摘要：本文通過運(yùn)用FLAC3D 數(shù)值方法對隧道圍巖進(jìn)行了開挖與支護(hù)模擬，計(jì)算中采用摩
爾－庫侖彈塑性計(jì)算模型，隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間采用接觸單元。通過計(jì)算得出不同的支
護(hù)方式作用下開挖段的地表沉降、基底隆起和圍巖的位移，為工程設(shè)計(jì)與施工提供參考。
關(guān)鍵詞：FLAC3D ；圍巖；隧道開挖與支護(hù)；穩(wěn)定性分析
1. FLAC簡介
FLAC[1]是快速拉格朗日差分分析（Fast Lagrangian Analysis of Continuum）的簡寫。FLAC是力學(xué)計(jì)算的數(shù)值方法之一，它研究每個流體質(zhì)點(diǎn)隨時(shí)間變化的情況，即著眼于某一個流體質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻的運(yùn)動軌跡、速度及壓力等。快速拉格朗日差分分析將計(jì)算域劃分為若干單元，單元網(wǎng)格可以隨著材料的變形而變形，即所謂的拉格朗日算法，這種算法可以準(zhǔn)確地模擬材料的屈服、塑性流動、軟化直至大變形，尤其在材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過程等領(lǐng)域有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。
2. 模型的建立
2.1 模型的概化
地質(zhì)模型是計(jì)算的基礎(chǔ)，對工程地質(zhì)條件的深入認(rèn)識是建立合理的地質(zhì)概化模型的重要前提[2]。本次分析取該隧道DzK186+690－DzK186+730 段為研究對象，圍巖巖層為石英云母巖，其中DzK186+705－DzK186+720 段圍巖間夾炭質(zhì)片巖，巖體結(jié)構(gòu)破碎，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，層厚較小，為Ⅴ級圍巖模型近似處理為均一巖體。根據(jù)實(shí)際問題的邊界，指定沿隧道軸線里程增大方向?yàn)閅 軸正向，豎直向上為Z 軸正向，隧道掘進(jìn)橫斷面向左方向?yàn)閄 軸正向，計(jì)算范圍選為：在x 軸方向取50 m，豎直Z 軸方向取100m，隧道軸線Y 軸方向取40 m 所選的邊界已經(jīng)超出洞室開挖的影響范圍（大于3倍洞徑）。模型長寬高尺寸為40m ×60m ×100m。由于隧道橫截面是中心對稱的，為了便于建模、計(jì)算，取半對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬。采用FLAC3D 軟件進(jìn)行數(shù)值分析，模型網(wǎng)格劃
分為38000 個單元，41082 個節(jié)點(diǎn)，如圖2 所示。
2.2 邊界條件
由于模型所在區(qū)域?yàn)榈貞?yīng)力地段，地應(yīng)力僅以巖層自重作為考慮；計(jì)算模型的位移邊界和應(yīng)力邊界為左面邊界（X=0m）、前方邊界（Y=40m）為位移約束邊界，約束水平方向的位移；模型的底面（Z＝－50m）也為位移約束邊界，僅約束垂直方向的位移；其余為荷載邊界。
2.3 巖體力學(xué)參數(shù)
根據(jù)地質(zhì)資料，地層主要以云母片巖為主，在FLAC3D 計(jì)算中，巖體采用的是摩爾－庫侖（Mohr-Coulomb）彈塑性材料模型，需要輸入的巖石的力學(xué)參數(shù)是體積模量（K）、剪切模量（G）；因此根據(jù)FLAC3D 提供的彈性力學(xué)公式換算求得[3]：
2.4 支護(hù)材料參數(shù)的確定
根據(jù)該隧道施工設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑乃淼乐ёo(hù)方式：初期支護(hù)為噴錨支護(hù)，二次襯砌為模筑混凝土襯砌。在數(shù)值計(jì)算中，采用襯砌單元（shell）模擬噴射混凝土，襯砌厚為22cm。用錨索單元（cable）模擬錨桿的支護(hù)，錨桿長3.0m，錨桿的布置為梅花型布置，間距為1.0m。對于鋼拱架的模擬考慮在提高噴射混凝土的強(qiáng)度上。錨桿及襯砌的力學(xué)參數(shù)見下表2。
