FLAC數(shù)值模擬分析

1、工程概略研究此段為中條山地道K9+450K10+560段，此處地道最大埋深約540m，主要由遠(yuǎn)古界涑水群表殼巖組合解州片麻巖（Hgn）地層構(gòu)成，構(gòu)成中條山地道分水嶺北側(cè)的主體；此段構(gòu)成地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)狀整體偏向南東，傾角一般在5070間變化。在AK9+900AK10+000段為地區(qū)性斷層影響段，此斷層為破裂巖石組成，將為基巖裂隙水下滲供給通道，地道開(kāi)挖勢(shì)必惹起涌水，同時(shí)此段圍巖稍差，施工時(shí)易惹起坍塌。此段同時(shí)也是中條山北側(cè)泉水主要涌出段，水文狀況復(fù)雜。整體評(píng)論，本段工程地質(zhì)條件差。在此處，詳細(xì)運(yùn)用FLAC3D進(jìn)行模擬的區(qū)段均取洞身Y

2、K10+100YK10+180段。該區(qū)段為V級(jí)圍巖地區(qū)，埋深為505512m，為斷層，鄰近遠(yuǎn)古界涑水群花崗片麻巖、黑云斜長(zhǎng)片麻巖、巖石破裂。地道斷面為SVc型，如圖2-2所示。圖2-2SVc型地道斷面圖地道襯砌按新奧法原理設(shè)計(jì)，采納SVc型復(fù)合式襯砌，該襯砌合用于地道洞身V級(jí)斷層影響帶及脆弱破裂圍巖段的早期支護(hù)及襯砌，超前支護(hù)各環(huán)采納424mm注漿小導(dǎo)管超前預(yù)加固圍巖，長(zhǎng)4.5m，環(huán)向間距35cm，搭接長(zhǎng)度1.3m，斜插角1015，每環(huán)37根；初襯以噴、錨、網(wǎng)為主要支護(hù)手段：鋼拱架為I20a型鋼，縱向間距75cm，每榀鋼拱架之間采納22鋼筋連結(jié)，環(huán)形間距1.0m；錨桿采納D25中空注漿錨桿，長(zhǎng)

3、3.5m，間距75cm（縱）100cm（環(huán)），與鋼拱架交織部署；噴C25早強(qiáng)混凝土26cm。二次襯砌和仰拱均為C30鋼筋混凝土構(gòu)造，厚50cm。1.2數(shù)值計(jì)算模型依據(jù)中條山地道工程的實(shí)質(zhì)狀況，為提升計(jì)算速度，在保證計(jì)算精度的前提下，取樁號(hào)YK10+100YK10+160段采納大型有限差分軟件3D進(jìn)行建模剖析。FLAC關(guān)于全斷面法、預(yù)留核心土法、臺(tái)階法，因?yàn)檎麄€(gè)地道模型左右對(duì)稱(chēng)，為減少計(jì)算量，可取地道模型的一半計(jì)算，地道的計(jì)算模型I如圖2-3所示。圖2-3計(jì)算模型I表示圖x、y、z各方向的長(zhǎng)度分別為60m、60m和140m。模型的表面為自由界限，底部為固定界限條件，周?chē)鸀榉ㄏ蛭灰凭惺缦迼l件。模

4、型共有10912個(gè)節(jié)點(diǎn)，9360個(gè)實(shí)體單元。關(guān)于單側(cè)壁導(dǎo)坑法，因?yàn)檎麄€(gè)地道模型左右不對(duì)稱(chēng)，可取地道模型的一半計(jì)算，地道的計(jì)算模型II如圖2-4所示。x、y、z各方向的長(zhǎng)度分別為120m、60m和140m。模型的表面為自由界限，底部為固定界限條件，周?chē)鸀榉ㄏ蛭灰凭惺缦迼l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表示圖3D供給了豐富的單元庫(kù)供用戶(hù)選擇，這樣能夠?qū)Ω鳂淤Y料進(jìn)行模擬。計(jì)FLAC算中V級(jí)圍巖均采納摩爾庫(kù)倫資料，早期支護(hù)系統(tǒng)中的噴層混凝土視為線彈性3D軟件內(nèi)置的殼單元（shell）進(jìn)行模擬，體，二次襯砌混凝土及仰拱均采納FLAC系統(tǒng)錨桿和鎖腳錨桿均分別采納錨

5、索單元（cable）和樁單元（pile）進(jìn)行模擬，超前導(dǎo)管采納樁單元（pile）進(jìn)行模擬。各資料參數(shù)見(jiàn)表2-1。1.3數(shù)值計(jì)算說(shuō)明需要說(shuō)明的是，因?yàn)檠芯吭摱温裆詈艽螅畲筇庍_(dá)到540m。此處假定地道埋深為500m，假定地應(yīng)力場(chǎng)僅考慮自重應(yīng)力場(chǎng)，則依據(jù)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=26509.8420=10.91MPa。地應(yīng)力均衡后，模型底部垂直向應(yīng)力z=26509.8560=14.54MPa，地道中心垂直向應(yīng)力z=26509.8500=12.99MPa現(xiàn)依據(jù)上述方法進(jìn)行均衡，獲取的豎向應(yīng)力云圖如圖2-5及圖2-6所示。圖2-5模型均衡地應(yīng)力后垂直向應(yīng)力散布云圖（單位：Pa）

