FLAC3D在浅埋隧道稳定性分析中的应用.pdf

地下工程GEOTECHN ICAL ENGI NEER I NGWORLD VOL. 11 No. 2 FLAC3D在浅埋隧道稳定性分析中的应用 王灿刚 张 云 中交隧道工程局有限公司 摘 要 用有限差分数值模拟软件FLAC3D模拟浅埋隧道开挖支护过程,分析在开挖过程中的围岩应力 分布及变形情况,评价其在开挖及支护过程中的围岩稳定性。 关键词 FLAC3D浅埋隧道 稳定性 分析 应用 〔 收稿日期 〕 2007 - 07 - 12 1 FLAC3D简介 FLAC3D不同于其他有限元程序,它采用的是 有限差分法。在有限差分法中,基本方程组和边界 条件一般均为微分方程近似地改用差分方程代 数方程来表示,即由空间离散点处的场变量应 力,位移的代数表达式代替。这些变量在单元内 是非确定的,从而把求解微分方程的问题改换成求 解代数方程的问题,能相对高效地在每个计算步骤 重新生成有限差分方程。在有限元法中,常采用隐 式、 矩阵解算方法,而有限差分法则通常采用“ 显 式 ” 、 时间递步法解算代数方程。FLAC3D程序具有 强大的后期处理功能,用户可以用以直接在屏幕上 绘制或以文件形式创建和输出打印多种形式的图 形,还可以根据需要,将若干个变量合并在同一幅图 形中进行研究分析。 2 工程简介 漫川关隧道地处秦岭山脉中,围岩以 Ⅵ、 Ⅴ为 主,隧道基本垂直山脊走向,隧道地区地形起伏绞 大,地表有残坡积亚粘土、 碎石土。隧道围岩砂岩、 砾岩为主,弱风化,节理较发育。山体中部发育一条 河流纸房沟 , 沟内有长流水,隧道最大埋深 113m,顶部浅埋只有16m,浅埋段长90m。浅埋段 岩体力学参数见表1。 表1 浅埋段岩体力学参数 岩体名称深度/m容重/kgm - 3 弹模/MPa泊松比υ抗压强度/MPa抗拉强度/MPa粘结力/MPa内摩擦角 / 亚粘土、 碎石土0～416002000/0. 2230. 61. 125 砂岩4～25221240280. 1736. 251. 021. 930 砂岩、 砂砾岩25～85249885900. 27445. 461. 362. 0534 3 稳定性分析 311 开挖和支护方式 漫川关隧道拟采用CRD开挖方式,双层小导管 超前注浆图1 ,系统锚杆梅花形布置图2 ,每循 环进尺1m,衬砌采用复合式衬砌,支护参数见表2。 表2 支护参数 衬砌形式 衬砌厚度/mm 初期支护二衬 锚杆直径 混凝土标号 初衬二衬 复合式260450Ф22C25C25 图1 双层小导管布置示意图 312 数值模拟稳定性分析 有限差分计算试验模型采用摩尔-库仑模型 图3 ,主要参数见表1。约束条件X, Y方向边界 水平约束,Z方向低面垂直约束,顶部为自由面。模 型纵向取120m,横向各取40m,上层覆盖层厚度平 05 岩土工程界 第11卷 第2期地下工程 均为28m,共划分34320个网格单元, 36901个网格 节点,大部分网格单元为1～2m,最大不超过8m。 1围岩应力分布规律围岩在第一部分开挖 后随着原岩应力的释放,最小主应力高应力区为开 挖面的底部,而最大主应力高应力区则为侧边,最大 主应力与最小主应力在数值上差一个数量级图4、 5 。而在加了支护之后,应力峰值区已有往侧壁转 移的趋势图6、 7 。 下转第55页 15 岩土工程界 第11卷 第2期边坡工程 表1 土坝渐进破坏过程中破坏可能性度量表 破坏单元数 指定破坏单元应力状态/MPa σ1σ2σ3 破坏单元可靠度指标边坡可靠度指标相应安全系数 00106215010549- 0117375318539318539 80107225010446- 0118115212862617931 160108525- 0101355- 01226- 910190714942 2401111875- 0104193- 013371- 1118691714944 33010884- 010485- 012974- 4143197149501189 面的位置也相差不大 [2] ,可见本文建议的方法是非 常有效和可靠的。 6 结论 本文根据边坡工程渐进破坏的理论,利用破坏 追踪的方法得到最大可能滑裂面的位置和相应的失 效概率,并把失效概率进一步转化为安全系数,通过 一个均质土坝的算例,验证该方法是可行性的,并将 所得的结果与Bishop法、 降低强度法和增加容重发 进行了对比,结果表明本文采用的方法与Bishop法 及降低强度法相近,但与增加容重相比相差较远。 本文利用破坏追踪来模拟边坡滑移失稳的过 程,物理意义明确,计算过程简单,描述过程形象,可 得到任何破坏程度的应力应变值以及边坡的变位, 方法相对简单,并且可以描述边坡土体力学性质的 随机性,有广泛的工程应用前景。 参考文献 [ 1 ] Zou J Z, W illiamsD J, XiongWL. Search forCritical slip surface based on Finite Element .Canadian Geotech J, 1995, 32 1 233 - 246. [2 ] 宋二祥.土工结构安全系数的有限元计算.岩土工程学报, 1997, 192 1 - 7. [3 ] 沈珠江.理论土力学.北京水利水电出版社, 2000. [4 ] 杨令强,练继建,张社荣,等.拱坝的破坏分析及超载问题探 讨.水利学报, 20033. [5 ] 刘 宁.可靠度随机有限元及其工程应用.北京中国水利水 电出版社, 2001. [6 ] 赵国藩.工程结构的可靠性理论与应用.大连大连理工出版 社,1996. 第一作者通讯地址济南市济微路106号济南大学土建学院 邮编 250022 上接第51页 2围岩位移分布由图8至图11可以看出由 于是浅埋隧道,上部发育一条常年流水的河流,最大 变形处发生在拱顶和起拱线处,拱顶下沉达到8cm, 以接近设计的12cm,但已基本接近稳定,而起拱线 处位移方向是向隧道中心变形,位移达倒115cm,但 在同时段也已稳定。从以上分析可以看出在漫川关 隧道的浅埋部分采用CRD法开挖,对围岩扰动小, 围岩基本稳定,能满足设计要求。 4 结论 浅埋隧道采用CRD法,能够很好地控制开挖步 骤,在开挖过程中对围岩扰动小,小循环、 短支护十 分有利于特殊地质条件下的隧道开挖。用Flac3D 有限差分数值模拟软件能够很好地模拟浅埋隧道的 各种开挖方式,能够准确地评价出隧道在采用不同 开挖方式下的围岩稳定性,这对于隧道设计和施工 具有十分重大的意义。 参考文献 [1 ] 蒋金泉,韩继胜,等.巷道围岩结构稳定性与控制设计[M ].北 京煤炭工业出版社, 1999. [2 ] 邹喜正.煤矿巷道围岩稳定性分类[M ].徐州中国矿业大学 出版社, 1995. [3 ] 于学馥,郑颖人,等.地下工程围岩稳定性分析[M ].北京煤 炭工业出版社,1983. [4 ] 朱维申,何满潮.复杂条件下围岩稳定性与岩体动态施工力学 [M ].北京科学出版社, 1996. 第一作者通讯地址陕西省山阳县漫川关镇粮站高速公路项 目部 邮编 726406 55