安徽建筑大学 土木工程学院 安徽合肥 230022
摘要：本文通过运用FLAC3D数值方法对某隧道围岩进行开挖与支护模拟，计算中采用摩尔—库伦弹塑性计算模型，隧道围岩与支护结构之间采用接触单元。通过计算得出在锚喷支护条件下，隧道开挖段的拱顶下沉、边墙水平收敛大小以及塑性区的范围，为工程设计与施工提供参考。
关键词：FLAC3D；隧道围岩；隧道开挖与支护
1.FLAC简介
FLAC[1]（Fast Lagrangian Analysis of Continua）是由Itasca公司研发推出的连续介质力学分析软，适用于解决大变形的非线性岩土力学问题。作为有限差分软件，相对于其它有限元软件，在算法上，FLAC/FLAC3D有以下几个特征点：
1.1 采用“混合离散法”来模拟材料的塑性破坏和塑性流动。这种方法比有限元法中通常采用的“离散集成法”更为准确、合理。
1.2 即使模拟静态系统，也采用动态运动方程进行求解，这使得FLAC/FLAC3D模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍。
1.3采用显式差分法求解微分方程。对显式法来说，非线性本构关系与线性本构关系并无算法上的差别，根据已知应变增量，可很方便地求得应力增量、不平衡力并跟踪系统的演化过程。此外，由于显式法不形成刚度矩阵，每一时步计算所需内存很小，因而使用较少的内存就可以模拟大量的单元，特别适于在微机上操作。在大变形问题的求解过程中，由于每一时步变形很小，因此可采用小变形本构关系，将各时步的变形叠加，得到大变形。这就避免了推导并应用大变形本构关系时所遇到的麻烦，也使得它的求解过程与小变形问题一样。
2.FLAC3D的数值建模
2.1 工程概况
网格建模是数值分析软件计算的重要前提。本次分析为在某Ⅳ级围岩中开挖一半圆拱直墙形隧道，隧道跨度10m，边墙高5m，隧道埋深500m。围岩岩层为石英云母片岩，结构面发育，层厚较小，为Ⅳ级围岩模型近似处理为均一岩体。
根据实际问题的边界，指定沿隧道轴线里程增大方向为Y 轴正向，竖直向上为Z 轴正向，隧道掘进横断面向左方向为X 轴正向，计算范围选为：由于隧道的半径为5m，根据经验取6倍的隧道半径为围岩影响区，所以取30m为边界，划分网格的边长为0.5m。
2.2 边界条件
由于模型所在区域为地应力地段，地应力仅以岩层自重作为考虑；计算模型的位移边界和应力边界为左面边界（X=0m）、前方边界（Y=30m）为位移约束边界，约束水平方向的位移；模型的底面（Z＝－30m）也为位移约束边界，仅约束垂直方向的位移；其余为荷载边界。
2.3 岩体力学参数
根据地质资料，地层主要以云母片岩为主，在FLAC3D 计算中，岩体采用的是摩尔－库仑（Mohr-Coulomb）弹塑性材料模型，需要输入的岩石的力学参数是体积模量（K）、剪切模量（G），因此根据FLAC3D 提供的弹性力学公式换算求得[2]：
其中：E为弹性模量、μ 为泊松比。如表1所示。
2.4 支护材料参数的确定
根据该隧道施工设计图纸提供的隧道支护方式：初期支护为锚喷支护，二次衬砌为模筑混凝土衬砌。在数值计算中，采用衬砌单元（shell）模拟喷射混凝土，衬砌厚为10cm。用锚索单元（cable）模拟锚杆的支护，锚杆长3.0m，锚杆间距为1.5m。锚杆及衬砌的力学参数见下表2。
3.计算结果分析
在隧道开挖过程中，采用与实际施工情况一致的工序，即掘进分为上下台阶开挖，挖掘上台阶时在内壁设置喷层，挖掘下台阶前在挖掘完的上台阶的设置锚杆，同时在上台阶再向前挖掘一段并在内壁设置喷层。每掘进一次，整个过程就循环一次，直至开挖和喷锚结束，计算采用摩尔－库仑（Mohr-Coulomb）弹塑性材料模型。根据不同围岩对应的开挖方式，以及对应的支护参数进行数值模拟。
3.1 开挖支护后的计算结果
4.总结
（1）从图中可以看到，支护后塑性区明显比未支护的情况小了很多，支护后围岩的受力情况得到改善，竖直位移和水平位移都减少了。在位移曲线中可以明显的看到一个转折点，这是在施加初期支护后对围岩变形的限制，阻止了围岩的进一步变形所致。
（2）对软弱破碎围岩开挖后必须及时支护，如果支护不及时则使围岩物理力学性质恶化、松弛范围扩大，将造成围岩大变形、塌方等严重后果。从隧道开挖初期后的整体安全情况来看，拱肩处为最不稳定区域，其次为拱脚和拱顶[3]。
（3）为防止拱底围岩底鼓，应即时进行支护。在选择支护措施上要根据围岩类别合理使用，尽量发挥不同支护措施的优势，在较低的成本下保证围岩的稳定性。
数值计算表明：在隧道开挖后应力场发生调整，围岩向隧道内收敛发生一定的变形，围岩发生适度的变形以释放部分应力，不致支护结构上的应力水平大幅度提高。软质岩体，隧道开挖后即使在支护条件下围岩都有不同程度的塑性变形出现。。计算分析表明，锚杆对限制围岩发生大变形效果显著，喷层对限制围岩张性破坏效果明显。随着支护措施的加强，塑性破坏区的范围明显减小；围岩整体上保持稳定。
参考文献：
[1]陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2013.6
[2] 刘波，韩彦辉编著 FLAC 原理实例与应用指南[M] 北京：人民交通出版社 2005
[3] 王钜 白石河2 号隧道围岩分级与稳定性分析[D]，[硕士学位论文].南昌：华东交通大学 2008
作者简介：
曹日跃（1991-），男，安徽合肥人，安徽建筑大学在读硕士研究生，主要研究方向为地下工程结构优化与稳定性分析。
论文作者:曹日跃
论文发表刊物:《基层建设》2015年21期供稿
论文发表时间:2016/3/30
标签：围岩论文; 隧道论文; 塑性论文; 边界论文; 位移论文; 数值论文; 应力论文; 《基层建设》2015年21期供稿论文;