基于FLAC3D的隧道分臺(tái)階開(kāi)挖數(shù)值模擬與分析

尤帆帆 邱曉莉

(1.廣州市高速公路有限公司，廣東 廣州 510000； 2.廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510000)

基于FLAC3D的隧道分臺(tái)階開(kāi)挖數(shù)值模擬與分析

尤帆帆1邱曉莉2

(1.廣州市高速公路有限公司，廣東 廣州 510000； 2.廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510000)

基于有限差分法的FLAC3D數(shù)值模擬，對(duì)隧道的分臺(tái)階開(kāi)挖進(jìn)行了計(jì)算與分析，研究了隧道開(kāi)挖過(guò)程中的位移變化和穩(wěn)定狀態(tài)，提出了相應(yīng)的預(yù)防措施和建議，分析結(jié)果為隧道施工控制提供了理論支持。

FLAC3D，隧道，分臺(tái)階開(kāi)挖，數(shù)值模擬

1 FLAC3D簡(jiǎn)介

有限元計(jì)算方法經(jīng)常使用在工程結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析中[1-3]，F(xiàn)LAC3D不同于其他有限元程序，它采用的是有限差分法。在有限差分法中，基本方程組和邊界條件(一般均為微分方程)近似地改用差分方程(代數(shù)方程)來(lái)表示，即：由空間離散點(diǎn)處的場(chǎng)變量(應(yīng)力，位移)的代數(shù)表達(dá)式代替。這些變量在單元內(nèi)是非確定的，從而把求解微分方程的問(wèn)題改換成求解代數(shù)方程的問(wèn)題，能相對(duì)高效地在每個(gè)計(jì)算步驟重新生成有限差分方程。在有限元法中，常采用隱式、矩陣解算方法，而有限差分法則通常采用顯式、時(shí)間遞步法解算代數(shù)方程。FLAC3D程序具有強(qiáng)大的后期處理功能，用戶可以用以直接在屏幕上繪制或以文件形式創(chuàng)建和輸出打印多種形式的圖形，還可以根據(jù)需要，將若干個(gè)變量合并在同一幅圖形中進(jìn)行研究分析。

2 隧道模型的建立

某工程隧道長(zhǎng)50 m，橢圓形隧道高8 m，寬12 m(包括襯砌)，計(jì)算模型中邊界設(shè)置為寬90 m，隧道頂距地面高15 m，隧道底距下邊界37 m，如圖1所示。

隧道采取上下臺(tái)階法施工，每5 m一個(gè)臺(tái)階，采取平行施工，下一個(gè)工作段的上臺(tái)階和上一個(gè)工作段的下臺(tái)階同時(shí)施作，并及時(shí)做好支護(hù)。襯砌使用彈性單元，體積彈性模量16.67e9 MPa，剪切彈性模量12.5e9 MPa。巖土體材料選擇摩爾—庫(kù)侖材料類型，分兩層。

三維模型底部全部約束，兩側(cè)邊界約束X方向位移，前后邊界約束Y方向位移。

3 隧道穩(wěn)定性分析

3.1 第一步開(kāi)挖

第一步洞口開(kāi)挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)比較大，危險(xiǎn)性較高，因此，著重分析第一步開(kāi)挖對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響很有必要性。開(kāi)挖第一段的上、下臺(tái)階后，位移分布如圖2，圖3所示。

上臺(tái)階開(kāi)挖完成后，沿X方向?qū)⒃摂嗝嫔系乇沓两岛凸绊敵两登€繪制如圖4所示，由圖像可知，兩處都在隧道附近沉降最大，地表處達(dá)到1.5 mm左右，拱頂處達(dá)到6 mm左右。下臺(tái)階開(kāi)挖并做好支護(hù)后，拱底上拱的位移變小，可見(jiàn)開(kāi)挖完成后及時(shí)做好支護(hù)并閉合，有利于減小豎直方向上的位移。

