浅析FLAC3D对软质岩隧道的变形与应力分布规律

文/核工业华南建设工程集团公司 生显伟

在湿陷性浅埋、偏压软质岩隧道施工中，若隧道开挖跨度较大可能会导致隧道掘进过程中发生拱部土体剥落、局部土体坍塌等现象，安全隐患较大，施工进度受较大制约。本文以某高速公路软质岩隧道为研究对象，通过采用FLAC3D软件模拟隧道上下台阶法施工过程中的围岩稳定性状况，得出软质岩隧道围岩的变形规律和应力分布规律。

某高速公路隧道为分离式双洞隧道，最大断面169.5m2。隧道进出属湿陷性浅埋、偏压软质岩隧道，隧址地表沟壑纵横，最小埋深仅0.8m。隧道开挖跨度大，土体含水率高，隧道掘进过程中经常发生拱部土体剥落，局部土体坍塌等现象。

FLAC3D基本原理

FLAC3D是基于显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术的三维分析软件，采用通过调整三维网格中的多面体单元来拟合岩体结构，进而研究三维岩体结构的受力特性，准确地模拟材料的塑性破坏和流动分析。FLAC3D软件内置Mohr-Coulomb屈服准则模拟开挖围岩的应力和位移变化，模拟步骤划分为网格划分；模型定型、参数赋值；初始应力、边界条件设置。

岩体模型

初始应力场主要由地球引力场和等效荷载构成，模型模拟过程中忽略地下水影响，隧道最大埋深、跨度、高分别为95m、16m、10m，左右隧道外轮廓间距23m。隧道两外侧边界距离模型外边界48m，隧道下边界距模型底边界20m，模型尺寸如图1所示。选取里程范围为K178+080至K178+085段，地下埋深-95m的隧道围岩为研究对象，X轴、Y轴、Z轴正向分别为隧道右侧、垂直隧道面向里、垂直隧道轴线向上。模型X轴、Y轴计算区域为150m、5m，此范围内的模型由87800个节点、75325个单元构成。模型左右边界X方向上的位移为0，前后面边界Y方向上位移为0，底面边界上Z方向位移为0，模型上边界不受约束，三维模型，如图2所示。

计算参数确定

根据前期地质勘察、相关材料构件与岩石力学试验报告，模型内各类构件与岩土的参数，如表1所示。

右侧隧道分析

右侧隧道上台阶位移模拟

右侧隧道初始开挖阶段，隧道中轴线左右两侧竖向位移呈现对称分布，位移量较小，拱顶中轴线位置出现17.5mm的竖向位移。拱顶以上至岩体深部位移值越来越小，拱顶上方20m～25m范围内垂直位移较大，平均约10mm。拱低中轴线位置出现19.8mm的最大竖向位移。拱底部以上至岩体深部16m范围内位移较小约6mm，此处的围岩稳定性较差，需加强支护。隧道初始开挖后，隧道中轴线左右两侧横向位移呈现对称分布，拱脚岩壁处向内距离0.5m处有最大4.1mm的横向位移，随岩体深处延伸横向位移越来越小。

图1 隧道断面尺寸示意

图2 隧道三维模型

表1 模型参数

隧道上台阶开挖支护后，拱顶范围内竖向变形区呈现增加趋势，拱顶中轴线位置的竖向位移增加了0.4mm，但就全区域而言位移变形量降低；拱低中轴线位置的最大竖向位移减少了0.2mm，横向最大位移位置无变化，数值与变形区域略微减小，表明隧道内的初期支护阻止了隧道围岩的初始大变形。

右侧隧道上台阶应力模拟

由于隧道开挖干扰了原岩应力，使得拱顶和拱底应力释放此时隧道拱顶和拱底压应力为约0.2MPa～0.6MPa。但隧道开挖造成拱脚处出现压应力集中现象，此处的应力值达到3.1MPa～4.2MPa，大于围岩的抗压强度，此处易发生围岩破坏，须加强支护。拱腰左右两侧一定范围内，出现了范围在0.1MPa～0.3MPa的较大拉应力区域，但小于岩体的抗拉强度，拱腰处岩土此时处于稳定状态。

