FLAC-数值模拟分析

1 工程概况工程概况 研究此段为中条山隧道 K9 450 K10 560 段 此处隧道最大埋深约 540 m 主要由太古界涑水群表壳岩组合解州片麻岩 Hgn 地层组成 构成中条山 隧道分水岭北侧的主体 此段组成隧道的围岩岩性主要为变粒岩 花岗片麻岩 等 该套地层岩性复杂 组合无规律 岩层产状整体倾向南东 倾角一般在 50 70 间变化 在 AK9 900 AK10 000 段为区域性断层影响段 此断层为 破碎岩石组成 将为基岩裂隙水下渗提供通道 隧道开挖必将引起涌水 同时 此段围岩稍差 施工时易引起坍塌 此段同时也是中条山北侧泉水主要涌出段 水文情况复杂 总体评价 本段工程地质条件差 在此处 具体运用 FLAC3D进行模拟的区段均取洞身 YK10 100 YK10 180 段 该区段为 V 级围岩区域 埋深为 505 512 m 为断层 附近太古界涑水群 花岗片麻岩 黑云斜长片麻岩 岩石破碎 隧道断面为 SVc 型 如图 2 2 所示 图 2 2 SVc 型隧道断面图 隧道衬砌按新奥法原理设计 采用 SVc 型复合式衬砌 该衬砌适用于隧道 洞身 V 级断层影响带及软弱破碎围岩段的初期支护及衬砌 超前支护各环采用 42 4 mm 注浆小导管超前预加固围岩 长 4 5 m 环向间距 35 cm 搭接长度 1 3 m 斜插角 10 15 每环 37 根 初衬以喷 锚 网为主要支护手段 钢 拱架为 I20a 型钢 纵向间距 75 cm 每榀钢拱架之间采用 22 钢筋连接 环形 间距 1 0 m 锚杆采用 D25 中空注浆锚杆 长 3 5 m 间距 75 cm 纵 100 cm 环 与钢拱架交错布置 喷 C25 早强混凝土 26 cm 二次衬砌和仰拱均为 C30 钢筋混凝土结构 厚 50 cm 1 2 数值计算模型 根据中条山隧道工程的实际状况 为提高计算速度 在保证计算精度的前 提下 取桩号 YK10 100 YK10 160 段采用大型有限差分软件 FLAC3D进行建模 分析 对于全断面法 预留核心土法 台阶法 由于整个隧道模型左右对称 为 减少计算量 可取隧道模型的一半计算 隧道的计算模型 I 如图 2 3 所示 FLAC3D 3 00 Itasca Consulting G roup Inc M inneapolis M N USA Step 17407 M odel Perspective 15 44 44 M on Dec 05 2011 Center X 3 000e 001 Y 3 000e 001 Z 1 000e 001 Rotation X 0 000 Y 0 000 Z 50 000 Dist 4 171e 002M ag 0 64 Ang 22 500 Surface M agfac 0 000e 000 A xes Linestyle XY Z 图 2 3 计算模型 I 示意图 x y z 各方向的长度分别为 60 m 60 m 和 140 m 模型的表面为自由边 界 底部为固定边界条件 四周为法向位移约束边界条件 模型共有 10912 个 节点 9360 个实体单元 对于单侧壁导坑法 由于整个隧道模型左右不对称 可取隧道模型的一半 计算 隧道的计算模型 II 如图 2 4 所示 x y z 各方向的长度分别为 120 m 60 m 和 140 m 模型的表面为自由边 界 底部为固定边界条件 四周为法向位移约束边界条件 模型共有 25637 个 节点 23220 个实体单元 FLAC3D 3 00 Itasca Consulting G roup Inc M inneapolis M N USA Step 20000 M odel Perspective 15 42 52 M on Dec 05 2011 Center X 1 332e 001 Y 3 882e 001 Z 1 000e 001 Rotation X 0 000 Y 0 000 Z 40 000 Dist 4 371e 002M ag 0 64 Ang 22 500 Surface M agfac 0 000e 000 A xes Linestyle XY Z 图 2 4 计算模型 II 示意图 FLAC3D提供了丰富的单元库供用户选择 这样可以对各种材料进行模拟 计算中 V 级围岩均采用摩尔 库伦材料 初期支护体系中的喷层混凝土视为线 弹性体 二次衬砌混凝土及仰拱均采用 FLAC3D软件内置的壳单元 shell 进行 模拟 系统锚杆和锁脚锚杆均分别采用锚索单元 cable 和桩单元 pile 进 行模拟 超前导管采用桩单元 pile 进行模拟 各材料参数见表 2 1 1 3 数值计算说明 需要说明的是 由于研究该段埋深很大 最大处达到 540 m 此处假设隧 道埋深为 500 m 假设地应力场仅考虑自重应力场 则按照等效方法在模型顶 部竖直方向应施加的垂直向应力为 2650 9 8 420 10 91MPa 地应力平 z 衡后 模型底部垂直向应力 2650 9 8 560 14 54MPa 隧道中心垂直向 z 应力 2650 9 8 500 12 99MPa 现按照上述方法进行平衡 得到的竖向应 z 力云图如图 2 5 及图 2 6 所示 FLAC3D 3 00 Itasca Consulting G roup Inc M inneapolis M N USA Step 17407 M odel Perspective 18 51 01 M on Dec 05 2011 Center X 3 000e 001 Y 3 000e 001 Z 1 000e 001 Rotation X 0 000 Y 0 000 Z 40 000 Dist 4 171e 002M ag 1 Ang 22 500 C ontour of SZ Z M agfac 0 000e 000 