3. 計(jì)算結(jié)果分析
在隧道開挖過程中，采用與實(shí)際施工情況一致的工序，即掘進(jìn)分為上下臺階開挖，挖掘上臺階時(shí)在內(nèi)壁設(shè)置噴層，挖掘下臺階前在挖掘完的上臺階的設(shè)置錨桿，同時(shí)在上臺階再向前挖掘一段并在內(nèi)壁設(shè)置噴層。每掘進(jìn)一次，整個過程就循環(huán)一次，直至開挖和噴錨結(jié)束，每次掘進(jìn)2m 左右。計(jì)算采用摩爾－庫侖(Mohr-Coulomb)彈塑性材料模型。根據(jù)不同圍巖對應(yīng)的不同開挖方式，以及對應(yīng)的支護(hù)參數(shù)不同進(jìn)行數(shù)值模擬。
3.1 錨桿間距1米時(shí)的計(jì)算結(jié)果
采用Φ 22mm 砂漿錨桿，布置為系統(tǒng)錨桿；錨桿長度為3.5m； 由圖3 可看出，采用間距1m 布置錨桿加固時(shí)，在錨桿軸力最大為1.5×104N 其中接近掌子面處出現(xiàn)較大的壓應(yīng)力，應(yīng)力松弛帶范圍較無支護(hù)狀態(tài)時(shí)小。由圖3 可看出，在錨桿的作用下，圍巖變形量有所減小，拱頂最大位移為2cm；拱頂、拱腰、邊墻的壁而位移最大約1.5cm 左右，圍巖內(nèi)部3m 范圍內(nèi)位移量在0.5cm～3cm 之間。此時(shí)圍巖的位移量和應(yīng)力松弛范圍能滿足圍巖穩(wěn)定要求，圍巖可以保持穩(wěn)定。不會將產(chǎn)生大變形、坍塌。
由以上分析可知，在對軟弱圍巖（尤其是物理力學(xué)性質(zhì)已經(jīng)惡化的圍巖）的支護(hù)中，錨桿改變了邊界巖體的受力狀態(tài)，使其由一維應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為三維受力狀態(tài)，在一定程度上提高了巖體的承載能力，能有效的改善圍巖的力學(xué)性質(zhì)，對軟弱圍巖的支護(hù)有較好的作用效果。
3.2 錨桿間距2米施加鋼拱架計(jì)算結(jié)果
錨桿、噴混凝土支護(hù)都是利用其柔性和韌性，整體剛度不高。對軟弱破碎圍巖，因圍巖穩(wěn)定性差，開挖后應(yīng)該采用具有較大剛度的支護(hù)結(jié)構(gòu)，以阻止圍巖的過度變形和承受部分松弛荷載，因此需要增加剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)；鋼拱架便是一種性能良好的剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)。
在Ⅴ級圍巖中，隧道在臺階法開挖時(shí)，支護(hù)參數(shù)為錨桿間距2 米，并安裝鋼拱架，分析隧道圍巖穩(wěn)定性。隧道采用的鋼拱架支護(hù)結(jié)構(gòu)有格柵鋼架、工字鋼。針對不同的襯砌類型而選用不同的襯砌結(jié)構(gòu)和支護(hù)參數(shù)。同時(shí)，為抑制拱底圍巖變形，應(yīng)施作鋼筋混凝土仰拱。施工中鋼拱架的布置形式如圖8 所示。
由圖9、圖10可看出，在拱頂掌子面前方范圍內(nèi)，出現(xiàn)大范圍的拉應(yīng)力集中區(qū)，圍巖將出現(xiàn)拉張破壞，拱頂位移向上達(dá)到3cm左右；拱腰和拱腳處出現(xiàn)壓應(yīng)力集中；掌子面前方約15m-25m處有較大變形，拱頂和拱底均有應(yīng)力集中現(xiàn)象；拱頂最大位移達(dá)4cm。在施作鋼拱架之后，圍巖位移得到有效的抑制；拱頂和圍巖內(nèi)部最大位移在4cm之內(nèi)；可見，在施作鋼拱架和仰拱之后，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度增大，圍巖的位移得到明顯的控制，但圍巖應(yīng)力分布很不均勻，拉應(yīng)力范圍和量級都較大。在實(shí)際施工過程中在掌子面前方破碎圍巖處應(yīng)加大支護(hù)參數(shù)；可以考慮通過加密錨桿措施來提高隧道圍巖穩(wěn)定性。
