基于FLAC3D的隧道分臺階開挖數值模擬與分析

尤帆帆 邱曉莉

(1.廣州市高速公路有限公司，廣東 廣州 510000； 2.廣東省電力設計研究院，廣東 廣州 510000)

基于FLAC3D的隧道分臺階開挖數值模擬與分析

尤帆帆1邱曉莉2

(1.廣州市高速公路有限公司，廣東 廣州 510000； 2.廣東省電力設計研究院，廣東 廣州 510000)

基于有限差分法的FLAC3D數值模擬，對隧道的分臺階開挖進行了計算與分析，研究了隧道開挖過程中的位移變化和穩定狀態，提出了相應的預防措施和建議，分析結果為隧道施工控制提供了理論支持。

FLAC3D，隧道，分臺階開挖，數值模擬

1 FLAC3D簡介

有限元計算方法經常使用在工程結構的數值分析中[1-3]，FLAC3D不同于其他有限元程序，它采用的是有限差分法。在有限差分法中，基本方程組和邊界條件(一般均為微分方程)近似地改用差分方程(代數方程)來表示，即：由空間離散點處的場變量(應力，位移)的代數表達式代替。這些變量在單元內是非確定的，從而把求解微分方程的問題改換成求解代數方程的問題，能相對高效地在每個計算步驟重新生成有限差分方程。在有限元法中，常采用隱式、矩陣解算方法，而有限差分法則通常采用顯式、時間遞步法解算代數方程。FLAC3D程序具有強大的后期處理功能，用戶可以用以直接在屏幕上繪制或以文件形式創建和輸出打印多種形式的圖形，還可以根據需要，將若干個變量合并在同一幅圖形中進行研究分析。

2 隧道模型的建立

某工程隧道長50 m，橢圓形隧道高8 m，寬12 m(包括襯砌)，計算模型中邊界設置為寬90 m，隧道頂距地面高15 m，隧道底距下邊界37 m，如圖1所示。

隧道采取上下臺階法施工，每5 m一個臺階，采取平行施工，下一個工作段的上臺階和上一個工作段的下臺階同時施作，并及時做好支護。襯砌使用彈性單元，體積彈性模量16.67e9 MPa，剪切彈性模量12.5e9 MPa。巖土體材料選擇摩爾—庫侖材料類型，分兩層。

三維模型底部全部約束，兩側邊界約束X方向位移，前后邊界約束Y方向位移。

3 隧道穩定性分析

3.1 第一步開挖

第一步洞口開挖對圍巖的擾動比較大，危險性較高，因此，著重分析第一步開挖對隧道穩定性的影響很有必要性。開挖第一段的上、下臺階后，位移分布如圖2，圖3所示。

上臺階開挖完成后，沿X方向將該斷面上地表沉降和拱頂沉降曲線繪制如圖4所示，由圖像可知，兩處都在隧道附近沉降最大，地表處達到1.5 mm左右，拱頂處達到6 mm左右。下臺階開挖并做好支護后，拱底上拱的位移變小，可見開挖完成后及時做好支護并閉合，有利于減小豎直方向上的位移。

洞口的開挖對圍巖的擾動較大，但是上述沉降依然在可控制范圍之內。由于拱頂處沉降量過大會造成掉塊甚至塌方，拱頂的沉降值應作為設計和施工控制的重要指標。拱底上升的位移應采取全斷面封閉或盡快施作臨時仰拱加以控制，在需要嚴格控制頂底豎向位移時，可以采用縮短開挖進尺、加強初期支護剛度或采用輔助施工法來強化圍巖強度控制其沉降。

上、下臺階開挖后水平方向位移如圖5，圖6所示。下臺階開挖后，水平方向的位移較開挖前增大，拱腰、拱肩的水平位移明顯大于拱腳處的水平位移，因此，水平位移的控制以拱肩至拱腰處作為控制點是非常合理的。

3.2 開挖完成后分析

開挖完成后，隧道縱向中心面上的豎向位移如圖7，圖8所示。

從整體模型的剖面圖和隧道形狀的變形圖(圖9，放大100倍效果)可以發現，開挖完成后，洞口處襯砌的變形是最大的，拱頂向下變形，拱底向上變形，拱頂和拱底在豎直方向上的位移也是最大的。可以將X=0剖面上豎直方向位移變化圖繪制如圖10所示等值線圖。

在拱頂和拱底的襯砌上分別取30個點，將它們的位移繪制在同一張圖中，如圖11所示。可知，隨著開挖的進行，已開挖的部分變形(包括拱頂的沉降和拱底的拱起)在逐漸增大，開挖完成時，洞口處拱頂沉降和拱底拱起都達到20 mm左右。隨著開挖的進行，沉降和拱起都基本呈線性減小，并在施工控制的變化范圍內，由此可見，本隧道工程的分臺階開挖穩定性良好。

4 結語

基于FLAC3D有限差分計算，對于某工程隧道分臺階開挖施工進行了數值模擬研究，理論結果較合理。主要結論如下：

1)開挖完成后及時做好支護并閉合，有利于減小豎直方向上的位移。

2)拱底上升的位移應采取全斷面封閉或盡快施作臨時仰拱加以控制，在需要嚴格控制頂底豎向位移時，可以采用縮短開挖進尺、加強初期支護剛度或采用輔助施工法來強化圍巖強度控制其沉降。

3)水平位移的控制以拱肩至拱腰處作為控制點是非常合理的。

[1] 高文學，孫文龍，周文旭，等.淺埋偏壓隧道開挖數值模擬與監測分析[J].施工技術，2011，40(3):48-50.

[2] 趙玉翔.高速公路雙連拱隧道施工數值模擬研究[J].施工技術，2013，42(sup):12-14.

[3] 馬獻民，于 丹，周志廣.鞍鋼礦業公司大孤山尾礦壩滲流場數值分析[J].山西建筑，2011，37(5):229-231.

The numerical simulation and analysis of stair excavation about tunnel based on FLAC3D

YOU Fan-fan1QIU Xiao-li2

(1.GuangzhouExpresswayCorporation,Guangzhou510000,China;2.GuangdongElectricPowerDesignInstitute,Guangzhou510000,China)

Based on finite difference method of FLAC3D numerical simulation, the step excavation of tunnel is calculated and analyzed to study the displacement and steady state in tunnel excavation process, and corresponding preventive measures and proposals are proposed. The analysis results provide a theoretical support for the tunnel construction control.

FLAC3D, tunnel, excavation of stairs, numerical simulation

1009-6825(2014)28-0189-02

2014-07-31

尤帆帆(1988- )，男，碩士； 邱曉莉(1987- )，女，碩士

U455

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