FLAC數(shù)值模擬分析

1、1工程概況研究此段為中條山隧道 K9+450K10+560段，此處隧道最大埋深約540 m ,主 要由太古界涑水群表殼巖組合解州片麻巖Hgn 地層組成，構(gòu)成中條山隧道 分水 嶺北側(cè)的主體；此段組成隧道的圍巖巖性主要為變粒巖、花崗片麻巖等。該 套地層巖性復(fù)雜，組合無(wú)規(guī)律。巖層產(chǎn)狀整體傾向南東，傾角一般在50。700間變化。在AK9+900AK10+000段為區(qū)域性斷層影響段，此斷層為破碎巖石組 成， 將為基巖裂隙水下滲提供通道，隧道開(kāi)挖必將引起涌水，同時(shí)此段圍巖稍差，施工時(shí)易引起坍塌。此段同時(shí)也是中條山北側(cè)泉水主要涌出段，水文情況復(fù)雜?？傮w評(píng)價(jià)，本段工程地質(zhì)條件差。在此處，具體運(yùn)用FLAC3D進(jìn)

2、行模擬的區(qū)段均取洞身 YK10+100YK10+180段。該區(qū)段為V級(jí)圍巖區(qū)域，埋深為505512 m，為斷層，附近太古界涑水群花崗片麻巖、黑云斜長(zhǎng)片麻巖、巖石破碎。隧道斷面為SVc型，如圖2-2所示。圖2-2 SVc型隧道斷面圖 隧道襯砌按新奧法原理設(shè)計(jì)，采用SVc型復(fù)合式襯砌， 該襯砌適用于隧道洞 身V級(jí)斷層影響帶及軟弱破碎圍巖段 的初期支護(hù)及襯砌，超前支護(hù)各環(huán)采用42 X 4 mm注漿小導(dǎo)管超前預(yù)加固圍巖，長(zhǎng)m， 環(huán)向間距35 cm，搭接長(zhǎng)度m，斜插角10。15。，每環(huán)37根；初襯以噴、錨、網(wǎng)為主要支護(hù)手段：鋼拱架為 120a型 鋼，縱向間距75 cm,每榀鋼拱架之間采用 ©2

3、2鋼筋連接，環(huán)形間距 m；錨桿采 用D25中空注漿錨桿，長(zhǎng) m,間距75 cm 縱X 100 cm 環(huán)，與鋼拱架 交錯(cuò) 布置；噴C25早強(qiáng)混凝土 26 cm。二次襯砌和仰拱均為C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 厚50cm。數(shù)值計(jì)算模型根據(jù)中條山隧道工程的實(shí)際狀況，為提高計(jì)算速度，在保證計(jì)算精度的前提 下,取樁號(hào)YK10+100YK10+160段采用大型有限差分軟件 FLAC3D進(jìn)行建模分析 對(duì)于全斷面法、預(yù)留核心土法、臺(tái)階法，由于整個(gè)隧道模型左右對(duì)稱，為減 少計(jì)算量，可取隧道模型的一半計(jì)算，隧道的計(jì)算I如圖2-3所示模型圖2-3計(jì)算模型I示意9360個(gè)實(shí)體單元。對(duì)于單側(cè)壁導(dǎo)坑法,x、y、z各方向的長(zhǎng)度分

4、別為 60 m、60 m和140 m。模型的外表為自由邊界,底部為固定邊界條件，四周為法向位移約束邊界條件。模型共有10912個(gè)節(jié)點(diǎn)，由于整個(gè)隧道模型左右不對(duì)稱，可取隧道模型的一半計(jì)算，隧道的計(jì)算模型II如圖2-4所示。x、y、z各方向的長(zhǎng)度分別為120 m、60 m和140 m。模型的外表為自由邊 界, 底部為固定邊界條件，四周為法向位移約束邊界條件。模型共有25637個(gè)節(jié)點(diǎn), 23220個(gè)實(shí)體單元。圖2-4計(jì)算模型II示意圖flac3D提供了豐富的單元庫(kù)供用戶選擇，這樣可以對(duì)各種材料進(jìn)行模擬。計(jì)算 中V級(jí)圍巖均采用摩爾一庫(kù)倫材料，初期支護(hù)體系中的噴層混凝土視為線彈性體，二次襯砌混凝土及仰拱

5、均采用FLAC3D軟件內(nèi)置的殼單元shell進(jìn)行模擬，系統(tǒng)錨桿和鎖腳錨桿均分別采用錨索單元cable 和樁單元pile進(jìn)行模擬， 超前 導(dǎo)管采用樁單元pile 進(jìn)行模擬。各材料參數(shù)見(jiàn)表2-1。數(shù)值計(jì)算說(shuō)明需要說(shuō)明的是，由于研究該段埋深很大，最大處到達(dá)540 m。此處假設(shè)隧道 埋深為500 m，假設(shè)地應(yīng)力場(chǎng)僅考慮自重應(yīng)力場(chǎng)，那么按照等效方法在模型頂部豎直方向應(yīng)施加的垂直向應(yīng)力為z = 2650 XX 420 =。地應(yīng)力平衡后，模型底部垂及圖2-6所示。Pa)述方法進(jìn)行平DZi:s衡t1:4, 0107e得1+e0T4.:0 應(yīng)00102 豎 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圖2-5模型ITT4Hrr+-tol腫用i卩1.150toe+o0 0力01云圖如圖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 =直向應(yīng)力z X=: 32.o6oo5e0+X 001 X 56 x0: =0., 000隧道中心垂直向應(yīng)力現(xiàn)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圖2-6模型U平衡地應(yīng)力后垂直向應(yīng)力分布云圖單位：Pa隧道開(kāi)挖進(jìn)尺為2 m?？v向每個(gè)網(wǎng)格長(zhǎng)為2 m?？v向有30個(gè)網(wǎng)格，即不管哪 種 工法，開(kāi)挖到30步時(shí)，隧道模型即貫穿。表2-1材料參數(shù)匯總表材料密度 kg/m 3彈性模量 GPa泊松比黏聚力MPa內(nèi)摩擦角0V級(jí)圍巖265538初襯二次襯砌25030系統(tǒng)錨桿|047鎖腳錨桿954超前導(dǎo)管954In terval = 5.0e+005對(duì)于初期支護(hù)中鋼拱架和鋼筋網(wǎng)的支護(hù)作用采用等效方法計(jì)算，即將鋼拱架AgEgE E0Ac2-1)和鋼筋網(wǎng)的彈性模量折算給

