劉亮亮

(華北水利水電大學 河南 鄭州 450045)

基于FLAC3D的火山灰地質(zhì)隧洞開挖支護數(shù)值模擬

劉亮亮

(華北水利水電大學 河南 鄭州 450045)

該文從一工程實例出發(fā)，利用在隧洞數(shù)值模擬領域具有領先優(yōu)勢和良好口碑的FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬，對不同工況下的隧洞開挖進行模擬計算，研究了火山灰地質(zhì)隧洞在開挖過程中的應力應變變化情況以及隧洞支護的效果，分析結(jié)果為隧洞施工控制提供了理論支持；同時通過控制變量法，得出剪切強度參數(shù)控制著數(shù)值模擬計算能否收斂，也控制著塑性區(qū)的擴展深度，在計算可以收斂的前提下，洞室位移主要由彈性模量控制。

隧洞；火山灰；開挖支護；FLAC3D；數(shù)值模擬；控制變量法

工程中，我們要了解輸水隧洞支護的效果和改進支護的措施，就需要對開挖支護過程和完成支護后的穩(wěn)定性進行研究。開挖過程中引起的圍巖荷載的變化更要重視。FLAC3D模擬的系統(tǒng)是靜態(tài)的，但它使用動態(tài)方程，不存在模擬物理上不穩(wěn)定性的數(shù)值障礙，給我們的研究帶來了很大的便利[1]。該文用FLAC3D建立二維平面應變模型，對隧洞開挖和支護的各個工況進行模擬計算分析。

一、基本概況

某輸水隧洞地層為第四系火山崩塌堆積碎片、火山灰為主間夾河流沖洪積層，組成為火山灰、火山碎屑、礫砂層、崩積火山巖塊，火山碎屑堆積層厚超過130 m，含礫砂層屬于疏松、稍密狀。根據(jù)地質(zhì)條件，采用鉆爆法開挖，支護采用錨桿和鋼筋網(wǎng)噴混凝土。研究段輸水隧洞總長525 m，隧洞東、西走向，縱坡為0.513%，埋深300～700 m，隧洞為無壓洞設計，成洞洞徑9.61 m，開挖洞徑9.81～10.21 m。

二、基本模型

按平面應變問題解決，取計算坐標系為oxy，x軸為水平方向，指向右側(cè)為正；y軸為垂直方向，指向上方為正。計算范圍為-240 m≤x≤240 m，-40 m≤y≤240 m。共劃分6318個網(wǎng)格，在洞室附近劃分了1m×1m的精細網(wǎng)格，其他區(qū)域的網(wǎng)格為4m×4m。模型兩側(cè)水平移動即x方向方位移限制為零，模型的底部垂直和水平移動即x和y方向位移都限制為零。

三、開挖支護方式及計算工況

(一)開挖支護方式

隧洞開挖分兩步，先開挖上部區(qū)域，再開挖下部區(qū)域。根據(jù)需要，本文從開挖左上區(qū)域和全部區(qū)域并分別進行一次支護進行模擬研究。隧洞斷面支護斷面圖見圖1。

圖1 支護橫斷面圖

(二)計算工況

為了研究隧洞開挖支護的過程及計算參數(shù)對洞室位移的影響，對左上區(qū)域開挖和全部開挖從以下幾個工況著手分析：①原參數(shù)開挖無支護②原參數(shù)開挖有支護③增強剪切強度參數(shù)開挖有支護④增強變形和剪切強度參數(shù)開挖有支護。對所有工況進行模擬開挖并分析其位移場和塑性區(qū)。

四、模擬計算及分析結(jié)果

(一)初始地應力場

由計算分析得出開挖區(qū)域的垂直地應力在4～5 MPa之間，水平地應力在2～2.5 MPa之間。地表沉降達到了20 m。水平方向位移幾乎為0。通過分析塑性區(qū)，初始狀態(tài)下沒有發(fā)生屈服。

(二)原參數(shù)開挖

表1 計算采用的巖體力學參數(shù)

1.無支護工況

無支護時，開挖左上區(qū)域后的垂直方向最大位移分別為15 m(頂拱下降)和5 m(底板隆起)，見圖2。洞室上部塑性區(qū)深度達到了10 m，洞室下部塑性區(qū)深度5 m，見圖3。繼續(xù)開挖計算不能收斂，塑性區(qū)范圍無限擴展，說明該工況下的洞室不能成形，隨開挖隨塌。

圖2 無支護時垂直方向位移場

圖3 無支護時塑性區(qū)

