基于FLAC3D的隧道变形机理分析

胡楠

【摘 要】本文结合某隧道穿越山体冲沟的松散黄土层出现的塌方事故，在现场地质调研和监控测量的基础上，应用有限差分软件FLAC3D，根据对现场地形和施工工序步骤的数值模拟，计算分析隧道周边围岩和土层随着隧道开挖过程受力状态的变化。结果显示：通过正台阶法方式开挖进入浅埋区域时，围岩变形发展迅速、拱顶沉降和地表沉降值过大，远超过正常变形范围，且存在潜在的剪切带。因此可认为，隧道在进入浅埋区域后的开挖会导致围岩的破坏和地表土体的沉陷。分析结果与现场测量数据基本吻合，为后期加固施工提供了理论依据。

【关键词】松散黄土层；数值模拟；受力状态；围岩变形；地表土沉降

0 引言

随着隧道建设的快速发展，越来越多的隧道线路需要穿越浅埋黄土区。受埋深浅、黄土承载力有限的限制，浅埋黄土隧道施工时容易出现支护变形过大、支护开裂甚至冒顶塌方的情况[1-2]。20世纪70年代以来，有限元法已经广泛地应用于土体的动力分析中。近年来，拉格朗日元由于能解决大变形问题而倍受青睐，美国Itasca公司推出的FLAC3D能够很好地进行动力分析[3]。

FLAC3D是连续介质快速拉格朗日差分分析方法（Fast Lagrangian Analysis of Continuum）的英文缩写。美国Itasca Consulting Group Inc. 将此方法用于岩土体的工程力学计算中，并于1986年开发出Flac[4]。目前，该软件从二维平面分析拓展到三维空间分析，已成为处理功能强大的新一代软件—Flac3D。

Flac3D程序已成为目前岩土力学计算中的重要数值方法之一，它采用ANSI C++语言编写，能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析，并可通过调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构[5-6]。Flac3D采用的显示拉格朗日算法和混合—离散分区技术能够非常准确地发现模拟材料中的塑性破坏和流动。由于无需形成刚度矩阵，因此，采用较小的计算资源就能够求解大范围的三维岩土工程问题[7]。

本文以高速公路隧道浅埋段地表塌陷为实例，利用数值模拟软件Flac3D建立计算模型[8]，对地表塌陷原因、围岩破坏位置、加固前后围岩受力状态进行了详细研究和对比[9]。并结合现场监控量测和数据分析，验证了数值模拟结果，预测浅埋黄土段隧道围岩长期变形，确保注浆后隧道的稳定和长期运营安全[10-11]。

1 工程背景

隧道出口段为V级围岩，围岩破碎，埋深，呈层块构造，节理裂隙发育。隧道发生坍塌，初期支护全部垮塌并形成冒顶，地表下沉开裂形成凹坑。

通过现场勘察和塌方原因分析，认为导致塌方发生的原因有：（1） 隧道右洞掌子面为红褐色粘土夹砂砾，夹石，拱部土质松散；（2）坍方范围埋深较浅，其中最浅处埋深仅，且地表存在偏压；（3）本季雨水较多，雨水下渗导致土体重量增加，导致塌方冒顶。为了及时恢复施工秩序，决定对塌方区域进行地表注浆加固处理，以提高围岩强度，确保隧道安全、顺利通过浅埋黄土段。

2 模型的建立

采用有限差分软件Flac3D，根据现场地形及地层建立数值计算模型，模型长140 m，宽60 m，高100 m；其中隧道宽14 m，高11.3 m。围岩从上至下分别为：粉土层、砂土层、碎石土层及V级围岩。隧道垂直穿过浅埋区域，浅埋段隧道拱顶埋深15m，浅埋区域沿掘进方向长40 m。数值模型如图1所示。

模型边界条件为：底部固定约束、四周约束法向位移、顶部为自由边界。围岩材料特性遵循Mohr-Coulomb屈服准则，初支通过实体单元模拟，按均质弹性体考虑。选取六面体单元对模型进行网格划分，假设模型在初始应力条件下进行开挖，开挖前进行计算使模型不平衡率低于1e-5，得初始应力场。计算荷载仅考虑围岩自重及围岩开挖释放荷载，根据现场工程勘探报告选取模型计算参数见表1。

3 开挖模拟分析

当隧道通过浅埋区域时，分别采用正台阶法开挖，分析开挖过程中围岩的变形发展情况。开挖按2m一循环开挖，40m长浅埋区域一个分为20个开挖循环，每个开挖循环计算1000时步。

图2为围岩剪应变增量云图。如图所示，在采用正台阶法通过浅埋区域时，剪应变增量分布与采用全断面法无异，同样潜在剪切带已经从地表至开挖面连通，存在剪切破坏可能。

台阶法开挖工序多于全断面法，开挖时间亦更长，在Flac3D计算程序中，围岩的变形随着时步的增加会不断增加（变形速率不为0）。故采用正台阶法开挖时，通过数值模拟得到的围岩变形反而更大。这也说明在采用正台阶法开挖时，围岩变形发展迅速而不能保持稳定。开挖过程中1#～6#监测断面拱顶监测点数据如图3所示。随着隧道的开挖，各监测断面拱顶沉降快速发展，其中3#监测断面（RK182+275）处拱顶下沉值达7.26m，已经严重超出了围岩变形破坏的控制范围，围岩出现大规模变形并导致破坏。图4为开挖过程中A～E监测点的地表沉降监测数据图，其中B监测点（RK182+280）的沉降值最大，达6.62m。

综合上述分析，隧道采用正台阶法开挖通过浅埋区域时，围岩的变形趋势、塑性状态与剪应变增量分布与全断面法开挖时差异不大。围岩变形发展依然迅速，出现塑性屈服并导致破坏。同时，由于围岩变形速率较大并保持恒定，数值计算中拱顶沉降值以及地表沉降值随着计算时步的增加而增加。

4 结论

基于隧道工程实际和Flac3D数值计算程序，对双侧压浅埋段隧道开挖过程进行了数值模拟分析。

分析隧道在浅埋段趋于开挖过程中围岩的变化。选取全断面法、正台阶法、正台阶留核心土法三种不同的开挖方式进行掘进，分析浅埋段围岩在开挖过程中的变形规律及应力状态。结果显示：通过三种方式开挖进入浅埋区域时，围岩变形发展迅速、拱顶沉降和地表沉降值过大，远超过正常变形范围，且存在潜在的剪切带。因此可认为，隧道在进入浅埋区域后的开挖会导致围岩的破坏和地表土体的沉陷。

【参考文献】

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[11]James S. Mellett. Ground penetrating radar applications in engineering， environmental management， and geology[J]. Journal of Applied Geophyscis， 1995（33）： 157-166.

[责任编辑：杨玉洁]