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+45曠K10+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+900-AK10+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。 總體評價(jià)，本段工程地質(zhì)條件差。在此處，具體運(yùn)用FLACD進(jìn)行模擬的

2、區(qū)段均取洞身 YK10+10YK10+180段。 該區(qū)段為V級圍巖區(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42X 4 mm注漿小導(dǎo)管超前預(yù)加固圍巖，長4.5 m,環(huán)向間距35 cm,搭接長度1.3 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

3、采用© 22鋼筋連接，環(huán)形間距1.0 m； 錨桿采用D25中空注漿錨桿，長3.5 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50 cm。1.2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YK10+10CYK10+160段采用大型有限差分軟件FLACd進(jìn)行建模分析。對于全斷面法、預(yù)留核心土法、臺階法，由于整個(gè)隧道模型左右對稱，為減少計(jì)算量，可取隧道模型的一半計(jì)算，隧道的計(jì)算模型I如圖2-3所示。圖2-3計(jì)算模型I示意圖x、y、z各方向的長度分別為6

4、0 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), 9360個(gè)實(shí)體單元。對于單側(cè)壁導(dǎo)坑法，由于整個(gè)隧道模型左右不對稱，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。ZXiiiiiiiiiiiiiiil IIIIIIIIIIIIHIIIIIIIII圖2-4計(jì)算模型II示意圖flaCd提供了豐富的單元庫供用戶選擇，這樣可以對

5、各種材料進(jìn)行模擬。計(jì) 算中V級圍巖均采用摩爾一庫倫材料，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均采用 FLACD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)見表2-1 o1.3數(shù)值計(jì)算說明需要說明的是，由于研究該段埋深很大，最大處到達(dá)540 mo此處假設(shè)隧道埋深為500 m,假設(shè)地應(yīng)力場僅考慮自重應(yīng)力場，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 = 2650XX 420 =10.91MPa。地應(yīng)力平衡后，模Step 17407 Model

6、Perspective卄亠亠"十 亠全：51：01 Mon Dec 05 2022,型底部垂直向應(yīng)力z = 2650 XX,隧道中心垂直向應(yīng)力Center:Rotation:Y: 3.000e+001Y: 0.000示。Z: 1.000e+001Z: 40.000Dist: 4.171e+002 Mag.:1=2650 XX 5002-5及圖2-6所=12.99MPa豌按照上述方法進(jìn)行平衡，得到的豎向應(yīng)力云圖如圖Ang.: 22.500Con tour of SZZMagfac = 0.000e+000Gradient CalculationI-1.3537e+007 to -1.3

7、500e+007-1.3500e+007 to -1.3000e+007 -1.3000e+007 to -1.2500e+007 |.-1.2500e+007 to -1.2000e+007-1.2000e+007 to -1.1500e+007 _-1.1500e+007 to -1.1000e+007-1.1000e+007 to -1.0500e+007 -1.0500e+007 to -1.0000e+007 |-1.0000e+007 to -1.0000e+007 Interval = 5.0e+005Itasca Consulting Group, Inc. Minneapol

8、is, MN USA圖2-5 模型I平衡地應(yīng)力后垂直向應(yīng)力分布云圖單位： PaRotation:X: 0.000Y: 0.000Z: 40.000Mag.:1Ang.: 22.500Step 20000 Model Perspective 18:57:44 Mon Dec 05 20l1Center:X: 1.332e+001Y: 3.882e+001Z: 1.000e+001Dist: 4.371e+002Con tour of SZZMagfac = 0.000e+000Gradient Calculation1.4403e+007 to -1.4000e+0(1.4000e+007 to

9、 -1.3500e+00fiU1.3500e+007 to -1.3000e+0(1.3000e+007 to -1.2500e+0(1.2500e+007 to -1.2000e+0(1.2000e+007 to -1.1500e+0(1.1500e+007 to -1.1000e+0(1.1000e+007 to -1.0500e+0(1.0500e+007 to -1.0092e+0(Interval = 5.0e+005Itasca Consulting Group, Inc. Minneapolis, MN USA圖2-6 模型n平衡地應(yīng)力后垂直向應(yīng)力分布云圖單位：Pa隧道開挖進(jìn)尺為

10、2 m?？v向每個(gè)網(wǎng)格長為2 m?？v向有30個(gè)網(wǎng)格，即不管哪 種工法，開挖到30步時(shí)，隧道模型即貫穿。表2-1材料參數(shù)匯總表材料密度彈性模量GPa泊松比內(nèi)摩擦角(° )黏聚力MPakg/m3V級圍巖2650538初襯二次襯砌250030系統(tǒng)錨桿2479鎖腳錨桿t2549超前導(dǎo)管2549對于初期支護(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，即將鋼拱架和鋼筋網(wǎng)的彈性模量折算給混凝土，其計(jì)算方法為：E。2-1式中：E折算后的混凝土彈性模量Pa;Eo原混凝土的彈性模量P6 ;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。對于系統(tǒng)錨桿及鎖腳錨桿的參數(shù)

11、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 E1 A1 E2 A2 2-2 E折算后的錨桿彈性模量Pa；Ei水泥砂漿彈性模量PaJ；E2鋼管彈性模量PaJ； A錨桿截面積m2；Ai水泥砂漿截面積m2； A鋼材截面積m2；對于隧道，實(shí)際開挖中， 由于卸載打破了原來的平衡， 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 的重新分布，直至到達(dá)新的平衡，形成所謂的“二次應(yīng)力場 。開挖卸載之前， 沿開挖邊界上的各點(diǎn)都處于一定的初始應(yīng)力狀態(tài)，開挖使這些邊界的應(yīng)力解除， 從而引起圍巖變形和應(yīng)力場的變化。 從應(yīng)力路徑上看， 隧道的開挖過程中應(yīng)

12、力場 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 1969i最早提出了 “反 轉(zhuǎn)應(yīng)力釋放法，之后，國內(nèi)外學(xué)者對其展開了深入研究，孫鈞1988【"I曾建 議提出“反轉(zhuǎn)應(yīng)力釋放法，Manaiii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， 這些都對隧道開挖模擬方面， 起到了指導(dǎo)作 用。在此處開挖巖體應(yīng)力釋放過程中，采用Mana和Cloughf57】提出的方法，即在 每一步開挖之后， 開挖體邊界的節(jié)點(diǎn)將失去開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

13、0，其為開挖掉的與之相連單元奉獻(xiàn)的力的矢量 和，指向開挖面。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)再通過計(jì)算得出新的位移場和應(yīng)力場。再進(jìn)行下一步開挖計(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。對應(yīng)每一次開挖步，應(yīng)力并不是一次釋放完全的，當(dāng)剛剛 開挖到隧道某個(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隧道開始開挖，每開挖一步，即計(jì)算 1時(shí)步，記錄此時(shí)開挖邊界節(jié)點(diǎn) 處的不平衡力，即原來開挖體對圍巖的支撐力，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