趙永清

摘 要：以北衙萬(wàn)硐山礦段東山河排洪隧道開(kāi)挖設(shè)計(jì)及支護(hù)方案為工程背景，采用數(shù)值模擬計(jì)算的方法，著重分析排洪隧道開(kāi)挖前后及支護(hù)后隧道穩(wěn)定性。ansys進(jìn)行建模，導(dǎo)入FLAC3D對(duì)隧道支護(hù)前后兩種工況進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明：不支護(hù)情況下巷道圍巖位移較大、拉應(yīng)力大于圍巖內(nèi)聚力；支護(hù)后有效抑制了巷道圍巖位移，減小了拉應(yīng)力，提高了巷道整體穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：隧道；穩(wěn)定性；支護(hù)；數(shù)值分析

前言

FLAC3D程序是FLAC二維計(jì)算程序在三維空間的擴(kuò)展，用于模擬三維土體、巖體或其它材料體力學(xué)特性，廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、支護(hù)設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)、隧道工程、礦山工程等[1-2]多個(gè)領(lǐng)域。所以使用FLAC3D程序?qū)|山河排洪隧道進(jìn)行開(kāi)挖前后進(jìn)行受力分析，根據(jù)分析結(jié)果確定是否支護(hù)以及支護(hù)方案是否可行，其結(jié)果是相對(duì)可靠的。

1 工程概況

東山河是萬(wàn)硐山礦段內(nèi)一條自西南向東北方向徑流的季節(jié)性河流，河谷寬2～4m，深0.5～1m左右，雨季匯集地表水，旱季干涸斷流。因萬(wàn)硐山礦段開(kāi)采境界的擴(kuò)大，曾對(duì)東山河進(jìn)行過(guò)兩次改道，以鋼筋混凝土進(jìn)行支護(hù)。因萬(wàn)硐山礦段露采終了境界的需要，須對(duì)東山河進(jìn)行第三次改道，本次改道采用明渠、排洪隧道、暗涵聯(lián)合排水的方式，排洪隧道總長(zhǎng)569m，坡度2%。因東山河關(guān)系到北衙村灌溉用水，其服務(wù)年限較長(zhǎng)，必須對(duì)排洪隧道穩(wěn)定性進(jìn)行分析，確保排洪隧道支護(hù)的穩(wěn)定。

根據(jù)《云南省鶴慶縣北衙鐵金礦資源儲(chǔ)量核實(shí)地質(zhì)報(bào)告》礦區(qū)工程地質(zhì)分區(qū)表，排洪隧道位于松散沉積物區(qū)，主要為粘土、粉質(zhì)粘土，含少量礫砂以及殘坡堆積物組成，屬松散巖類(lèi)巖組，結(jié)構(gòu)疏松，穩(wěn)定性差。根據(jù)地形地質(zhì)圖，隧道圍巖以粘土巖為主，局部有灰色灰質(zhì)角礫巖。查《礦區(qū)巖石物理力學(xué)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表》得粘土巖與灰質(zhì)角礫巖物理性質(zhì)與力學(xué)性質(zhì)如下（見(jiàn)表1、表2）。

從物理性質(zhì)指標(biāo)及力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)上分析，灰質(zhì)角礫巖從強(qiáng)度到穩(wěn)定性上遠(yuǎn)高于粘土巖，加之研究區(qū)域主要為粘土巖，灰質(zhì)角礫巖具體空間分布尚不明確，所以此次建模山體采用庫(kù)爾庫(kù)倫模型，山體結(jié)構(gòu)為粘土巖，物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)取平均值。建模軟件為ANSYS。

2 支護(hù)方案

鑒于排洪隧道圍巖以粘土為主，圍巖整體性很差，無(wú)法以錨桿等支護(hù)手段進(jìn)行支護(hù)，設(shè)計(jì)采用鋼筋混凝土支護(hù)，鋼筋混凝土強(qiáng)度C20，支護(hù)厚度400mm，采用φ18mm鋼筋支護(hù)，縱橫筋配筋網(wǎng)度@400×200mm，鋼筋保護(hù)層厚度35mm。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析

