基于Creator與FLAC3D的采空區(qū)隧道變形穩(wěn)定性分析

韓憲軍,孟小歡,張小強,張延年

(1.河南理工大學(xué) 深部礦井建設(shè)重點學(xué)科開放實驗室， 河南 焦作 454000;2.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 焦作 454000)

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基于Creator與FLAC3D的采空區(qū)隧道變形穩(wěn)定性分析

韓憲軍1,2,孟小歡2,張小強2,張延年2

(1.河南理工大學(xué) 深部礦井建設(shè)重點學(xué)科開放實驗室， 河南 焦作 454000;2.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 焦作 454000)

摘要:為了分析采空區(qū)隧道變形穩(wěn)定性問題，隧道圍巖變形特性研究顯得十分重要。首先利用虛擬現(xiàn)實軟件MultiGen Creator對一破壞的采空區(qū)隧道支護結(jié)構(gòu)進行三維仿真模擬計算，并對其破壞情況進行統(tǒng)計分析。然后，借助三維有限差分軟件FLAC3D對同一采空區(qū)隧道進行數(shù)值模擬計算。通過把模擬計算結(jié)果與統(tǒng)計結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬與統(tǒng)計結(jié)果基本一致。結(jié)果表明采空區(qū)的存在對隧道的變形穩(wěn)定性影響很大，這將對采空區(qū)隧道后期的支護加固治理提供有益參考。

關(guān)鍵詞:采空區(qū)；虛擬現(xiàn)實；MultiGen Creator；FLAC3D；變形穩(wěn)定性

我國幅員遼闊，地大物博，煤炭資源十分豐富。但是近些年來，隨著人們對煤炭資源的粗獷式開采，在煤層開采完成之后，采取煤矸石回填采空區(qū)，有的甚至在開采完之后就棄之不理，造成了大量采空區(qū)存在。近年來，鐵路隧道大量興建，有些隧道在選線的時候由于地質(zhì)勘察工作不充分，致使隧道穿過煤層采空區(qū)，造成了隧道在使用過程中出現(xiàn)了基底下沉，襯砌結(jié)構(gòu)破壞等工程病害。

隨著計算機軟、硬件的迅速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)日益成熟，其應(yīng)用范圍也越來越廣泛。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對隧道的三維視景仿真已經(jīng)成了一個新的發(fā)展方向。靳海亮[1]等利用MultiGen Creator /Vega軟件實現(xiàn)了交互性能良好的煤礦井上下虛擬漫游系統(tǒng)，并對礦山空間對象三維建模和優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)進行了重點討論，根據(jù)煤礦井上下環(huán)境的漫游方式設(shè)計出了具有屬性查詢功能的實現(xiàn)方法。徐靜[2]以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)，對公路隧道的視景仿真進行了研究和探索，并把虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入了公路隧道的設(shè)計中，為公路隧道的研究提供了新的思路。宋克志[3]等人基于MultiGen Creator仿真建模平臺，給出了跨海通道仿真建模流程，建立了海底隧道模型數(shù)據(jù)庫的樹狀結(jié)構(gòu)。最終實現(xiàn)了海底鐵路隧道、公路隧道及懸浮隧道等不同跨海通道形式的可視化仿真，使工程各部位的基本信息及空間上的邏輯關(guān)系得到較好的體現(xiàn)。王瑞青[4]基于MultiGen Creator構(gòu)建高架三維模型的高效、快捷、真實等特點，對大石橋立交橋進行了三維建模，并詳細(xì)的介紹了城市三維高架模型的流程和注意事項。