G radient Calculation 1 3537e 007 to 1 3500e 007 1 3500e 007 to 1 3000e 007 1 3000e 007 to 1 2500e 007 1 2500e 007 to 1 2000e 007 1 2000e 007 to 1 1500e 007 1 1500e 007 to 1 1000e 007 1 1000e 007 to 1 0500e 007 1 0500e 007 to 1 0000e 007 1 0000e 007 to 1 0000e 007 Interval 5 0e 005 FLAC3D 3 00 Itasca Consulting G roup Inc M inneapolis M N USA Step 17407 M odel Perspective 18 51 01 M on Dec 05 2011 Center X 3 000e 001 Y 3 000e 001 Z 1 000e 001 Rotation X 0 000 Y 0 000 Z 40 000 Dist 4 171e 002M ag 1 Ang 22 500 C ontour of SZ Z M agfac 0 000e 000 G radient Calculation 1 3537e 007 to 1 3500e 007 1 3500e 007 to 1 3000e 007 1 3000e 007 to 1 2500e 007 1 2500e 007 to 1 2000e 007 1 2000e 007 to 1 1500e 007 1 1500e 007 to 1 1000e 007 1 1000e 007 to 1 0500e 007 1 0500e 007 to 1 0000e 007 1 0000e 007 to 1 0000e 007 Interval 5 0e 005 FLAC3D 3 00 Itasca Consulting G roup Inc M inneapolis M N USA Step 17407 M odel Perspective 18 51 01 M on Dec 05 2011 Center X 3 000e 001 Y 3 000e 001 Z 1 000e 001 Rotation X 0 000 Y 0 000 Z 40 000 Dist 4 171e 002M ag 1 Ang 22 500 C ontour of SZ Z M agfac 0 000e 000 G radient Calculation 1 3537e 007 to 1 3500e 007 1 3500e 007 to 1 3000e 007 1 3000e 007 to 1 2500e 007 1 2500e 007 to 1 2000e 007 1 2000e 007 to 1 1500e 007 1 1500e 007 to 1 1000e 007 1 1000e 007 to 1 0500e 007 1 0500e 007 to 1 0000e 007 1 0000e 007 to 1 0000e 007 Interval 5 0e 005 FLAC3D 3 00 Itasca Consulting G roup Inc M inneapolis M N USA Step 17407 M odel Perspective 18 51 01 M on Dec 05 2011 Center X 3 000e 001 Y 3 000e 001 Z 1 000e 001 Rotation X 0 000 Y 0 000 Z 40 000 Dist 4 171e 002M ag 1 Ang 22 500 C ontour of SZ Z M agfac 0 000e 000 G radient Calculation 1 3537e 007 to 1 3500e 007 1 3500e 007 to 1 3000e 007 1 3000e 007 to 1 2500e 007 1 2500e 007 to 1 2000e 007 1 2000e 007 to 1 1500e 007 1 1500e 007 to 1 1000e 007 1 1000e 007 to 1 0500e 007 1 0500e 007 to 1 0000e 007 1 0000e 007 to 1 0000e 007 Interval 5 0e 005 图 2 5 模型 平衡地应力后垂直向应力分布云图 单位 Pa FLAC3D 3 00 Itasca Consulting G roup Inc M inneapolis M N USA Step 20000 M odel Perspective 18 57 44 M on Dec 05 2011 Center X 1 332e 001 Y 3 882e 001 Z 1 000e 001 Rotation X 0 000 Y 0 000 Z 40 000 Dist 4 371e 002M ag 1 Ang 22 500 C ontour of SZ Z M agfac 0 000e 000 G radient Calculation 1 4403e 007 to 1 4000e 007 1 4000e 007 to 1 3500e 007 1 3500e 007 to 1 3000e 007 1 3000e 007 to 1 2500e 007 1 2500e 007 to 1 2000e 007 1 2000e 007 to 1 1500e 007 1 1500e 007 to 1 1000e 007 1 1000e 007 to 1 0500e 007 1 0500e 007 