因粘土巖結(jié)塊性較強(qiáng)，不存在斷層，其應(yīng)力分布主要受巖體自重影響，同標(biāo)高層位受力較為均勻。

3.1 無(wú)支護(hù)情況

考慮巷道開(kāi)挖后不支護(hù)時(shí)巷道穩(wěn)定性，模擬其應(yīng)力分布情況及位移情況。

3.1.1 應(yīng)力場(chǎng)分布特征

隧道開(kāi)挖后，在不支護(hù)的情況下，根據(jù)FLAC3D程序分析，該模型最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力分布圖如圖3、圖4。

圖3 無(wú)支護(hù)最大主應(yīng)力圖

圖4 無(wú)支護(hù)最小主應(yīng)力圖

由圖3可以看出，壓應(yīng)力由巷道外側(cè)逐漸向臨空面增大，最大壓應(yīng)力集中在隧道左右兩側(cè)臨空面為2.83MPa。由圖4可以看出，在巷道頂板和底板出現(xiàn)拉應(yīng)力，頂板最大拉應(yīng)力為0.1MPa，底板最大拉應(yīng)力為0.13MPa。根據(jù)表2，粘土巖最大抗壓強(qiáng)度為1.9MPa，抗拉強(qiáng)度為0.1MPa，可以斷定，巷道墻腳出現(xiàn)受壓破壞（片幫），巷道頂?shù)装宄霈F(xiàn)受拉破壞（頂板沉降、底板底鼓）。

3.1.2 位移場(chǎng)分布特征

巷道開(kāi)挖后位移矢量圖如圖5，其最大位移矢量位于巷道底板中央，其最大位移為11.8mm，這說(shuō)明巷道的位移主要與地應(yīng)力分布有關(guān)。由于粘土巖整體性差，不能支撐巷道頂?shù)装鍑鷰r，致使巷道頂部粘土巖下沉、底部粘土巖底鼓，嚴(yán)重影響了巷道穩(wěn)定性，應(yīng)對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，抑制其變形，提高穩(wěn)定性。

圖5 無(wú)支護(hù)總位移矢量圖

3.2 支護(hù)工況下

考慮巷道支護(hù)后巷道穩(wěn)定性，模擬其應(yīng)力分布情況及位移情況。

3.2.1 應(yīng)力場(chǎng)分布特征

圖3為巷道開(kāi)挖無(wú)支護(hù)工況下最大主應(yīng)力圖，從圖3中可知，無(wú)支護(hù)工況下巷道周邊圍巖的最大主應(yīng)力為-2.83MPa；從圖5 巷道開(kāi)挖后無(wú)支護(hù)工況下圍巖的最小主應(yīng)力圖可知巷道圍巖由無(wú)支護(hù)工況下的拉應(yīng)力0.13MPa減少到錨噴網(wǎng)支護(hù)工況后最大拉應(yīng)力為0-0.1MPa（見(jiàn)圖7），支護(hù)后應(yīng)力集中程度下降，分布比無(wú)支護(hù)狀態(tài)均勻，巷道邊緣無(wú)拉應(yīng)力集中，因在巷道邊緣形成壓應(yīng)力錨固圈，從力學(xué)機(jī)制上改善了巖體的受力狀態(tài)，提高了圍巖的承載能力，對(duì)保持巷道穩(wěn)定性十分有利。圖6為巷道開(kāi)挖后鋼筋混凝土支護(hù)工況下最大主應(yīng)力圖，從圖6中可知，鋼筋混凝土支護(hù)后巷道圍巖的最大主應(yīng)力為-2.32MPa， 由圖6還可看出巷道邊緣應(yīng)力分布較為均勻，無(wú)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，而鋼筋混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度為20MPa，完全能承受巷道周?chē)膲簯?yīng)力，可見(jiàn)采用鋼筋混凝土支護(hù)可更有效的防止巷道內(nèi)松散巖體的冒落。

圖6 支護(hù)后最大主應(yīng)力圖

圖7 支護(hù)后最小主應(yīng)力圖

3.2.2 位移場(chǎng)分布特征

圖8為巷道開(kāi)挖后即采用錨噴網(wǎng)支護(hù)后的圍巖位移矢量圖，與圖5無(wú)支護(hù)時(shí)相比較看出，鋼筋混凝土支護(hù)下的巷道圍巖的位移減少，由11.8mm減少到1mm，為未支護(hù)前的8.47%。并對(duì)底板受拉應(yīng)力集中影響的巖體進(jìn)行加固，有效地防止了底鼓現(xiàn)象出現(xiàn)。從圖8中拱頂、拱底位移量也可以發(fā)現(xiàn)巷道開(kāi)挖進(jìn)行了支護(hù)后，巷道拱頂、拱底的位移趨于一個(gè)穩(wěn)定值，變形不再增長(zhǎng)，表明巷道開(kāi)挖，對(duì)其進(jìn)行了有效支護(hù)，拱頂、拱底位移趨于一個(gè)恒定值，巷道穩(wěn)定了。