初支后，隧道拱脚处压应力的集中现象未减弱，支护区的拉应力范围与最大值均增大，表明支护后引起隧道岩壁拉应力值与范围的持续扩大。

右隧道下台阶位移模拟

右隧道下台阶开挖未支护，拱顶区临空面最大竖向位移值增大为18.3mm，下沉影响的范围大于上台阶开挖时期。较大沉降区域平均约15mm，范围未发生明显变化。拱腰区域垂直向上最大位移数值减小为17.1mm。下台阶施工开挖后，拱脚最大横向位移增加到4.4mm。右隧道下台阶开挖支护后，拱顶区域竖向变形区持续增大，最大竖向位移增加到18.5mm；拱底围岩隆起减为17.5mm；横向最大变形位置未转移。

右隧道下台阶应力模拟

右线隧道下台阶开挖后未加支护措施时隧道拱顶和拱底压应力、拱脚区域压应力值总体情况和上台阶施工后相似，但数值增大。下台阶开挖支护后隧道拱脚处的压应力集中现象持续存在。拉应力范围与值均增大，表明支护起到一定作用。

左隧道模拟分析

左隧道上台阶位移分析

受到右侧隧道影响，左隧道上台阶开挖后，垂直方向位移存在两种对称形式。一种是左洞与右洞沿自身中垂面左右对称，一种是左右两侧隧道关于两洞间中分面大致对称。隧道拱顶以上出现了约22mm的最大位移，拱顶上方24m范围内的垂直位移平均约为15mm。隧道底部最大垂直向上位移值约18.5mm。左侧隧道受右侧隧道影响，竖向位移相对大。左隧道上台阶开挖后，横向位移云图呈现非对称分布，开挖区拱脚处的最大横向位移值约为5.0mm，左侧拱璧围岩向左侧移动5.0mm。隧道拱顶区域内竖向变形最大值增加了0.1mm，拱底围岩隆起减少了0.1mm。拱脚处横向最大位移与左洞右侧变形变化不大。

左隧道上台阶应力分析

隧道中轴面两侧的最小主应力呈对称分布，左侧隧道开挖区拱顶和拱底的压应力较小，约为0.3MPa～0.5MPa。受右侧隧道影响，左侧隧道右侧岩壁压力分布区呈现向下转移，压力值范围为4MPa～4.5MPa，大于岩石抗压强度，此处的围岩稳定性差，易破坏。拱腰区域拉应力值达到0.2MPa；在隧洞顶部和底部出现了拉应力集中现象，但拉应力值为0.03MPa，小于围岩体的抗拉强度。

初支后围岩拱脚处的压应力集中现象持续存在，支护区拉应力范围扩大，拉应力最大值增大到0.15Mpa，支护后围岩稳定性相对改善。

左隧道下台阶位移分析

受右侧隧道影响，左侧隧道内下台阶开挖后拱顶范围的临空面最大垂直位移为22.5mm，拱顶上方25m范围内平均垂直位移约18mm，拱腰区域两边向下位移值比较均匀，最大值约为15mm。拱脚附近最大垂直向上位移值减小为15.5mm，左侧隧道内下台阶开挖后，在拱脚内壁0.8m的位置出现了最大横向位移，左侧拱璧围岩向外侧移动约5.0mm。左侧隧道内下台阶开挖经过支护后，拱顶区域竖向变形区范围持续增大，竖向位移的最大值增加到22.5mm。隧道拱底围岩隆起减少到15.5mm；拱脚处出现了横向最大变形，此处的横向位移最大值变化不大。

左隧道下台阶应力分析

左隧道上台阶开挖未采取支护措施时，拱脚处左右两侧的压应力比右侧隧道开挖时大3.5MPa，拱底压应力较小。而在上台阶仰拱支护边缘则出现了较为显著的应力集中现象，压应力约4.75MPa，大于围岩抗压强度。上台阶拱顶拉应力约0.2MPa。右侧隧道拱脚处的拉应力出现显著集中现象的原因在于，左侧隧道开挖的影响。左侧隧道下台阶开挖初支后，隧道周界围岩应力整体都呈现减小态势，拱脚压应力减小为1.25MPa，拱底压力减小为0.2MPa，下台阶拉应力范围减小，拱顶拉应力变大为0.2MPa，拉应力集中状况依旧明显。