2.有支護工況

有支護時，開挖左上區(qū)域后的垂直方向最大位移分別為2 m(頂拱下降)和5 m(底板隆起)，見圖4。洞室上部塑性區(qū)深度達到了5 m，洞室下部塑性區(qū)深度5 m，見圖5。繼續(xù)開挖計算不能收斂，塑性區(qū)范圍無限擴展，這說明該工況下的洞室不能成形，隨開挖隨塌。

圖4 有支護時垂直方向位移場

圖5 有支護時塑性區(qū)

綜合比較發(fā)現(xiàn)，有支護時，位移量值和塑性區(qū)深度都減小很多。表明了支護作用比較明顯。

(三)增強剪切強度參數(shù)開挖

表2 計算采用的巖體力學參數(shù)

有支護時，開挖左上區(qū)域后的垂直方向最大位移分別為0.8 m(頂拱下降)和2 m(底板隆起)，見圖6。塑性區(qū)范圍大幅度減小，頂部只有零星塑性區(qū)(不超過1 m深)，其他區(qū)域塑性區(qū)深度不超過5 m，見圖7。

圖6 有支護時垂直方向位移場

圖7 有支護時塑性區(qū)

繼續(xù)開挖計算可以收斂，但是位移比較大，垂直方向最大位移分別為3.6 m(頂拱下降)和2.8 m(底板隆起)，見圖8。開挖完畢后，塑性區(qū)深度一般為5 m，見圖9。

圖8 開挖完畢后垂直方向位移

圖9 開挖完畢后塑性區(qū)

與原參數(shù)相比，增強剪切強度參數(shù)后，計算可以收斂，并且位移大幅度減小。

(四)增強變形和剪切強度參數(shù)開挖

表3 計算采用的巖體力學參數(shù)

開挖左上區(qū)域有支護時，開挖左上區(qū)域后的垂直方向最大位移分別為8 cm(頂拱下降)和16 cm(底板隆起)。塑性區(qū)范圍與只增強剪切強度參數(shù)時的結(jié)果一致，頂部只有零星塑性區(qū)(不超過1 m深)，其他區(qū)域塑性區(qū)深度不超過5 m。這也說明增強彈性模量的作用，大幅度減小了位移，但是不影響塑性區(qū)的范圍。

開挖完畢后繼續(xù)開挖計算可以收斂，但是位移比較大，垂直方向最大位移分別為32cm(頂拱下降)和24cm(底板隆起)。塑性區(qū)范圍與只增強剪切強度參數(shù)時的結(jié)果一致，開挖完畢后，塑性區(qū)深度一般為5m。這也說明增強彈性模量的作用，大幅度減小了位移，但是不影響塑性區(qū)的范圍。

(五)綜合比較

表4 開挖左上區(qū)域后位移對比表

表5 全部開挖后位移對比表

五、結(jié)論

a)在原參數(shù)的情況下，無論是否有支護，繼續(xù)開挖都不能收斂，塑性區(qū)無限擴展。這說明了開挖過程中洞室很難成形，隨開隨塌。

b)在增強剪切強度參數(shù)以后，計算可以收斂，但是位移依然偏大。這說明剪切強度參數(shù)控制著計算能否收斂，也控制著塑性區(qū)的擴展深度。

c)在同時增強變形參數(shù)和剪切強度參數(shù)后，計算不僅可以收斂，而且位移大幅度減小，但是塑性區(qū)深度沒有改變。這說明在計算可以收斂的前提下，洞室位移主要由彈性模量控制。

d)由于地應力在4～5 MPa之間，地應力量值并不大，所以支護的作用效果會比較明顯。

e)綜合以上分析，認為有必要對開挖影響區(qū)域的巖體進行注漿改性。

[1]張宇娜．某水電站引水隧洞開挖支護數(shù)值模擬研究[J]．南水北調(diào)與水利科技，2011，(02)：101-104+109．

[2]劉英，于立宏．Mohr-Coulomb屈服準則在巖土工程中的應用[J]．世界地質(zhì)，2010，(04)：633-639．

[3]邵建國．FLAC3D在隧道施工中的數(shù)值模擬分析[J]．甘肅科技，2014，(23)：130-133．

[4]尤帆帆，邱曉莉．基于FLAC3D的隧道分臺階開挖數(shù)值模擬與分析[J]．山西建筑，2014，(28)：189-190．

[5]金長文，韓鵬．CCS水電站火山灰地層大斷面隧洞開挖施工技術[J]．云南水力發(fā)電，2014，(05)：66+124．

[6]段錫健．隧洞掘進與支護過程的數(shù)值模擬[A]．中國礦業(yè)科技文匯，2013：4

劉亮亮，男，碩士生，研究方向：水工結(jié)構(gòu)模型試驗與數(shù)值分析。