FLAC3D 技术在锚杆“耦合”支护工程中的应用研究.pdf

第3卷 第3期 地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol . 3 2007年6月 Chinese Journal ofUnderground Space and EngineeringJun. 2007 FLAC 3D 技术在锚杆“ 耦合 ” 支护工程中的应用研究 3 刘贵应,李正川 中铁二院工程集团有限责任公司三峡库区地灾防治顾问部,重庆 400015 摘 要隧道开挖后的支护结构设计,唯有在充分考虑原岩条件的支护设计,并确保支护 体系、 支护结构和参数以及施工工艺过程与围岩变形力学特性相适应、 相匹配的条件下,才能 达到最大限度发挥围岩自承能力和支护体系支承能力,达到控制围岩变形、 维护隧道稳定的目 的。亦即唯有使支护设计与原岩条件达到一定程度的“ 耦合 ” 关系,才能既满足隧道围岩的稳 定要求,也同时达到经济合理的目的。文章结合襄武段联拱隧道具体工程条件,就隧道锚杆支 护设计与原岩条件的“ 耦合 ” 问题借助FLAC 3D数值模拟技术进行研究 ,得出了锚杆弹性模量为 围岩体等效变形模量的250倍时,锚杆支护刚度就与围岩体强度达到“ 耦合 ” 状态的结论,为 合理设计隧道锚杆支护结构提供了可靠依据。 关键词隧道;锚杆支护;耦合分析; FLAC3D模拟技术 中图分类号U456. 31 文献标识码A 文章编号 167320836 2007 0320509204 Application and Study on Coupled Supporting of the Anchor in Tunnel Engineering by FLAC 3D L I U Gui2ying , L I Zheng2chuang Consultant Departm ent of Geological Hazard Prevention anchor supporting; coupled analysis; FLAC3Dnumerical simulation 1 隧道开挖支护设计的“ 耦合 ” 分析 原理 根据研究表明 [1] 一定范围内的支护抗力与 原岩应力之比 p i/p0与围岩塑性区半径与隧道半 径之比 r p/ r0存在如下关系 rp r0 1.25-0.625 pi p0 σcm p0 pi p0-0. 57 1 3收稿日期 20062052 08 修改稿 作者简介刘贵应19742 , 男,四川自贡人,博士,工程师,主要从事工程岩土体稳定性评价及工程数值模拟方面的 研究工作。E2mail liu_gui_ying163. com 基金项目湖北省交通厅重点科研项目“ 高速公路复杂地层双联拱隧道施工控制工艺研究与应用 ” 。 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ui u0 0.002-0.0025 pi p0 σcm p0 2.4pi p0-2 2 式中 rp为塑性区半径; ui为隧道边墙位移; r0为初 始隧道半径, m; pi为隧道支护抗力; p0为原岩应力 地面以下深度 岩体容重;σcm为岩体强度 2Ccosφ / 1 - sinφ。 其关系图见图1与2所示。 图1 不同支护抗力下rp/ r0与pi/p0关系曲线 Fig . 1 Therp/ r0andpi/p0relationship curve in different supporting resistance condition 图2 不同支护抗力下ui/ r0与pi/p0关系曲线 Fig . 2 Theui/ r0andpi/p0relationship curve in different supporting resistance condition 由图1与图2可以看出,在一定的原岩应力 与岩体强度条件下,隧道开挖后塑性区半径 r p的 大小和隧道边墙位移 u i与支护抗力 p i成反比。 因此,提供足够的支护抗力即可有效减小隧道开挖 后塑性区半径和隧道边墙位移。 作者认为从式1与式2可以看出,隧道开挖 后无论是塑性区半径与隧道半径之比 r p/ r0值的 大小还是隧道的变形量与隧道半径之比 u i/ r0值 的大小都是支护抗力与原岩应力之比 p i/ p0值 的函数。这深刻地反映了支护设计与原岩条件的 “ 耦合 ” 问题,而不应该仅仅通过提高支护抗力 p i来获得隧道围岩的稳定,唯有充分考虑了原岩 条件的支护设计,并确保支护体系、 支护结构和参 数以及施工工艺过程与围岩变形力学特性相适应、 相匹配,才能达到最大限度发挥围岩自承能力和支 护体系支承能力,达到控制围岩变形、 维护隧道稳 定的目的。