10、混凝土，其計(jì)算方法為: 式中：E折算后的混凝土彈性模量Pa； E0原混凝土的彈性模量Pa； Ag初期支護(hù)鋼拱架的截面積m2 ; Eg初期支護(hù)鋼拱架的彈性模量Pa ; Ac混凝土的截面積 m2。對(duì)于系統(tǒng)錨桿及鎖腳錨桿的參數(shù)選取， 亦同樣采用折算方法計(jì)算獲得，其計(jì)算 方法如下：EA E1A1 E2 A22-2E 折算后的錨桿彈性模量Pa ； Ei 水泥砂漿彈性模量Pa; E2 鋼管彈性模量Pa； A錨桿截面積m2；A1水泥砂漿截面積m2；A2鋼材截面積m2;對(duì)于隧道，實(shí)際開(kāi)挖中，由于卸載打破了原來(lái)的平衡，圍巖內(nèi)的各質(zhì)點(diǎn)在地應(yīng) 力的作用下，將沿最短距離向消除阻力的自由外表方向移動(dòng)， 引起圍巖內(nèi)應(yīng)力的

11、 重新分布，直至到達(dá)新的平衡，形成所謂的“二次應(yīng)力場(chǎng) 。開(kāi)挖卸載之前， 沿 開(kāi)挖邊界上的各點(diǎn)都處于一定的初始應(yīng)力狀態(tài)，開(kāi)挖使這些邊界的應(yīng)力解除， 從而 引起圍巖變形和應(yīng)力場(chǎng)的變化。 從應(yīng)力路徑上看， 隧道的開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng) 的變 化是卸載的產(chǎn)物。 因此，如何模擬出這種卸載作用顯得尤其重要。 為更精確的計(jì) 算出隧道圍巖變形及受力變化， Duncan和Dunlop 1969卩最早提出了 "反 轉(zhuǎn) 應(yīng)力釋放法，之后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其展開(kāi)了深入研究，孫鈞1988 皿曾建 議提出“反轉(zhuǎn)應(yīng)力釋放法 ，Mana匚"卩曾提出由挖去單元所產(chǎn)生的釋放荷載節(jié)點(diǎn)力 向 量提取等效釋放荷載向量的方法，

12、 這些都對(duì)隧道開(kāi)挖模擬方面，起到了指導(dǎo)作用。在此處開(kāi)挖巖體應(yīng)力釋放過(guò)程中， 采用Mana和Clough 57提出的方法，即在 每一步開(kāi)挖之后，開(kāi)挖體邊界的節(jié)點(diǎn)將失去開(kāi)挖體與之相連單元奉獻(xiàn)的力， 故在這 些節(jié)點(diǎn)處，不平衡力將不再為 0，其為開(kāi)挖掉的與之相連單元奉獻(xiàn)的力的矢量 和， 指向開(kāi)挖面。而其他位置的節(jié)點(diǎn)，由于未發(fā)生應(yīng)力增量，故其不平衡力仍然為0。此時(shí)再通過(guò)計(jì)算得出新的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。再進(jìn)行下一步開(kāi)挖計(jì)算。在此處的三維模型模擬當(dāng)中，由于考慮到隧道開(kāi)挖的時(shí)空效應(yīng)， 同時(shí)考慮到其 與支護(hù)的共同作用。 對(duì)應(yīng)每一次開(kāi)挖步，應(yīng)力并不是一次釋放完全的， 當(dāng)剛剛開(kāi) 挖到隧道某個(gè)位置時(shí)， 釋放這一局部的 80%的不平衡力，當(dāng)初襯在這個(gè)位置成 環(huán) 時(shí)，再釋放這一局部的 10%的不平衡力，當(dāng)仰拱或二襯到達(dá)這個(gè)位置時(shí)，最后 釋 放其 10%的不平衡力。此處運(yùn)用不同工法進(jìn)行施工時(shí)，具體的模擬過(guò)程如下：1在模型頂部施加等效應(yīng)力，平衡地應(yīng)力;2 隧道開(kāi)始開(kāi)挖，每開(kāi)挖一步，即計(jì)算 1 時(shí)步，記錄此時(shí)開(kāi)挖邊界節(jié)點(diǎn) 處 的不平衡力， 即原來(lái)開(kāi)挖體對(duì)圍巖的支撐力，反向加載這 10%的支撐力，再計(jì) 算 3000 時(shí)步，隧道最大不平衡力很小，即可認(rèn)為開(kāi)挖一步后到達(dá)平