to 1 0092e 007 Interval 5 0e 005 FLAC3D 3 00 Itasca Consulting G roup Inc M inneapolis M N USA Step 20000 M odel Perspective 18 57 44 M on Dec 05 2011 Center X 1 332e 001 Y 3 882e 001 Z 1 000e 001 Rotation X 0 000 Y 0 000 Z 40 000 Dist 4 371e 002M ag 1 Ang 22 500 C ontour of SZ Z M agfac 0 000e 000 G radient Calculation 1 4403e 007 to 1 4000e 007 1 4000e 007 to 1 3500e 007 1 3500e 007 to 1 3000e 007 1 3000e 007 to 1 2500e 007 1 2500e 007 to 1 2000e 007 1 2000e 007 to 1 1500e 007 1 1500e 007 to 1 1000e 007 1 1000e 007 to 1 0500e 007 1 0500e 007 to 1 0092e 007 Interval 5 0e 005 FLAC3D 3 00 Itasca Consulting G roup Inc M inneapolis M N USA Step 20000 M odel Perspective 18 57 44 M on Dec 05 2011 Center X 1 332e 001 Y 3 882e 001 Z 1 000e 001 Rotation X 0 000 Y 0 000 Z 40 000 Dist 4 371e 002M ag 1 Ang 22 500 C ontour of SZ Z M agfac 0 000e 000 G radient Calculation 1 4403e 007 to 1 4000e 007 1 4000e 007 to 1 3500e 007 1 3500e 007 to 1 3000e 007 1 3000e 007 to 1 2500e 007 1 2500e 007 to 1 2000e 007 1 2000e 007 to 1 1500e 007 1 1500e 007 to 1 1000e 007 1 1000e 007 to 1 0500e 007 1 0500e 007 to 1 0092e 007 Interval 5 0e 005 FLAC3D 3 00 Itasca Consulting G roup Inc M inneapolis M N USA Step 20000 M odel Perspective 18 57 44 M on Dec 05 2011 Center X 1 332e 001 Y 3 882e 001 Z 1 000e 001 Rotation X 0 000 Y 0 000 Z 40 000 Dist 4 371e 002M ag 1 Ang 22 500 C ontour of SZ Z M agfac 0 000e 000 G radient Calculation 1 4403e 007 to 1 4000e 007 1 4000e 007 to 1 3500e 007 1 3500e 007 to 1 3000e 007 1 3000e 007 to 1 2500e 007 1 2500e 007 to 1 2000e 007 1 2000e 007 to 1 1500e 007 1 1500e 007 to 1 1000e 007 1 1000e 007 to 1 0500e 007 1 0500e 007 to 1 0092e 007 Interval 5 0e 005 图 2 6 模型 平衡地应力后垂直向应力分布云图 单位 Pa 隧道开挖进尺为 2 m 纵向每个网格长为 2 m 纵向有 30 个网格 即不论 哪种工法 开挖到 30 步时 隧道模型即贯穿 表 2 1 材料参数汇总表 材料 密 度 kg m3 弹性模量 GPa 泊松比 黏聚力 MPa 内摩擦角 V 级围岩265050 40 08538 初衬2438 730 110 2 二次衬砌2500300 2 系统锚杆247992 1 锁脚锚杆254968 6 超前导管254968 6 对于初期支护中钢拱架和钢筋网的支护作用采用等效方法计算 即将钢拱 架和钢筋网的弹性模量折算给混凝土 其计算方法为 gg 0 c A E EE A 2 1 式中 E 折算后的混凝土弹性模量 Pa E0 原混凝土的弹性模量 Pa Ag 初期支护钢拱架的截面积 m2 Eg 初期支护钢拱架的弹性模量 Pa Ac 混凝土的截面积 m2 对于系统锚杆及锁脚锚杆的参数选取 亦同样采用折算方法计算获得 其 计算方法如下 2211 AEAEEA 2 2 E 折算后的锚杆弹性模量 Pa E1 水泥砂浆弹性模量 Pa E2 钢管弹性模量 Pa A 锚杆截面积 m2 A1 水泥砂浆截面积 m2 A2 钢材截面积 m2 对于隧道 实际开挖中 由于卸载打破了原来的平衡 围岩内的各质点在 地应力的作用下 将沿最短距离向消除阻力的自由表面方向移动 引起围岩内 应力的重新分布 直至达到新的平衡 形成所谓的 二次应力场 开挖卸载之 前 沿开挖边界上的各点都处于一定的初始应力状态 开挖使这些边界的应力 解除 从而引起围岩变形和应力场的变化 从应力路径上看 隧道的开挖过程 中应力场的变化是卸载的产物 因此 如何模拟出这种卸载作用显得尤其重要 为更精确的计算出隧道围岩变形及受力变化 Duncan 和 Dunlop 1969 i 最早 提出了 反转