亦即唯有使支护设计与原岩条件达到 一定程度的“ 耦合 ” 关系,才能既满足隧道围岩的 稳定要求,并同时达到经济合理的目的。 如某工程隧道岩体强度与原岩应力之比σcm/ p0大约为0.4,当支护抗力与原岩应力之比 p i/ p0从0～0.5之间变化时,塑性区半径与隧道半径 之比 r p/ r0则在2.2～0.2之间变化,而隧道的变 形量与隧道半径之比 u i/ r0则在0.03～0.01之 间变化。本文将结合“ 襄 ～ 十 ” 高速公路襄武段联 拱隧道具体工程条件,就支护设计与原岩条件的 “ 耦合 ” 问题借助FLAC 3D数值模拟技术进行研究。 2 FLAC 3D计算优势 FLAC 3D FastLagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions是由美国Itasca Consulting Group Inc 开发的三维显式有限差分法程序,该程序采用“ 混 合离散化 ”mixed discretization技术,更为精确和 有效地模拟计算材料的塑性破坏和塑性流动。它 全部使用动力运动方程,较好地模拟系统的力学不 平衡到平衡的全过程。目前该软件在国内、 外已被 广泛应用于工程地质、 岩土力学以及构造地质学和 成矿学等研究领域。 FLAC 3D包含了 10种弹塑性材料本构模型,其 中包括1个空洞模型, 3个弹性模型及6个塑性模 型。同时它还包含静力 Static Analysis、 动力 Dynamic Analysis、 蠕变Creep MaterialModel、 渗流 Fluid - mechanical Interaction及 热力 学 Thermal Option 5种计算模式,各种模式间可以 相互“ 耦合 ”,以模拟各种复杂的工程力学行为。 FLAC 3D软件已成为工程技术人员较为理想的三维 计算分析工具 [2 ]。 3 工程应用 3. 1 工程概况 “ 襄 ～ 十 ” 高速公路是湖北省“ 九五 ” 交通重点 工程,是规划建设的武汉 西安 银川西部大通道 的重要组成部分。襄樊至武当山段秦家沟、 徐家湾 和梅子沟三条双联拱隧道为此段公路的隧道,长度 分别为200m、185 m和160 m,三条双联拱隧道均 处于浅埋复杂地层环境中,且为大跨度24 m、 特 大开挖断面 180 m 2 的浅埋隧道,是此条线路公 认的重点、 难点和“ 瓶颈 ” 工程,也是湖北省公路史 015地 下 空 间 与 工 程 学 报 第3卷 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 上首次出现的联拱隧道。隧道围岩为 Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ 类 围岩,岩层主要为中软硬以下的钠长石英片岩与片 麻岩,部分为辉绿岩,风化破碎,节理含三组以 上、 片理和构造裂隙十分发育,隧道穿越地层多 数为强风化与全风化地层。岩体的强度较低,隧道 自稳能力差 [3 ]。本文以地层条件最为复杂的梅子 沟隧道为例,采用FLAC 3D数值模拟技术就联拱隧 道锚杆“ 耦合 ” 支护问题进行研究分析。 3. 2 隧道锚杆与围岩的“ 耦合 ” 分析 从锚杆加固作用的机理分析可以得知锚杆支 护效果除了与地压、 围岩的地质条件、 围岩的物理 力学性质之外,还与锚杆的支护形式、 锚杆的长度、 锚杆的间排距有很大的关系。而这些综合起来都 反映在对围岩等效变形模量 E ′与等效剪切模量 G ′的增加,由于锚杆是一种典型的异质包体,锚 杆杆体的弹性模量Eb远高于岩体变形模量E,当 锚杆随岩体变形时,这种变形特征差异造成了岩体 等效变形模量与等效剪切模量的增加,可以近似表 示为 E′ E EbπD 2 4StSc G′ G GbπD 2 4StSc 3 式中D为直径; St为锚杆水平间距; Sc为锚杆竖 向排距。 主要从锚杆杆体的弹性模量Eb与围岩体等效 变形模量E’ 之间的“ 耦合 ” 关系来研究其支护效 果。图3～ 图6分别为相同条件下联拱隧道中导 坑不支护及锚杆杆体的弹性模量Eb为2.110 4 MPa、2. 110 5 MPa与2. 110 6 MPa的围岩位移 云图。 从图3～ 图6对比分析可以看出,随着锚杆杆 体的弹性模量Eb的增加,中导坑围岩位移值在不 断减小,但其减小的幅度值却是不同的,见表1所 示。