FLAC3D 在膨脹巖隧道穩定性分析中的應用

王超朋 王丙坤

(中鐵隧道集團二處有限公司，河北三河 065201)

1 FLAC3D簡介

FLAC3D［1-4］是美國ITASCA國際咨詢與軟件開發公司開發的三維數值有限差分數值模擬軟件，是應用于土木工程、交通、水利、石油、采礦工程、環境工程的通用軟件，是國際上指定的巖土分析軟件。它的求解采用有限差分法，基本方程組合邊界條件一般近似地采用差分方程來表示，差分方程通常采用顯式、時間遞步法來解算。它的輸入和一般的數值分析程序不同，它可以用交互方式從鍵盤輸入各種命令，也可以寫成命令(集)文件，類似于批處理，由文件來驅動。它同時具有強大而又豐富的后處理功能，可以輸出包括云圖、矢量圖、曲線、數據等各種各樣的結果，同時利用Tecplot軟件能夠繪制等值線圖來分析研究，并能夠將不同的研究對象繪制在同一幅圖中來研究分析。

2 工程概況

富民2號隧道位于吉林省延吉市朝陽川鎮，進口里程GDK257+859，位于下東溝村以東約510 m;出口里程GDK259+668，位于梨花屯西約1 500 m，隧道全長1 809 m。隧道最大埋深約61 m。隧址位于吉琿線膨脹土區域，主要為下第三系琿春組(Eh2－3)泥質砂巖、砂質泥巖、泥巖，白堊系上統龍井組(Kl2)泥質砂巖、砂質泥巖、泥巖，白堊系下統大拉子組(Kd1)泥質砂巖、砂質泥巖、泥巖以及這些基巖上覆的殘坡積(Qel+dl4)粉質粘土、粘土層。其中膨脹性最強的巖性為白堊系上統龍井組(Kl2)泥巖，主要分布于延吉市區及其周邊。

3 膨脹巖隧道穩定性數值研究

3.1 施工方法和支護參數

在建的吉圖琿客專膨脹巖富民2號隧道開挖施工方法為CRD法，隧道開挖斷面形式采用曲墻斷面形式，隧道初期支護形式采用復式支護結構，形式為鋼筋網片噴射混凝土+中空組合、邊墻砂漿、鎖腳錨桿+工字形鋼;拱部和邊墻布設的鋼筋網片為φ8網片，網片縱環向間距為20 cm×20 cm，錨桿采用L=5.0 m，間距1.0 m×0.5 m(環×縱)，梅花形布設，拱部采用的是φ22組合中空錨桿，邊墻的錨桿形式為φ22的砂漿錨桿;型鋼采用的是間距50 cm，Ⅰ25的工字鋼;超前支護形式是在拱部進行預注漿，注漿管為L=4.5 m，φ42的超前小導管;每榀拱架拱腳采用L=4.5 m，φ42的鎖腳錨管，數量為12根;初期支護噴射雙層早強混凝土，第一層設計厚25 cm、第二層設計厚24 cm，拱墻噴射C30混凝土，仰拱噴射C25混凝土;二次襯砌設計厚85 cm，拱墻及仰拱采用C40鋼筋混凝土，仰拱填充C20混凝土。

3.2 參數選取和計算模型建立

3.2.1 選取計算參數

模擬計算中用到的巖石彈性模量、泊松比、粘聚力、摩擦角、密度等物理力學參數借助于巖石力學參數手冊和以前相似工程的經驗值來選取。數值模擬計算過程中，對于鋼拱架的考慮是采用等效的原理，即型鋼拱架與噴射混凝土之間的彈性模量換算，其具體換算公式如下所示［5］:

其中，E為進行等效換算后的混凝土彈性模量;E0為未進行換算前的原混凝土的彈性模量;Sc為噴射混凝土的截面面積;Eg為型鋼彈性模量;Sg為支護型鋼截面面積。模型計算參數見表1。