圖8 支護(hù)后總位移矢量圖

4 結(jié)束語(yǔ)

采用FLAC3D軟件對(duì)東山河改道方案排洪隧道穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分別分析了巷道開(kāi)挖后不支護(hù)與采用鋼筋混凝土支護(hù)兩種工況的應(yīng)力水平和位移場(chǎng)變化情況。得出以下結(jié)論：

（1）粘土巖抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度過(guò)小，整體性較差，在不支護(hù)的情況下隧道無(wú)法保持穩(wěn)定，拉應(yīng)力主要集中在隧道底板中央，最大位移位置與拉應(yīng)力集中區(qū)域相同。

（2）采用鋼筋混凝土支護(hù)后，隧道邊緣應(yīng)力分布較為均勻，無(wú)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，隧道拱頂、拱底位移大幅減小，隧道穩(wěn)定性大為提高。

參考文獻(xiàn)

[1]朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利電力出版社，1998.

[2]趙偉封.有限-邊界元法在樁基工程計(jì)算中的應(yīng)用[J].東北公路，2000，23（4）：80-83.

摘 要：以北衙萬(wàn)硐山礦段東山河排洪隧道開(kāi)挖設(shè)計(jì)及支護(hù)方案為工程背景，采用數(shù)值模擬計(jì)算的方法，著重分析排洪隧道開(kāi)挖前后及支護(hù)后隧道穩(wěn)定性。ansys進(jìn)行建模，導(dǎo)入FLAC3D對(duì)隧道支護(hù)前后兩種工況進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明：不支護(hù)情況下巷道圍巖位移較大、拉應(yīng)力大于圍巖內(nèi)聚力；支護(hù)后有效抑制了巷道圍巖位移，減小了拉應(yīng)力，提高了巷道整體穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：隧道；穩(wěn)定性；支護(hù)；數(shù)值分析

前言

FLAC3D程序是FLAC二維計(jì)算程序在三維空間的擴(kuò)展，用于模擬三維土體、巖體或其它材料體力學(xué)特性，廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、支護(hù)設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)、隧道工程、礦山工程等[1-2]多個(gè)領(lǐng)域。所以使用FLAC3D程序?qū)|山河排洪隧道進(jìn)行開(kāi)挖前后進(jìn)行受力分析，根據(jù)分析結(jié)果確定是否支護(hù)以及支護(hù)方案是否可行，其結(jié)果是相對(duì)可靠的。

1 工程概況

東山河是萬(wàn)硐山礦段內(nèi)一條自西南向東北方向徑流的季節(jié)性河流，河谷寬2～4m，深0.5～1m左右，雨季匯集地表水，旱季干涸斷流。因萬(wàn)硐山礦段開(kāi)采境界的擴(kuò)大，曾對(duì)東山河進(jìn)行過(guò)兩次改道，以鋼筋混凝土進(jìn)行支護(hù)。因萬(wàn)硐山礦段露采終了境界的需要，須對(duì)東山河進(jìn)行第三次改道，本次改道采用明渠、排洪隧道、暗涵聯(lián)合排水的方式，排洪隧道總長(zhǎng)569m，坡度2%。因東山河關(guān)系到北衙村灌溉用水，其服務(wù)年限較長(zhǎng)，必須對(duì)排洪隧道穩(wěn)定性進(jìn)行分析，確保排洪隧道支護(hù)的穩(wěn)定。

根據(jù)《云南省鶴慶縣北衙鐵金礦資源儲(chǔ)量核實(shí)地質(zhì)報(bào)告》礦區(qū)工程地質(zhì)分區(qū)表，排洪隧道位于松散沉積物區(qū)，主要為粘土、粉質(zhì)粘土，含少量礫砂以及殘坡堆積物組成，屬松散巖類(lèi)巖組，結(jié)構(gòu)疏松，穩(wěn)定性差。根據(jù)地形地質(zhì)圖，隧道圍巖以粘土巖為主，局部有灰色灰質(zhì)角礫巖。查《礦區(qū)巖石物理力學(xué)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表》得粘土巖與灰質(zhì)角礫巖物理性質(zhì)與力學(xué)性質(zhì)如下（見(jiàn)表1、表2）。