即围岩体的等效变形模量E′与锚杆杆体的弹 性模量Eb之间存在一定的“ 耦合 ” 关系。 表1 锚杆弹性模量Eb与支护效果对比表 Table 1 The contrast analysis table between anchor elasticity module with supporti ng effect 支护效果 锚杆弹性模量MPa 02. 11049. 01042. 11059. 01052. 1106 顶板锚杆轴力T2. 945. 216. 447. 127. 33 边墙锚杆轴力T1. 822. 953. 874. 284. 55 主应力张量MPa1. 7531. 7281. 7191. 7141. 711. 709 拱顶竖向位移mm12. 5312. 2912. 1412. 0612. 0211. 99 侧壁水平位移mm7. 987. 777. 627. 537. 507. 48 塑性区半径m4. 984. 834. 784. 754. 734. 72 围岩剪应力最大值MPa0. 416640. 368510. 368050. 367810. 36740. 36729 围岩最小主应力最大值MPa1. 64311. 62261. 61631. 61121. 61041. 6098 从表1可以看出,隧道围岩体的各支护效果随 着锚杆杆体的弹性模量Eb的增加而增加,但其增 加的幅度值却有所不同。定义支护效果相对增率 函数 ηk S0- Sk S0 1004 式中 S0与Sk分别为未设置支护及设置支护参量 量值为k情况下的支护效果。 如根据表1可计算襄武段联拱隧道各支护效 果随锚杆杆体弹性模量Eb变化的相对增率关系如 图7所示。 从图7可以看出,随着锚杆弹性模量的增大, 各支护效果ηk都将随着增大。但当锚杆弹性模量 达到2. 110 5 MPa时襄武段梅子沟联拱隧道围 岩体等效变形模量为800 MPa,见表1 ,即 E b/E′ 250后,支护效果将不再明显增大 ,也就是说, 锚杆弹性模量为围岩体等效变形模量的250倍时 其支护强度就足够了。此时,锚杆支护刚度已与围 岩体强度达到“ 耦合 ” 状态,更高弹性模量的锚杆 将达不到明显提高支护效果的目的。此支护参数 即能够满足隧道围岩的稳定要求,也能够达到经济 合理的目的。 1152007年第3期 刘贵应,等 FLAC3D技术在锚杆“ 耦合 ” 支护工程中的应用研究 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图3 中导坑围岩位移云图无支护 Fig . 3 The displacement drawingwithout supporting 图4 中导坑围岩位移云图Eb2. 1104MPa Fig . 4 The displacement drawingwith anchor supporting Eb2. 1104MPa 图5 中导坑围岩位移云图Eb2. 1105MPa Fig . 5 The displacement drawingwith anchor supporting Eb2. 1105MPa 随着锚杆支护刚度与围岩体强度“ 耦合 ” 程度 的增加,围岩集中应力区向低应力区转移和扩散, 隧道周边围岩应力状态与深部围岩应力状态逐步 趋于均匀化。这与何满潮等对煤矿巷道锚杆网 与围岩的“ 耦合 ” 技术研究结论 [4 ]较为吻合。 图6 中导坑围岩位移云图 E b2. 110 6 MPa Fig . 6 The displacement drawingwith anchor supporting E b2. 110 6 MPa 图7 锚杆弹性模量与支护效果关系图 Fig . 7 The relationship curve bet ween anchor elasticity module with supporting effect 4 结语 结合襄武段联拱隧道具体工程条件,就隧道锚 杆支护设计与原岩条件的“ 耦合 ” 问题借助三维显 式有限差分法程序 FLAC 3D分析系统进行分析 论证。得出了唯有充分考虑原岩条件的支护设计, 并确保支护体系、 支护结构和参数以及施工工艺过 程与围岩变形力学特性相适应、 相匹配,才能达到 最大限度发挥围岩自承能力和支护体系支承能力, 达到控制围岩变形、 维护隧道稳定的目的。亦即唯 有使支护设计与原岩条件达到一定程度的“ 耦合 ” 关系,才能既满足隧道围岩的稳定要求,并同时达 到经济合理的目的的结论。 