FLAC-数值模拟分析

1、1工程概况研究此段为中条山隧道 K9+45旷K10+560段，此处隧道最大埋深约540m,主要由太古界涑水 群表壳岩组合解州片麻岩（Hgn）地层组成，构成中条山隧道分水岭北侧的主体；此段组成隧道的 围岩岩性主要为变粒岩、花岗片麻岩等。该套地层岩性复杂，组合无规律。岩层产状整体倾向南东， 倾角一般在50°70°间变化。在AK9+90旷AK10+000段为区域性断层影响段，此断层为破碎岩石 组成，将为基岩裂隙水下渗提供通道，隧道开挖必将引起涌水，同时此段围岩稍差，施工时易引起坍塌。此段同时也是中条山北侧泉水主要涌出段，水文情况复杂。总体评价，本段工程地质条件差。在此处，具体运用

2、FLA©。进行模拟的区段均取洞身 YK10+10CYK10+180段。该区段为V级围 岩区域，埋深为505512m，为断层，附近太古界涑水群花岗片麻岩、黑云斜长片麻岩、岩石破 碎。隧道断面为SVc型，如图2-2所示。图2-2SVc型隧道断面图隧道衬砌按新奥法原理设计，采用SVc型复合式衬砌，该衬砌适用于隧道洞身V级断层影响带 及软弱破碎围岩段的初期支护及衬砌，超前支护各环采用42X4mm注浆小导管超前预加固围岩，长4.5m，环向间距35cm，搭接长度1.3m，斜插角10°15°，每环37根；初衬以喷、锚、网为主 要支护手段：钢拱架为120a型钢，纵向间距75cm，

3、每榀钢拱架之间采用© 22钢筋连接，环形间距 1.0m ;锚杆采用D25中空注浆锚杆，长3.5m，间距75cm （纵）x 100cm （环），与钢拱架交错布 置；喷C25早强混凝土 26cm。二次衬砌和仰拱均为C30钢筋混凝土结构，厚50cm。1.2数值计算模型 , I I ' I j根据中条山隧道工程的实际状况，为提高计算速度，在保证计算精度的前提下，取桩号YK10+10CYK10+160段采用大型有限差分软件 FLA©。进行建模分析。对于全断面法、预留核心土法、台阶法，由于整个隧道模型左右对称，为减少计算量，可取隧!道模型的一半计算，隧道的计算模型I如图2-3所

4、示。图2-3计算模型I示意图x、y、z各方向的长度分别为60m、60m和140m。模型的表面为自由边界，底部为固定边界 条件，四周为法向位移约束边界条件。模型共有10912个节点，9360个实体单元。对于单侧壁导坑法，由于整个隧道模型左右不对称，可取隧道模型的一半计算，隧道的计算模 型II如图2-4所示。x、y、z各方向的长度分别为120m、60m和140m。模型的表面为自由边界，底部为固定边界 条件，四周为法向位移约束边界条件。模型共有25637个节点，23220个实体单元。图2-4计算模型II示意图FLACd提供了丰富的单元库供用户选择，这样可以对各种材料进行模拟。计算中V级围岩均采 用摩

5、尔一库伦材料，初期支护体系中的喷层混凝土视为线弹性体，二次衬砌混凝土及仰拱均采用-来源网络，仅供个人学习参考FLaCd软件内置的壳单元（shelI）进行模拟，系统锚杆和锁脚锚杆均分别采用锚索单元（cable）和 桩单元（pile）进行模拟，超前导管采用桩单元（pile）进行模拟。各材料参数见表 2-1。1.3数值计算说明需要说明的是，由于研究该段埋深很大，最大处达到540m。此处假设隧道埋深为 500m,假设地应力场仅考虑自重应力场，则按照等效方法在模型顶部竖直方向应施加的垂直向应力为6=2650 X 9.8 X 420=10.91MPa。地应力平衡后，模型底部垂直向应力二z =2650 X