從物理性質(zhì)指標(biāo)及力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)上分析，灰質(zhì)角礫巖從強(qiáng)度到穩(wěn)定性上遠(yuǎn)高于粘土巖，加之研究區(qū)域主要為粘土巖，灰質(zhì)角礫巖具體空間分布尚不明確，所以此次建模山體采用庫(kù)爾庫(kù)倫模型，山體結(jié)構(gòu)為粘土巖，物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)取平均值。建模軟件為ANSYS。

2 支護(hù)方案

鑒于排洪隧道圍巖以粘土為主，圍巖整體性很差，無(wú)法以錨桿等支護(hù)手段進(jìn)行支護(hù)，設(shè)計(jì)采用鋼筋混凝土支護(hù)，鋼筋混凝土強(qiáng)度C20，支護(hù)厚度400mm，采用φ18mm鋼筋支護(hù)，縱橫筋配筋網(wǎng)度@400×200mm，鋼筋保護(hù)層厚度35mm。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析

因粘土巖結(jié)塊性較強(qiáng)，不存在斷層，其應(yīng)力分布主要受巖體自重影響，同標(biāo)高層位受力較為均勻。

3.1 無(wú)支護(hù)情況

考慮巷道開(kāi)挖后不支護(hù)時(shí)巷道穩(wěn)定性，模擬其應(yīng)力分布情況及位移情況。

3.1.1 應(yīng)力場(chǎng)分布特征

隧道開(kāi)挖后，在不支護(hù)的情況下，根據(jù)FLAC3D程序分析，該模型最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力分布圖如圖3、圖4。

圖3 無(wú)支護(hù)最大主應(yīng)力圖

圖4 無(wú)支護(hù)最小主應(yīng)力圖

由圖3可以看出，壓應(yīng)力由巷道外側(cè)逐漸向臨空面增大，最大壓應(yīng)力集中在隧道左右兩側(cè)臨空面為2.83MPa。由圖4可以看出，在巷道頂板和底板出現(xiàn)拉應(yīng)力，頂板最大拉應(yīng)力為0.1MPa，底板最大拉應(yīng)力為0.13MPa。根據(jù)表2，粘土巖最大抗壓強(qiáng)度為1.9MPa，抗拉強(qiáng)度為0.1MPa，可以斷定，巷道墻腳出現(xiàn)受壓破壞（片幫），巷道頂?shù)装宄霈F(xiàn)受拉破壞（頂板沉降、底板底鼓）。

3.1.2 位移場(chǎng)分布特征

巷道開(kāi)挖后位移矢量圖如圖5，其最大位移矢量位于巷道底板中央，其最大位移為11.8mm，這說(shuō)明巷道的位移主要與地應(yīng)力分布有關(guān)。由于粘土巖整體性差，不能支撐巷道頂?shù)装鍑鷰r，致使巷道頂部粘土巖下沉、底部粘土巖底鼓，嚴(yán)重影響了巷道穩(wěn)定性，應(yīng)對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，抑制其變形，提高穩(wěn)定性。

