基于FLAC3D的火山灰地质隧洞开挖支护数值模拟

刘亮亮

(华北水利水电大学 河南 郑州 450045)

基于FLAC3D的火山灰地质隧洞开挖支护数值模拟

刘亮亮

(华北水利水电大学 河南 郑州 450045)

该文从一工程实例出发，利用在隧洞数值模拟领域具有领先优势和良好口碑的FLAC3D软件进行数值模拟，对不同工况下的隧洞开挖进行模拟计算，研究了火山灰地质隧洞在开挖过程中的应力应变变化情况以及隧洞支护的效果，分析结果为隧洞施工控制提供了理论支持；同时通过控制变量法，得出剪切强度参数控制着数值模拟计算能否收敛，也控制着塑性区的扩展深度，在计算可以收敛的前提下，洞室位移主要由弹性模量控制。

隧洞；火山灰；开挖支护；FLAC3D；数值模拟；控制变量法

工程中，我们要了解输水隧洞支护的效果和改进支护的措施，就需要对开挖支护过程和完成支护后的稳定性进行研究。开挖过程中引起的围岩荷载的变化更要重视。FLAC3D模拟的系统是静态的，但它使用动态方程，不存在模拟物理上不稳定性的数值障碍，给我们的研究带来了很大的便利[1]。该文用FLAC3D建立二维平面应变模型，对隧洞开挖和支护的各个工况进行模拟计算分析。

一、基本概况

某输水隧洞地层为第四系火山崩塌堆积碎片、火山灰为主间夹河流冲洪积层，组成为火山灰、火山碎屑、砾砂层、崩积火山岩块，火山碎屑堆积层厚超过130 m，含砾砂层属于疏松、稍密状。根据地质条件，采用钻爆法开挖，支护采用锚杆和钢筋网喷混凝土。研究段输水隧洞总长525 m，隧洞东、西走向，纵坡为0.513%，埋深300～700 m，隧洞为无压洞设计，成洞洞径9.61 m，开挖洞径9.81～10.21 m。

二、基本模型

按平面应变问题解决，取计算坐标系为oxy，x轴为水平方向，指向右侧为正；y轴为垂直方向，指向上方为正。计算范围为-240 m≤x≤240 m，-40 m≤y≤240 m。共划分6318个网格，在洞室附近划分了1m×1m的精细网格，其他区域的网格为4m×4m。模型两侧水平移动即x方向方位移限制为零，模型的底部垂直和水平移动即x和y方向位移都限制为零。

三、开挖支护方式及计算工况

(一)开挖支护方式

隧洞开挖分两步，先开挖上部区域，再开挖下部区域。根据需要，本文从开挖左上区域和全部区域并分别进行一次支护进行模拟研究。隧洞断面支护断面图见图1。

图1 支护横断面图

(二)计算工况

为了研究隧洞开挖支护的过程及计算参数对洞室位移的影响，对左上区域开挖和全部开挖从以下几个工况着手分析：①原参数开挖无支护②原参数开挖有支护③增强剪切强度参数开挖有支护④增强变形和剪切强度参数开挖有支护。对所有工况进行模拟开挖并分析其位移场和塑性区。

四、模拟计算及分析结果

(一)初始地应力场

由计算分析得出开挖区域的垂直地应力在4～5 MPa之间，水平地应力在2～2.5 MPa之间。地表沉降达到了20 m。水平方向位移几乎为0。通过分析塑性区，初始状态下没有发生屈服。

(二)原参数开挖

表1 计算采用的岩体力学参数

1.无支护工况

无支护时，开挖左上区域后的垂直方向最大位移分别为15 m(顶拱下降)和5 m(底板隆起)，见图2。洞室上部塑性区深度达到了10 m，洞室下部塑性区深度5 m，见图3。继续开挖计算不能收敛，塑性区范围无限扩展，说明该工况下的洞室不能成形，随开挖随塌。