4. 總結(jié)
（1） 對軟弱破碎圍巖開挖后必須及時(shí)支護(hù)，如果支護(hù)不及時(shí)則使圍巖物理力學(xué)性質(zhì)惡化、松弛范圍擴(kuò)大，將造成圍巖大變形、塌方等嚴(yán)重后果。從隧道開挖初期支護(hù)后的整體安全情況來看，拱肩處為最不穩(wěn)定區(qū)域，其次為拱腳和拱頂[4]。
?。?） 對比采用1m×1m間距布置錨桿的支護(hù)效果，圍巖受力形式基本相同；但圍巖變形、松弛情況下加密錨桿支護(hù)可取到更好的支護(hù)效果。錨桿最大軸力的總體趨勢為拱頂?shù)焦凹绮课辉龃?，拱肩到拱腳為先減小后增大，在拱腳部位達(dá)到最大值。在有些部位相鄰錨桿受力變化較大，可以考慮采用長短結(jié)合的方式達(dá)到經(jīng)濟(jì)有效的目的。
?。?）對軟弱破碎圍巖的支護(hù)，比較了錨桿、噴射混凝土柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)與鋼拱架剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)對圍巖穩(wěn)定的效果；鋼拱架能夠有效的抑制圍巖變形，是一種性能良好的剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)。通過模擬計(jì)算，使用鋼拱架支護(hù)后圍巖力學(xué)條件得到明顯控制，變形量控制在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。說明鋼拱架對隧道的圍巖大變形具有良好的支護(hù)效果。因此，在選擇支護(hù)措施上要根據(jù)圍巖類別合理使用，盡量發(fā)揮不同支護(hù)措施的優(yōu)勢，在較低的成本下保證圍巖的穩(wěn)定性。
（4）為防止拱底圍巖底鼓，應(yīng)即時(shí)將支護(hù)結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)，并施作混凝土仰拱。根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析，鋼筋網(wǎng)噴層混凝土、鋼拱架、仰拱內(nèi)力都較小，有足夠的安全度。
數(shù)值計(jì)算表明：在洞室開挖后應(yīng)力場發(fā)生調(diào)整，圍巖向洞室內(nèi)收斂發(fā)生一定的變形，圍巖發(fā)生適度的變形以釋放部分應(yīng)力，不致支護(hù)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力水平大幅度提高。軟質(zhì)巖體，洞室開挖后即使在各種支護(hù)措施條件下圍巖都有不同程度的塑性變形出現(xiàn)。在拱頂和底板以張拉性破壞為主，拱腰和墻腳以剪切破壞為主。計(jì)算分析表明，錨桿對限制圍巖發(fā)生大變形效果顯著，噴層對限制圍巖張性破壞效果明顯。隨著支護(hù)措施的加強(qiáng)，塑性破壞區(qū)的范圍明顯減??；圍巖整體上保持穩(wěn)定。
參考文獻(xiàn)
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theory and implementation[P]. User Manual of FLAC3D 4.0, 2005
[2] 劉佑榮，唐明輝. 巖體力學(xué)[M]. 武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1999
[3] 劉波，韓彥輝編著 FLAC 原理實(shí)例與應(yīng)用指南[M] 北京：人民交通出版社 2005
[4] 王鉅 白石河2 號隧道圍巖分級與穩(wěn)定性分析[D], [碩士學(xué)位論文]. 南昌：華東交通大學(xué) 2008
作者：華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院 王鉅 鄭明新
南昌鐵路天河建設(shè)股份有限公司 胡洲