襄武段联拱隧道中导坑开挖完成后根据上述 “ 耦合 ” 原理得出的锚杆轴力与注浆体应力分布可 以看出,锚杆最大轴力为4. 5T,根据公路隧道设 计规范 ,锚杆最大抗拉拔力设计要求为5. 0T,因 此该锚杆设计是满足要求的。下转第518页 215地 下 空 间 与 工 程 学 报 第3卷 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 就可以确保工程的安全性与经济合理性。 参考文献 [1] 翁承显,张庆贺,朱继文,陈勇.软土地区双圆盾构施 工引起的地表沉降分析[J ].地下空间与工程学报, 2006, 2 1 124 - 127. Weng Chengxian, ZhangQing2 he, Zhu Jiwen, Chen Yong .Analysis on Ground Sur2 face Settlement Caused by Double2circled Shield Con2 struction in Soft Soils [ J ].Journal of Underground Space and Engineering . 2006, 2 1 124 - 127. in Chi2 nese [2] 蒋洪胜,侯学渊.盾构掘进对隧道周围土层扰动的理 论与实测分析[ J ].岩石力学与工程学报, 2003, 9 9 1514 - 1520. Jiang Hongshen, Hou Xueyuan. Theory and measurement of Disturbance of Tunnel Sur2 rounding Soils by Shield excavation[J ]. JournalofRock Mechanics and Engineering . 2003, 9 9 1514 - 1520. in Chinese [3] 王良.盾构法施工在北京地铁5号线的应用[J ].都 市快轨交通, 2004, 17 5. Wang Liang . Application of Shield Excavation inMetro Line No. 5 ofBeijing[J ]. CityMass Transport . 2004, 175. in Chinese [4] 康宝生,陈馈,李荣智.南京地铁盾构始发与到达施 工技术[J ].建筑机械化. 2004, 02. 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Jour2 nalofUnderground Space and Engineering . 2006, 21 74 - 78. in Chinese 上接第512页 同时,文中作者提出了采用支护效果的相对 增率函数来判断支护结构与围岩体强度之间的 “ 耦合 ” 程度,并据此提出了襄武段联拱隧道锚杆 支护与原岩条件的“ 耦合 ” 参数范围,值得类似工 程借鉴利用。 参考文献 [1] Evert Hoek加著,刘丰收等译,实用岩石工程技术 [M ].郑州黄河水利出版社, 2002. 173 - 176. Evert Hoek, Practical Rock Engineering [M ].ZhengZhou Yellow River Press of water conservancy[M ].2002. 173 - 176. in Chinese [2] FLAC3DUser’sManualVersion2. 0 [3] 襄 ～ 十 ” 高速公路襄樊至武当山段梅子沟双联拱隧 道勘察报告[R ].“ 襄 ～十 ” 高速公路指挥部, 2002. The exploring report ofMeizigou tunnel in Xiang - Wu section of Xiang - Shi express way[R ].the Xiang - Shi express way headquarters, 2002. in Chinese [4] 何满潮,景海河,孙晓明.软岩工程力学[M ].科学出 版社, 2002.108 - 121. He Manchao, Jing Haihe, Sun Xiaoming .Soft Rock EngineeringMechanics[M ]. Science Press, 2002. 108 - 121. in Chinese 815地 下 空 间 与 工 程 学 报 第3卷 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.