圖5 無(wú)支護(hù)總位移矢量圖

3.2 支護(hù)工況下

考慮巷道支護(hù)后巷道穩(wěn)定性，模擬其應(yīng)力分布情況及位移情況。

3.2.1 應(yīng)力場(chǎng)分布特征

圖3為巷道開(kāi)挖無(wú)支護(hù)工況下最大主應(yīng)力圖，從圖3中可知，無(wú)支護(hù)工況下巷道周邊圍巖的最大主應(yīng)力為-2.83MPa；從圖5 巷道開(kāi)挖后無(wú)支護(hù)工況下圍巖的最小主應(yīng)力圖可知巷道圍巖由無(wú)支護(hù)工況下的拉應(yīng)力0.13MPa減少到錨噴網(wǎng)支護(hù)工況后最大拉應(yīng)力為0-0.1MPa（見(jiàn)圖7），支護(hù)后應(yīng)力集中程度下降，分布比無(wú)支護(hù)狀態(tài)均勻，巷道邊緣無(wú)拉應(yīng)力集中，因在巷道邊緣形成壓應(yīng)力錨固圈，從力學(xué)機(jī)制上改善了巖體的受力狀態(tài)，提高了圍巖的承載能力，對(duì)保持巷道穩(wěn)定性十分有利。圖6為巷道開(kāi)挖后鋼筋混凝土支護(hù)工況下最大主應(yīng)力圖，從圖6中可知，鋼筋混凝土支護(hù)后巷道圍巖的最大主應(yīng)力為-2.32MPa， 由圖6還可看出巷道邊緣應(yīng)力分布較為均勻，無(wú)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，而鋼筋混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度為20MPa，完全能承受巷道周?chē)膲簯?yīng)力，可見(jiàn)采用鋼筋混凝土支護(hù)可更有效的防止巷道內(nèi)松散巖體的冒落。

圖6 支護(hù)后最大主應(yīng)力圖

圖7 支護(hù)后最小主應(yīng)力圖

3.2.2 位移場(chǎng)分布特征

圖8為巷道開(kāi)挖后即采用錨噴網(wǎng)支護(hù)后的圍巖位移矢量圖，與圖5無(wú)支護(hù)時(shí)相比較看出，鋼筋混凝土支護(hù)下的巷道圍巖的位移減少，由11.8mm減少到1mm，為未支護(hù)前的8.47%。并對(duì)底板受拉應(yīng)力集中影響的巖體進(jìn)行加固，有效地防止了底鼓現(xiàn)象出現(xiàn)。從圖8中拱頂、拱底位移量也可以發(fā)現(xiàn)巷道開(kāi)挖進(jìn)行了支護(hù)后，巷道拱頂、拱底的位移趨于一個(gè)穩(wěn)定值，變形不再增長(zhǎng)，表明巷道開(kāi)挖，對(duì)其進(jìn)行了有效支護(hù)，拱頂、拱底位移趨于一個(gè)恒定值，巷道穩(wěn)定了。

圖8 支護(hù)后總位移矢量圖

4 結(jié)束語(yǔ)

采用FLAC3D軟件對(duì)東山河改道方案排洪隧道穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分別分析了巷道開(kāi)挖后不支護(hù)與采用鋼筋混凝土支護(hù)兩種工況的應(yīng)力水平和位移場(chǎng)變化情況。得出以下結(jié)論：

（1）粘土巖抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度過(guò)小，整體性較差，在不支護(hù)的情況下隧道無(wú)法保持穩(wěn)定，拉應(yīng)力主要集中在隧道底板中央，最大位移位置與拉應(yīng)力集中區(qū)域相同。

（2）采用鋼筋混凝土支護(hù)后，隧道邊緣應(yīng)力分布較為均勻，無(wú)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，隧道拱頂、拱底位移大幅減小，隧道穩(wěn)定性大為提高。

參考文獻(xiàn)

[1]朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利電力出版社，1998.

[2]趙偉封.有限-邊界元法在樁基工程計(jì)算中的應(yīng)用[J].東北公路，2000，23（4）：80-83.

摘 要：以北衙萬(wàn)硐山礦段東山河排洪隧道開(kāi)挖設(shè)計(jì)及支護(hù)方案為工程背景，采用數(shù)值模擬計(jì)算的方法，著重分析排洪隧道開(kāi)挖前后及支護(hù)后隧道穩(wěn)定性。ansys進(jìn)行建模，導(dǎo)入FLAC3D對(duì)隧道支護(hù)前后兩種工況進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明：不支護(hù)情況下巷道圍巖位移較大、拉應(yīng)力大于圍巖內(nèi)聚力；支護(hù)后有效抑制了巷道圍巖位移，減小了拉應(yīng)力，提高了巷道整體穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：隧道；穩(wěn)定性；支護(hù)；數(shù)值分析

前言

FLAC3D程序是FLAC二維計(jì)算程序在三維空間的擴(kuò)展，用于模擬三維土體、巖體或其它材料體力學(xué)特性，廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、支護(hù)設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)、隧道工程、礦山工程等[1-2]多個(gè)領(lǐng)域。所以使用FLAC3D程序?qū)|山河排洪隧道進(jìn)行開(kāi)挖前后進(jìn)行受力分析，根據(jù)分析結(jié)果確定是否支護(hù)以及支護(hù)方案是否可行，其結(jié)果是相對(duì)可靠的。

