基于FLAC3D模擬隧道有無支護應力與位移演化特征

吳登超，楊本水，程長清

（安徽建筑大學土木工程學院,合肥 230601）

引言

隨著工程建設不斷發(fā)展，隧道工程在地下工程中應用極為廣泛。但是隧道環(huán)境變化復雜，地應力和地質復雜性隨之增加，對于隧道圍巖穩(wěn)定控制、圍巖應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用及發(fā)展的重要研究課題。

很多學者在圍巖支護方面開展了研究。李曉斌［1］運用灰色關聯(lián)度分析法對圍巖穩(wěn)定性類別進行研究，楊坦［2］采用FLAC3D軟件對地鐵隧道開挖過程進行了模型構建研究。賀耕夫［3］基于Hoek-Brown破壞準則對于寒區(qū)圓形隧道理想彈塑性圍巖的塑性區(qū)半徑進行了研究。姜諳男［4］研究獲得了Hoek-Brown應變軟化參數(shù)表征的改進單元安全度公式。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力場、位移場和塑性區(qū)的分布特征。伍達富［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系。李濤［7］通過建立全粘結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，分析了高地應力下不同圍巖側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行了深入研究。張志強［9］采用原始PILE單元與修正PILE單元，進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緊力的預緊力矩等因素，提出了降低摩擦阻力、增大錨桿安裝力矩2個途徑增強錨桿預緊力。王偉［12］基于巷道圍巖支護理論，采用FLAC3D對巷道圍巖進行了模擬，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力和位移變化進行了分析。由文獻［13-20］相關基本理論可知隧道圍巖幫部和拱底腳部是圍巖穩(wěn)定性控制的關鍵點，加強其關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緊力支護形式的可行性。在側壓力系數(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準則隧道圍巖破壞條件

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

設隧道圍巖內支護力為P0，隧道半徑為r0，塑性區(qū)半徑為R。根據(jù)Hoek-Brown屈服強度準則，破壞條件表達式為：

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

當以應力不變量進行表述時，Hoek-Brown條件可寫成：

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

在應力空間中，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計為園拱，結合相關研究和實際情況，取場地各巖土層的主要物理及力學指標見表1，并建立模型如圖2所示。

表1 部分巖土力學性質參數(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，位移和應力變化等。采用錨桿掛網噴漿支護形式，混凝土噴射層厚100 mm，標號為C20，頂板錨桿設置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，模擬側壓力系數(shù)選擇為λ=2.5。

當隧道開挖后，隧道圍巖應力重新分布，隧道的頂?shù)装寮皟蓭彤a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 模擬結果分析

3.1 塑性區(qū)分布特征

隧道土體開挖結束后，土體側壓力系數(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

隧道土體開挖結束后，土體側壓力系數(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，拱頂豎直位移達到8.142 mm。由圖4(b)可以看出，當隧道開挖完成，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，且達到9.963 mm。當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。可見，錨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方向應力特征

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

由圖5(a)可以看出，隧道開挖后圍巖未支護時，關于X方向圍巖應力，拱頂水平壓應力最大，底角、頂板次之，且圍巖應力有繼續(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力范圍和大小變化較為明顯，在較遠巖層中受水平拉應力區(qū)域和大小也隨之減小，由此看出結構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方向圍巖應力，最大垂直應力出現(xiàn)在拱底角處，拱頂和底板垂直應力均勻分布。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方向支護前后應力云圖

4 工程試驗

隧道未施工掛網噴漿+錨桿支護時，其頂幫變形嚴重，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準則與數(shù)值模擬確定的方案進行支護施工，并在其頂板、兩側幫設置監(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)場進行檢測結束后，進行數(shù)據(jù)分析得：頂板和底板累計位移量達250 mm，兩側幫位移量累計達292 mm。通過普通支護方案和施工掛網噴漿+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 結論

（1）隧道斷面施工結束后，圍巖附近應力發(fā)生變化，巖體產生較大范圍的塑性區(qū)，且產生剪切破壞，導致隧道圍巖產生各個方向位移，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，而采用掛網噴漿加錨桿支護的方式可以很好地進行解決，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。