6、圖2-6模型均衡地應(yīng)力后垂直向應(yīng)力散布云圖（單位：Pa）地道開(kāi)挖進(jìn)尺為2m?？v向每個(gè)網(wǎng)格長(zhǎng)為2m。縱向有30個(gè)網(wǎng)格，即無(wú)論哪種工法，開(kāi)挖到30步時(shí)，地道模型即貫串。表2-1資料參數(shù)匯總表資料密度彈性模量泊松比黏聚力（MPa）內(nèi)摩擦角（kg/m3）（GPa）()V級(jí)圍巖265050.40.08538初襯2438.730.110.2二次襯砌2500300.2系統(tǒng)錨桿247992.1鎖腳錨桿254968.6超前導(dǎo)管254968.6關(guān)于早期支護(hù)中鋼拱架和鋼筋網(wǎng)的支護(hù)作用采納等效方法計(jì)算，馬上鋼拱架和鋼筋網(wǎng)的彈性模量折算給混凝土，其計(jì)算方法為：EE0AgEg（2-1）Ac式中：E折算后的混凝土彈性模量（

7、Pa）；E0原混凝土的彈性模量（Pa）；Ag早期支護(hù)鋼拱架的截面積（m2）；Eg早期支護(hù)鋼拱架的彈性模量（Pa）；Ac混凝土的截面積（m2）。關(guān)于系統(tǒng)錨桿及鎖腳錨桿的參數(shù)選用，亦相同采納折算方法計(jì)算獲取，其計(jì)算方法以下：EAE1A1E2A2（2-2）E折算后的錨桿彈性模量（Pa）；E1水泥沙漿彈性模量（Pa）；E2鋼管彈性模量（Pa）；A錨桿截面積（m2）；A1水泥沙漿截面積（m2）；A2鋼材截面積（m2）；關(guān)于地道，實(shí)質(zhì)開(kāi)挖中，因?yàn)樾遁d打破了本來(lái)的均衡，圍巖內(nèi)的各質(zhì)點(diǎn)在地應(yīng)力的作用下，將沿最短距離向除去阻力的自由表面方向挪動(dòng)，惹起圍巖內(nèi)應(yīng)力的從頭散布，直至達(dá)到新的均衡，形成所謂的“二次應(yīng)力場(chǎng)

8、”。開(kāi)挖卸載以前，沿開(kāi)挖界限上的各點(diǎn)都處于必定的初始應(yīng)力狀態(tài)，開(kāi)挖使這些界限的應(yīng)力排除，進(jìn)而惹起圍巖變形和應(yīng)力場(chǎng)的變化。從應(yīng)力路徑上看，地道的開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)的變化是卸載的產(chǎn)物。所以，怎樣模擬出這類(lèi)卸載作用顯得特別重要。為更精準(zhǔn)的計(jì)算出地道圍巖變形及受力變化，Duncan和Dunlop（1969）i最早提出了“反轉(zhuǎn)應(yīng)力開(kāi)釋法”，以后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其睜開(kāi)了深入研究，孫鈞（1988）ii曾建議提出“反轉(zhuǎn)應(yīng)力開(kāi)釋法”，Manaiii曾提出由挖去單元所產(chǎn)生的開(kāi)釋荷載節(jié)點(diǎn)力向量提取等效開(kāi)釋荷載向量的方法，這些都對(duì)地道開(kāi)挖模擬方面，起到了指導(dǎo)作用。在此處開(kāi)挖巖體應(yīng)力開(kāi)釋過(guò)程中，采納Mana和Clough5

9、7提出的方法，即在每一步開(kāi)挖以后，開(kāi)挖體界限的節(jié)點(diǎn)將失掉開(kāi)挖體與之相連單元貢獻(xiàn)的力，故在這些節(jié)點(diǎn)處，不均衡力將不再為0，其為開(kāi)挖掉的與之相連單元貢獻(xiàn)的力的矢量和，指向開(kāi)挖面。而其余地點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)，因?yàn)槲窗l(fā)生應(yīng)力增量，故其不均衡力仍舊為0。此時(shí)再經(jīng)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中間，因?yàn)榭紤]到地道開(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)力其實(shí)不是一次開(kāi)釋完整的，當(dāng)剛才開(kāi)挖到地道某個(gè)地點(diǎn)時(shí)，開(kāi)釋這一部分的80%的不均衡力，當(dāng)初襯在這個(gè)地點(diǎn)成環(huán)時(shí)，再開(kāi)釋這一部分的10%的不均衡力，當(dāng)仰拱或二襯抵達(dá)這個(gè)地點(diǎn)時(shí)，最后開(kāi)釋其10%的不均衡力。此處運(yùn)用不一樣工法進(jìn)行施工時(shí)，詳細(xì)的模擬過(guò)程以下：（1）在模型頂部施加等效應(yīng)力，均衡地應(yīng)力；（2）地道開(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)挖界限節(jié)點(diǎn)處的不均衡力，即本來(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，地道最大不均衡力很小，即可以為開(kāi)挖一步后達(dá)到均衡。（3）開(kāi)挖持續(xù)向前推動(dòng)，當(dāng)施作初襯時(shí)，反向加載此地點(diǎn)初始記錄時(shí)的開(kāi)挖界面各節(jié)點(diǎn)的10%的不均衡力；同時(shí)前