1 工程概況

東山河是萬(wàn)硐山礦段內(nèi)一條自西南向東北方向徑流的季節(jié)性河流，河谷寬2～4m，深0.5～1m左右，雨季匯集地表水，旱季干涸斷流。因萬(wàn)硐山礦段開(kāi)采境界的擴(kuò)大，曾對(duì)東山河進(jìn)行過(guò)兩次改道，以鋼筋混凝土進(jìn)行支護(hù)。因萬(wàn)硐山礦段露采終了境界的需要，須對(duì)東山河進(jìn)行第三次改道，本次改道采用明渠、排洪隧道、暗涵聯(lián)合排水的方式，排洪隧道總長(zhǎng)569m，坡度2%。因東山河關(guān)系到北衙村灌溉用水，其服務(wù)年限較長(zhǎng)，必須對(duì)排洪隧道穩(wěn)定性進(jìn)行分析，確保排洪隧道支護(hù)的穩(wěn)定。

根據(jù)《云南省鶴慶縣北衙鐵金礦資源儲(chǔ)量核實(shí)地質(zhì)報(bào)告》礦區(qū)工程地質(zhì)分區(qū)表，排洪隧道位于松散沉積物區(qū)，主要為粘土、粉質(zhì)粘土，含少量礫砂以及殘坡堆積物組成，屬松散巖類(lèi)巖組，結(jié)構(gòu)疏松，穩(wěn)定性差。根據(jù)地形地質(zhì)圖，隧道圍巖以粘土巖為主，局部有灰色灰質(zhì)角礫巖。查《礦區(qū)巖石物理力學(xué)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表》得粘土巖與灰質(zhì)角礫巖物理性質(zhì)與力學(xué)性質(zhì)如下（見(jiàn)表1、表2）。

從物理性質(zhì)指標(biāo)及力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)上分析，灰質(zhì)角礫巖從強(qiáng)度到穩(wěn)定性上遠(yuǎn)高于粘土巖，加之研究區(qū)域主要為粘土巖，灰質(zhì)角礫巖具體空間分布尚不明確，所以此次建模山體采用庫(kù)爾庫(kù)倫模型，山體結(jié)構(gòu)為粘土巖，物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)取平均值。建模軟件為ANSYS。

2 支護(hù)方案

鑒于排洪隧道圍巖以粘土為主，圍巖整體性很差，無(wú)法以錨桿等支護(hù)手段進(jìn)行支護(hù)，設(shè)計(jì)采用鋼筋混凝土支護(hù)，鋼筋混凝土強(qiáng)度C20，支護(hù)厚度400mm，采用φ18mm鋼筋支護(hù)，縱橫筋配筋網(wǎng)度@400×200mm，鋼筋保護(hù)層厚度35mm。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析

因粘土巖結(jié)塊性較強(qiáng)，不存在斷層，其應(yīng)力分布主要受巖體自重影響，同標(biāo)高層位受力較為均勻。

3.1 無(wú)支護(hù)情況

考慮巷道開(kāi)挖后不支護(hù)時(shí)巷道穩(wěn)定性，模擬其應(yīng)力分布情況及位移情況。

3.1.1 應(yīng)力場(chǎng)分布特征

隧道開(kāi)挖后，在不支護(hù)的情況下，根據(jù)FLAC3D程序分析，該模型最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力分布圖如圖3、圖4。

圖3 無(wú)支護(hù)最大主應(yīng)力圖

圖4 無(wú)支護(hù)最小主應(yīng)力圖

由圖3可以看出，壓應(yīng)力由巷道外側(cè)逐漸向臨空面增大，最大壓應(yīng)力集中在隧道左右兩側(cè)臨空面為2.83MPa。由圖4可以看出，在巷道頂板和底板出現(xiàn)拉應(yīng)力，頂板最大拉應(yīng)力為0.1MPa，底板最大拉應(yīng)力為0.13MPa。根據(jù)表2，粘土巖最大抗壓強(qiáng)度為1.9MPa，抗拉強(qiáng)度為0.1MPa，可以斷定，巷道墻腳出現(xiàn)受壓破壞（片幫），巷道頂?shù)装宄霈F(xiàn)受拉破壞（頂板沉降、底板底鼓）。