表1 模型計算參數

數值計算中用到的剪切模量和體積模量，能夠通過彈性模量(E)和泊松比(v)依據下面式(2)和式(3)關系換算得出，其換算關系為:

剪切模量:

體積模量:

3.2.2 建立數值計算分析模型

數值模型的建立以橫向為X軸方向，縱向也即隧道軸線方向為Y軸方向，豎向為Z軸方向，其中，X軸方向左右各取60 m巖土，約為8倍隧道開挖斷面寬度，Z軸方向向上取40 m巖體，約為3倍隧道開挖斷面高度，Z軸向下方向取40m巖體，Y軸方向采用1 m的巖體進行平面研究分析計算，建立了曲墻仰拱斷面三維數值模型，共生成了4 119個節點和2 656個單元。

模擬計算中，隧道圍巖按摩爾庫侖模型來考慮，隧道初期支護以及二次襯砌按彈性模型來考慮，隧道圍巖和二次襯砌按實體單元來建模(四邊形四節點網格)，隧道初期支護按殼體單元來建模，建立的計算模型如圖1所示。

圖1 三維計算模型

3.3 數值模擬穩定性分析

計算模型邊界條件為:坐標軸X，Y水平方向上的邊界約束，垂直方向Z軸的底面邊界約束，模型Z軸頂部方向無約束。

1)塑性區分布規律。圍巖在第一部開挖后，圍巖應力重新分布，開挖面周圍塑性區主要分布在開挖面底部左側及開挖面的左右側邊，相對分布比較均勻;圍巖在第二部開挖后，開挖面周圍塑性區分布發生變化，塑性區主要分布在開挖面左右側邊的45°方向，因此要加強該處的支護，而整個開挖面的拱頂塑性區分布范圍較小，圍巖擾動較小，如圖2所示。

2)圍巖應力分布規律。圍巖左上半斷面開挖后，圍巖應力重新分布，形成新的應力區，在開挖面的底部最小主應力應力集中，形成高應力區，而在開挖面的側邊最大主應力應力集中，形成高的應力區，應力云圖如圖3，圖4所示。

圖2 塑性區分布

圖3 最小主應力云圖

圖4 最大主應力云圖

3)圍巖位移分布。由圖5，圖6可知，對于膨脹巖隧道采用CRD開挖方法最大變形發生在拱腰45°方向和起拱線處，拱腰處最大豎向位移達到102 mm，圍巖變形已經達到穩定，然而沿著隧道起拱線方向向隧道中心軸線的變形值為98 mm，圍巖變形也已經達到穩定。根據上述可知，膨脹巖的富民2號隧道開挖施工方法選擇CRD法，對周邊圍巖的松動影響較小，阻止了膨脹圍巖大的變形出現，具有一定的優越性，是膨脹巖隧道比較理想的開挖施工方法。

圖5 豎向位移云圖

圖6 水平位移云圖

4 結語

吉圖琿客專膨脹巖隧道比較理想的開挖施工方法為CRD法，在CRD法隧道斷面開挖施工過程中，每一步的開挖都可以非常好地得到控制，而且對周邊圍巖的松動影響也較小，小循環，短支護在膨脹巖隧道的斷面開挖過程中具有一定的優越性。通過利用有限差分數值模擬軟件FLAC3D可以將膨脹巖隧道不同斷面開挖方法很好地模擬出來，在一定程度上可以較好地對不同隧道斷面開挖方法下圍巖的穩定性做出評價，這一點對于隧道的設計和施工來說具有一定的現實意義。

［1］陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例［M］.北京:中國水利水電出版社，2008.

［2］彭文斌.FLAC3D實用教程［M］.北京:機械工業出版社，2007.

［3］劉 波，韓彥輝.FLAC原理實例與應用指南［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［4］李 圍.隧道及地下工程FLAC解析方法［M］.北京:中國水利水電出版社，2009.

［5］王超朋.木寨嶺隧道軟件大變形控制技術研究［D］.焦作:河南理工大學，2010.