某隧道不同支护条件下的FLAC3D数值分析

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1、http://www.paper.edu.cn3D1某隧道不同支护条件下的FLAC数值分析112王钜，郑明新，胡洲1华东交通大学土木建筑学院，南昌(330013)2南昌铁路天河建设股份有限公司，南昌(330013)E-mail：wangju0929@hotmail.com3D摘要：本文通过运用FLAC数值方法对隧道围岩进行了开挖与支护模拟，计算中采用摩尔－库仑弹塑性计算模型，隧道围岩与支护结构之间采用接触单元。通过计算得出不同的支护方式作用下开挖段的地表沉降、基底隆起和围岩的位移，为工程设计与施工提供参考。3

2、D关键词：FLAC；围岩；隧道开挖与支护；稳定性分析中图分类号：TU4331.FLAC简介[1]FLAC是快速拉格朗日差分分析（FastLagrangianAnalysisofContinuum）的简写。FLAC是力学计算的数值方法之一，它研究每个流体质点随时间变化的情况，即着眼于某一个流体质点在不同时刻的运动轨迹、速度及压力等。快速拉格朗日差分分析将计算域划分为若干单元，单元网格可以随着材料的变形而变形，即所谓的拉格朗日算法，这种算法可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，尤其在材料的弹塑性分析

3、、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。对所有的网格节点速度节点力平衡方程（动量方程）Gauss定律单元积分对所有单元应力－应变关系（本构模型）应变率新的应力图1FLAC3D求解流程Fig.1FLAC3DSolvingFlow2.模型的建立2.1模型的概化地质模型是计算的基础，对工程地质条件的深入认识是建立合理的地质概化模型的重要[2]前提。本次分析取该隧道DzK186+690－DzK186+730段为研究对象，围岩岩层为石英云母片岩，其中DzK186+705－DzK186+720段围岩间夹炭质片岩

4、，岩体结构破碎，结构面发育，层厚较小，为Ⅴ级围岩模型近似处理为均一岩体。根据实际问题的边界，指定沿隧道轴线里程增大方向为Y轴正向，竖直向上为Z轴正向，隧道掘进横断面向左方向为X轴正向，计算范围选为：在x轴方向取50m，竖直Z轴-1-http://www.paper.edu.cn方向取100m，隧道轴线Y轴方向取40m所选的边界已经超出洞室开挖的影响范围（大于3倍洞径）。模型长宽高尺寸为40m×60m×100m。由于隧道横截面是中心对称的，为了便于建模、计算，取半对称结构进行数值模拟。采用FLAC3D软件进行数

5、值分析，模型网格划分为38000个单元，41082个节点，如图2所示。图2FLAC3D计算模型Fig3.ThecalculatormechanicalblockmodelofFLAC3D2.2边界条件由于模型所在区域为地应力地段，地应力仅以岩层自重作为考虑；计算模型的位移边界和应力边界为左面边界（X=0m）、前方边界（Y=40m）为位移约束边界，约束水平方向的位移；模型的底面（Z＝－50m）也为位移约束边界，仅约束垂直方向的位移；其余为荷载边界。2.3岩体力学参数根据地质资料，地层主要以云母片岩为主，在FLA

6、C3D计算中，岩体采用的是摩尔－库仑（Mohr-Coulomb）弹塑性材料模型，需要输入的岩石的力学参数是体积模量（K）、剪[3]切模量（G）；因此根据FLAC3D提供的弹性力学公式换算求得：EEK=G=3(12)−µ2(1+µ)(1－1)µ其中：E为弹性模量、为泊松比。如表1所示。表1岩体力学参数密度弹性模量体积模量剪切模量粘聚力摩擦角岩层泊松比µ3(kg/m)（GPa）（GPa）（GPa）（MPa）（°）云母片岩、243.23.331.20.340.2524板岩2.4支护材料参数的确定根据该隧道施工设计图

7、纸提供的隧道支护方式：初期支护为喷锚支护，二次衬砌为模筑混凝土衬砌。在数值计算中，采用衬砌单元（shell）模拟喷射混凝土，衬砌厚为22cm。用-2-http://www.paper.edu.cn锚索单元（cable）模拟锚杆的支护，锚杆长3.0m，锚杆的布置为梅花型布置，间距为1.0m。对于钢拱架的模拟考虑在提高喷射混凝土的强度上。锚杆及衬砌的力学参数见下表2。表2锚杆、喷射混凝土和钢拱架的力学参数弹性模量体积模量剪切模量Sφ截面积材料EKµ（GPa）(°)(m2)（GPa）（GPa）0.314E-0锚杆2

8、1011787.50.2353钢筋网喷混凝22.114.28.90.24土钢拱架170105690.233.计算结果分析在隧道开挖过程中，采用与实际施工情况一致的工序，即掘进分为上下台阶开挖，挖掘上台阶时在内壁设置喷层，挖掘下台阶前在挖掘完的上台阶的设置锚杆，同时在上台阶再向前挖掘一段并在内壁设置喷层。每掘进一次，整个过程就循环一次，直至开挖和喷锚结束，每次掘进2m左右。计算采用摩尔－库仑(Mohr