FLAC数值模拟分析

1、1工程概况研究此段为中条山隧道 K9+450K10+560段，此处隧道最大埋深约540 m ,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。700间变化。在AK9+900AK10+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FLAC3D进

2、行模拟的区段均取洞身 YK10+100YK10+180段。该区段为V级围岩区域，埋深为505512 m，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2-2 SVc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42 X 4 mm注浆小导管超前预加固围岩，长m， 环向间距35 cm，搭接长度m，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75 cm,每榀钢拱架之间采用 ©2

3、2钢筋连接，环形间距 m；锚杆采 用D25中空注浆锚杆，长 m,间距75 cm 纵X 100 cm 环，与钢拱架 交错 布置；喷C25早强混凝土 26 cm。二次衬砌和仰拱均为C30钢筋混凝土结构， 厚50cm。数值计算模型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+100YK10+160段采用大型有限差分软件 FLAC3D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I如图2-3所示模型图2-3计算模型I示意9360个实体单元。对于单侧壁导坑法,x、y、z各方向的长度分

4、别为 60 m、60 m和140 m。模型的外表为自由边界,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，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120 m、60 m和140 m。模型的外表为自由边 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flac3D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

5、均采用FLAC3D软件内置的壳单元shell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。数值计算说明需要说明的是，由于研究该段埋深很大，最大处到达540 m。此处假设隧道 埋深为500 m，假设地应力场仅考虑自重应力场，那么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z = 2650 XX 420 =。地应力平衡后，模型底部垂及图2-6所示。Pa)述方法进行平DZi:s衡t1:4, 0107e得1+e0T4.:0 应00102 竖 MZa.:22.500Co ntour of SZZM

6、agfac = 0.000e+000 Gradie nt Calculatio n-1.3537e+007 to - -1.2000e+007 -1 -1.0500e+007 to - -1.0000e+007 to -1In terval = 5.0e+005图2-5模型ITT4Hrr+-tol肿用i卩1.150toe+o0 0力01云图如图300050Inc. MinneaiItasca Consulting Group, - s - H一二 十1.3000e+0O7-1.e+ii位.25007j07 - 片507 rd'Id -1 1000e+CH Im-1.2500e+007

7、to e+007 to -1.0500e+007F LA C 3D 3.00 Step 17407 ModelPerspective 18:51:01 Mon Dec 05 2021Cen ter: Rotati on:z= 2650 XX 500 =直向应力z X=: 32.o6oo5e0+X 001 X 56 x0: =0., 000隧道中心垂直向应力现按照上Y: 3.000e+001 Y: 0.000Cen ter:Rotati on:X: 1.332e+001X: 0.000Y: 3.882e+001Y: 0.000乙 1.000e+001乙 40.000Dist: 4.371e+00

8、2Mag.: 1An g.: 22.500Co ntour of SZZMagfac = 0.000e+000Gradie nt Calculatio n1.4403e+007 to1.4000e+007 to1.3500e+007to1.3000e+007to1.2500e+007 to1.2000e+007 to1.1500e+007 to1.1000e+007 to1.0500e+007to1.4000e+001.3500e+001.3000e+001.2500e+001.2000e+001.1500e+001.1000e+001.0500e+001.0092e+00rrrr- a ii

9、Itasca Consulting Group, Inc. Minneapolis, MN USA图2-6模型U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2 m。纵向每个网格长为2 m。纵向有30个网格，即不管哪 种 工法，开挖到30步时，隧道模型即贯穿。表2-1材料参数汇总表材料密度 kg/m 3弹性模量 GPa泊松比黏聚力MPa内摩擦角0V级围岩265538初衬二次衬砌25030系统锚杆|047锁脚锚杆954超前导管954In terval = 5.0e+005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AgEgE E0Ac2-1)和钢筋网的弹性模量折算给

10、混凝土，其计算方法为: 式中：E折算后的混凝土弹性模量Pa； E0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 E1A1 E2 A22-2E 折算后的锚杆弹性模量Pa ； Ei 水泥砂浆弹性模量Pa; E2 钢管弹性模量Pa； A锚杆截面积m2；A1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外表方向移动， 引起围岩内应力的

11、 重新分布，直至到达新的平衡，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卩最早提出了 "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 皿曾建 议提出“反转应力释放法 ，Mana匚"卩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，

12、 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Clough 57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奉献的力， 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奉献的力的矢量 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， 释放这一局部的 80%的不平衡力，当初衬在这个位置成 环 时，再释放这一局部的 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到达平