洞口的開(kāi)挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)較大，但是上述沉降依然在可控制范圍之內(nèi)。由于拱頂處沉降量過(guò)大會(huì)造成掉塊甚至塌方，拱頂?shù)某两抵祽?yīng)作為設(shè)計(jì)和施工控制的重要指標(biāo)。拱底上升的位移應(yīng)采取全斷面封閉或盡快施作臨時(shí)仰拱加以控制，在需要嚴(yán)格控制頂?shù)棕Q向位移時(shí)，可以采用縮短開(kāi)挖進(jìn)尺、加強(qiáng)初期支護(hù)剛度或采用輔助施工法來(lái)強(qiáng)化圍巖強(qiáng)度控制其沉降。

上、下臺(tái)階開(kāi)挖后水平方向位移如圖5，圖6所示。下臺(tái)階開(kāi)挖后，水平方向的位移較開(kāi)挖前增大，拱腰、拱肩的水平位移明顯大于拱腳處的水平位移，因此，水平位移的控制以拱肩至拱腰處作為控制點(diǎn)是非常合理的。

3.2 開(kāi)挖完成后分析

開(kāi)挖完成后，隧道縱向中心面上的豎向位移如圖7，圖8所示。

從整體模型的剖面圖和隧道形狀的變形圖(圖9，放大100倍效果)可以發(fā)現(xiàn)，開(kāi)挖完成后，洞口處襯砌的變形是最大的，拱頂向下變形，拱底向上變形，拱頂和拱底在豎直方向上的位移也是最大的。可以將X=0剖面上豎直方向位移變化圖繪制如圖10所示等值線圖。

在拱頂和拱底的襯砌上分別取30個(gè)點(diǎn)，將它們的位移繪制在同一張圖中，如圖11所示?？芍?，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，已開(kāi)挖的部分變形(包括拱頂?shù)某两岛凸暗椎墓捌?在逐漸增大，開(kāi)挖完成時(shí)，洞口處拱頂沉降和拱底拱起都達(dá)到20 mm左右。隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，沉降和拱起都基本呈線性減小，并在施工控制的變化范圍內(nèi)，由此可見(jiàn)，本隧道工程的分臺(tái)階開(kāi)挖穩(wěn)定性良好。

4 結(jié)語(yǔ)

基于FLAC3D有限差分計(jì)算，對(duì)于某工程隧道分臺(tái)階開(kāi)挖施工進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，理論結(jié)果較合理。主要結(jié)論如下：

1)開(kāi)挖完成后及時(shí)做好支護(hù)并閉合，有利于減小豎直方向上的位移。

2)拱底上升的位移應(yīng)采取全斷面封閉或盡快施作臨時(shí)仰拱加以控制，在需要嚴(yán)格控制頂?shù)棕Q向位移時(shí)，可以采用縮短開(kāi)挖進(jìn)尺、加強(qiáng)初期支護(hù)剛度或采用輔助施工法來(lái)強(qiáng)化圍巖強(qiáng)度控制其沉降。

3)水平位移的控制以拱肩至拱腰處作為控制點(diǎn)是非常合理的。

[1] 高文學(xué)，孫文龍，周文旭，等.淺埋偏壓隧道開(kāi)挖數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)分析[J].施工技術(shù)，2011，40(3):48-50.

[2] 趙玉翔.高速公路雙連拱隧道施工數(shù)值模擬研究[J].施工技術(shù)，2013，42(sup):12-14.

[3] 馬獻(xiàn)民，于 丹，周志廣.鞍鋼礦業(yè)公司大孤山尾礦壩滲流場(chǎng)數(shù)值分析[J].山西建筑，2011，37(5):229-231.

The numerical simulation and analysis of stair excavation about tunnel based on FLAC3D

YOU Fan-fan1QIU Xiao-li2

(1.GuangzhouExpresswayCorporation,Guangzhou510000,China;2.GuangdongElectricPowerDesignInstitute,Guangzhou510000,China)

Based on finite difference method of FLAC3D numerical simulation, the step excavation of tunnel is calculated and analyzed to study the displacement and steady state in tunnel excavation process, and corresponding preventive measures and proposals are proposed. The analysis results provide a theoretical support for the tunnel construction control.

FLAC3D, tunnel, excavation of stairs, numerical simulation

1009-6825(2014)28-0189-02

2014-07-31

尤帆帆(1988- )，男，碩士； 邱曉莉(1987- )，女，碩士

U455

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