6、9.8 X 560=14.54MPa,隧道中心垂直向应力 二=2650X 9.8X 500=12.99MPa现按照上述方法进行平衡，得 到的竖向应力云图如图2-5及图2-6所示。图2-5模型I平衡地应力后垂直向应力分布云图（单位：Pa）图2-6模型n平衡地应力后垂直向应力分布云图（单位：Pa）隧道开挖进尺为2m。纵向每个网格长为2m。纵向有30个网格，即不论哪种工法，开挖到30 步时，隧道模型即贯穿。表2-1材料参数汇总表密度弹性模量1内摩擦角材料泊松比黏聚力（MPa）(kg/m 3)GPa)(° )V级围岩265050.40.08538初衬2438.730.110.2二次衬砌250

7、0300.2系统锚杆247992.1锁脚锚杆254968.6超前导管254968.6对于初期支护中钢拱架和钢筋网的支护作用采用等效方法计算，即将钢拱架和钢筋网的弹性模量折算给混凝土，其计算方法为：E = E°+些（2-1） Ac式中：E折算后的混凝土弹性模量（Pa）;Eq原混凝土的弹性模量（Pa）;Ag初期支护钢拱架的截面积（m2）;Eg初期支护钢拱架的弹性模量（Pa）;Ac混凝土的截面积（m2）。对于系统锚杆及锁脚锚杆的参数选取，亦同样采用折算方法计算获得，其计算方法如下：EA 語 A E2A2 （2-2）E折算后的锚杆弹性模量（Pa）;E1水泥砂浆弹性模量（Pa）;E2钢管弹性模

8、量（Pa）;A锚杆截面积（m2）;Ai水泥砂浆截面积（m2）;A2钢材截面积（m2）；对于隧道，实际开挖中，由于卸载打破了原来的平衡，围岩内的各质点在地应力的作用下，将沿最短距离向消除阻力的自由表面方向移动， 引起围岩内应力的重新分布，直至达到新的平衡，形 成所谓的“二次应力场”。开挖卸载之前，沿开挖边界上的各点都处于一定的初始应力状态，开挖 使这些边界的应力解除，从而引起围岩变形和应力场的变化。 从应力路径上看，隧道的开挖过程中 应力场的变化是卸载的产物。因此，如何模拟出这种卸载作用显得尤其重要。为更精确的计算出隧道围岩变形及受力变化，Duncan和Dunlop （1969） i最早提出了

9、“反转应力释放法”，之后，国内 外学者对其展开了深入研究，孙钧（1988）叩曾建议提出“反转应力释放法” ，Man a问曾提出由挖 去单元所产生的释放荷载节点力向量提取等效释放荷载向量的方法，这些都对隧道开挖模拟方面， 起到了指导作用。在此处开挖岩体应力释放过程中，采用 Mana和Cloughf57提出的方法，即在每一步开挖之后， 开挖体边界的节点将失去开挖体与之相连单元贡献的力，故在这些节点处，不平衡力将不再为0，其为开挖掉的与之相连单元贡献的力的矢量和， 指向开挖面。而其他位置的节点，由于未发生应力 增量，故其不平衡力仍然为0。此时再通过计算得出新的位移场和应力场。再进行下一步开挖计算。在

10、此处的三维模型模拟当中，由于考虑到隧道开挖的时空效应，同时考虑到其与支护的共同作 用。对应每一次开挖步，应力并不是一次释放完全的，当刚刚开挖到隧道某个位置时，释放这一部 分的80%的不平衡力，当初衬在这个位置成环时，再释放这一部分的10%的不平衡力，当仰拱或二 衬到达这个位置时，最后释放其 10%的不平衡力。此处运用不同工法进行施工时，具体的模拟过程如下：（1）在模型顶部施加等效应力，平衡地应力；（2）隧道开始开挖，每开挖一步，即计算 1时步，记录此时开挖边界节点处的不平衡力，即 原来开挖体对围岩的支撑力，反向加载这 10%的支撑力，再计算3000时步，隧道最大不平衡力很 小，即可认为开挖一步后达到平衡。（3） 开挖继续向前推进，当施作初衬时，反向加载此位置初始记录时的开挖界面各节点的10% 的不平衡力；同时前方工作面继续开挖，按照（2）释放应力。计算