求。該支護方案可為其他類似隧道圍巖支護提供一定參考。