图2 无支护时垂直方向位移场

图3 无支护时塑性区

2.有支护工况

有支护时，开挖左上区域后的垂直方向最大位移分别为2 m(顶拱下降)和5 m(底板隆起)，见图4。洞室上部塑性区深度达到了5 m，洞室下部塑性区深度5 m，见图5。继续开挖计算不能收敛，塑性区范围无限扩展，这说明该工况下的洞室不能成形，随开挖随塌。

图4 有支护时垂直方向位移场

图5 有支护时塑性区

综合比较发现，有支护时，位移量值和塑性区深度都减小很多。表明了支护作用比较明显。

(三)增强剪切强度参数开挖

表2 计算采用的岩体力学参数

有支护时，开挖左上区域后的垂直方向最大位移分别为0.8 m(顶拱下降)和2 m(底板隆起)，见图6。塑性区范围大幅度减小，顶部只有零星塑性区(不超过1 m深)，其他区域塑性区深度不超过5 m，见图7。

图6 有支护时垂直方向位移场

图7 有支护时塑性区

继续开挖计算可以收敛，但是位移比较大，垂直方向最大位移分别为3.6 m(顶拱下降)和2.8 m(底板隆起)，见图8。开挖完毕后，塑性区深度一般为5 m，见图9。

图8 开挖完毕后垂直方向位移

图9 开挖完毕后塑性区

与原参数相比，增强剪切强度参数后，计算可以收敛，并且位移大幅度减小。

(四)增强变形和剪切强度参数开挖

表3 计算采用的岩体力学参数

开挖左上区域有支护时，开挖左上区域后的垂直方向最大位移分别为8 cm(顶拱下降)和16 cm(底板隆起)。塑性区范围与只增强剪切强度参数时的结果一致，顶部只有零星塑性区(不超过1 m深)，其他区域塑性区深度不超过5 m。这也说明增强弹性模量的作用，大幅度减小了位移，但是不影响塑性区的范围。

开挖完毕后继续开挖计算可以收敛，但是位移比较大，垂直方向最大位移分别为32cm(顶拱下降)和24cm(底板隆起)。塑性区范围与只增强剪切强度参数时的结果一致，开挖完毕后，塑性区深度一般为5m。这也说明增强弹性模量的作用，大幅度减小了位移，但是不影响塑性区的范围。

(五)综合比较

表4 开挖左上区域后位移对比表

表5 全部开挖后位移对比表

五、结论

a)在原参数的情况下，无论是否有支护，继续开挖都不能收敛，塑性区无限扩展。这说明了开挖过程中洞室很难成形，随开随塌。

b)在增强剪切强度参数以后，计算可以收敛，但是位移依然偏大。这说明剪切强度参数控制着计算能否收敛，也控制着塑性区的扩展深度。

c)在同时增强变形参数和剪切强度参数后，计算不仅可以收敛，而且位移大幅度减小，但是塑性区深度没有改变。这说明在计算可以收敛的前提下，洞室位移主要由弹性模量控制。

d)由于地应力在4～5 MPa之间，地应力量值并不大，所以支护的作用效果会比较明显。

e)综合以上分析，认为有必要对开挖影响区域的岩体进行注浆改性。

[1]张宇娜．某水电站引水隧洞开挖支护数值模拟研究[J]．南水北调与水利科技，2011，(02)：101-104+109．

[2]刘英，于立宏．Mohr-Coulomb屈服准则在岩土工程中的应用[J]．世界地质，2010，(04)：633-639．

[3]邵建国．FLAC3D在隧道施工中的数值模拟分析[J]．甘肃科技，2014，(23)：130-133．

[4]尤帆帆，邱晓莉．基于FLAC3D的隧道分台阶开挖数值模拟与分析[J]．山西建筑，2014，(28)：189-190．

[5]金长文，韩鹏．CCS水电站火山灰地层大断面隧洞开挖施工技术[J]．云南水力发电，2014，(05)：66+124．

[6]段锡健．隧洞掘进与支护过程的数值模拟[A]．中国矿业科技文汇，2013：4

刘亮亮，男，硕士生，研究方向：水工结构模型试验与数值分析。