3.1.2 位移場(chǎng)分布特征

巷道開(kāi)挖后位移矢量圖如圖5，其最大位移矢量位于巷道底板中央，其最大位移為11.8mm，這說(shuō)明巷道的位移主要與地應(yīng)力分布有關(guān)。由于粘土巖整體性差，不能支撐巷道頂?shù)装鍑鷰r，致使巷道頂部粘土巖下沉、底部粘土巖底鼓，嚴(yán)重影響了巷道穩(wěn)定性，應(yīng)對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，抑制其變形，提高穩(wěn)定性。

圖5 無(wú)支護(hù)總位移矢量圖

3.2 支護(hù)工況下

考慮巷道支護(hù)后巷道穩(wěn)定性，模擬其應(yīng)力分布情況及位移情況。

3.2.1 應(yīng)力場(chǎng)分布特征

圖3為巷道開(kāi)挖無(wú)支護(hù)工況下最大主應(yīng)力圖，從圖3中可知，無(wú)支護(hù)工況下巷道周邊圍巖的最大主應(yīng)力為-2.83MPa；從圖5 巷道開(kāi)挖后無(wú)支護(hù)工況下圍巖的最小主應(yīng)力圖可知巷道圍巖由無(wú)支護(hù)工況下的拉應(yīng)力0.13MPa減少到錨噴網(wǎng)支護(hù)工況后最大拉應(yīng)力為0-0.1MPa（見(jiàn)圖7），支護(hù)后應(yīng)力集中程度下降，分布比無(wú)支護(hù)狀態(tài)均勻，巷道邊緣無(wú)拉應(yīng)力集中，因在巷道邊緣形成壓應(yīng)力錨固圈，從力學(xué)機(jī)制上改善了巖體的受力狀態(tài)，提高了圍巖的承載能力，對(duì)保持巷道穩(wěn)定性十分有利。圖6為巷道開(kāi)挖后鋼筋混凝土支護(hù)工況下最大主應(yīng)力圖，從圖6中可知，鋼筋混凝土支護(hù)后巷道圍巖的最大主應(yīng)力為-2.32MPa， 由圖6還可看出巷道邊緣應(yīng)力分布較為均勻，無(wú)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，而鋼筋混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度為20MPa，完全能承受巷道周?chē)膲簯?yīng)力，可見(jiàn)采用鋼筋混凝土支護(hù)可更有效的防止巷道內(nèi)松散巖體的冒落。

圖6 支護(hù)后最大主應(yīng)力圖

圖7 支護(hù)后最小主應(yīng)力圖

3.2.2 位移場(chǎng)分布特征

圖8為巷道開(kāi)挖后即采用錨噴網(wǎng)支護(hù)后的圍巖位移矢量圖，與圖5無(wú)支護(hù)時(shí)相比較看出，鋼筋混凝土支護(hù)下的巷道圍巖的位移減少，由11.8mm減少到1mm，為未支護(hù)前的8.47%。并對(duì)底板受拉應(yīng)力集中影響的巖體進(jìn)行加固，有效地防止了底鼓現(xiàn)象出現(xiàn)。從圖8中拱頂、拱底位移量也可以發(fā)現(xiàn)巷道開(kāi)挖進(jìn)行了支護(hù)后，巷道拱頂、拱底的位移趨于一個(gè)穩(wěn)定值，變形不再增長(zhǎng)，表明巷道開(kāi)挖，對(duì)其進(jìn)行了有效支護(hù)，拱頂、拱底位移趨于一個(gè)恒定值，巷道穩(wěn)定了。

圖8 支護(hù)后總位移矢量圖

4 結(jié)束語(yǔ)

采用FLAC3D軟件對(duì)東山河改道方案排洪隧道穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分別分析了巷道開(kāi)挖后不支護(hù)與采用鋼筋混凝土支護(hù)兩種工況的應(yīng)力水平和位移場(chǎng)變化情況。得出以下結(jié)論：

（1）粘土巖抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度過(guò)小，整體性較差，在不支護(hù)的情況下隧道無(wú)法保持穩(wěn)定，拉應(yīng)力主要集中在隧道底板中央，最大位移位置與拉應(yīng)力集中區(qū)域相同。

（2）采用鋼筋混凝土支護(hù)后，隧道邊緣應(yīng)力分布較為均勻，無(wú)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，隧道拱頂、拱底位移大幅減小，隧道穩(wěn)定性大為提高。

參考文獻(xiàn)

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