與此同時，隨著計算機軟、硬件水平的快速發(fā)展，F(xiàn)LAC3D、ANSYS、MIDAS等數(shù)值分析軟件在采空區(qū)數(shù)值分析模擬中得到了有效的應(yīng)用。王生俊[5]等針對采空區(qū)塌陷冒落帶的力學(xué)特征，使用FLAC3D軟件對高速公路下伏采空區(qū)剩余沉降量進行計算，為采空區(qū)剩余沉降量的計算提供了新的方法。張耀平[6]等利用FLAC3D軟件分別就采空區(qū)應(yīng)力分布情況、穩(wěn)定性進行了數(shù)值模擬，并對其造成的影響進行了預(yù)測分析。鐘浩[7]利用FLAC3D軟件對隧道開挖進行模擬，并對開挖去的應(yīng)力釋放及變形對邊坡的穩(wěn)定性影響進行了研究，動態(tài)分析了隧道開挖過程中隧道開挖對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。張普綱[8]應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬手段對采空區(qū)高速公路路基的破壞進行了研究，并指出高速公路路基能承受地表水平變形Ⅱ級變形，為相關(guān)工程設(shè)計與施工提供了理論指導(dǎo)。黃俊[9]等采用FLAC3D對重疊隧道暗挖四步臺階法施工引起的地層變形和失水引起的地層變形規(guī)律進行了數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果對同類地鐵施工環(huán)境控制提供了部分理論依據(jù)。武崇福[10]等利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D對小煤礦采空區(qū)的穩(wěn)定性進行了定量分析，對地表沉陷過程、采場圍巖破壞情況等進行監(jiān)測，真實地展現(xiàn)了圍巖變形的破壞過程，為治理采空區(qū)提供了理論依據(jù)。尹士獻[11]等利用FLAC3D對采空區(qū)剩余變形產(chǎn)生的附加應(yīng)力進行了分析與計算，得出了采空區(qū)產(chǎn)生的剩余變形量，并得出了在剩余變形作用下運煤隧道穿過采空區(qū)穩(wěn)定的結(jié)論。劉永[12]等利用FLAC3D軟件對某礦山地下采空區(qū)建模計算，繪制出了模型剖面位移等值線圖，并對采空區(qū)對地面沉降的影響進行了分析研究，研究表明采空區(qū)頂板的變形對地表沉降有顯著的影響。鄧金燕[13]等利用ANSYS有限元分析軟件對采空區(qū)的地基穩(wěn)定性進行了深入研究。本文采用虛擬現(xiàn)實軟件MultiGen Creator三維仿真模擬與FLAC3D數(shù)值模擬計算分析相結(jié)合的方法，對采空區(qū)隧道的變形穩(wěn)定性進行分析，以期對采空區(qū)隧道后期除險與加固治理提供有效參考。

1　工程概況

陜西省某公司二號煤礦運煤專線隧道全長1 730 m，最大埋深約170 m，最小埋深約137 m。東進口端里程樁號K4+830，高程為915.40 m；西出口端里程樁號為K6+560，高程為928.10 m，兩端高差12.70 m。據(jù)了解隧道通過區(qū)域內(nèi)分布不同時期的民用采煤礦點多達(dá)十余處，大多數(shù)已閉坑或廢棄。該隧道使用過程中，在樁號K5+600-K5+820之間范圍內(nèi)出現(xiàn)了隧道底板圍巖沉陷和隧道襯砌結(jié)構(gòu)開裂現(xiàn)象，裂縫總的延伸長度達(dá)220 m，拱頂也出現(xiàn)了不同程度的裂縫。經(jīng)后期勘查發(fā)現(xiàn)，在隧道內(nèi)鐵路路肩以下15 m～20 m巖體范圍內(nèi)存在一個采空高度為2.7 m～2.8 m的處于局部填充甚至是空腔狀態(tài)的煤層采空區(qū)。隧道襯砌結(jié)構(gòu)和底板的嚴(yán)重變形已經(jīng)給隧道的安全運營帶來了隱患。

2　采空區(qū)隧道可視化仿真建模

2.1MultiGen Creator建模工具

MultiGen Creator軟件是美國Multigen-Paradigm公司專門針對可視化仿真行業(yè)應(yīng)用特點推出的實時可視化三維建模軟件系統(tǒng)。它是一種實時三維仿真模擬建模工具軟件系統(tǒng)，具有良好的性能、系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定性好等其他建模軟件無法比擬的優(yōu)點?；趯崟r應(yīng)用優(yōu)化的OpenFlight數(shù)據(jù)格式，Multigen Creator提供了強大的多邊形建模、矢量建模以及大面積地形精確生成等功能，配合多種專業(yè)可選模塊及插件，用戶能夠高效地生成實時三維模型數(shù)據(jù)庫，并與后續(xù)的實時仿真軟件緊密結(jié)合。該軟件的主要模塊包括基本建模環(huán)境模塊(CreatorPro)、地形建模模塊(TerrainPro)、標(biāo)準(zhǔn)道路建模模塊(RoadTools)等，目前已廣泛的應(yīng)用于可視化仿真領(lǐng)域[14]。

2.2隧道可視化仿真建模

由于該隧道受采空區(qū)的影響范圍較大，隧道側(cè)壁的裂縫延展長度達(dá)到了220 m，拱頂也出現(xiàn)了不同程度的裂縫。本文將對采空區(qū)段隧道的內(nèi)部襯砌結(jié)構(gòu)進行可視化仿真模擬，通過對隧道內(nèi)部襯砌結(jié)構(gòu)的仿真模擬，可以直觀的再現(xiàn)出隧道內(nèi)部的真實情況，以便于及時準(zhǔn)確的對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形進行統(tǒng)計分析和及時把握。采空區(qū)段隧道襯砌結(jié)構(gòu)的仿真模擬情況分別如圖1、圖2所示。

圖1隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖2隧道襯砌結(jié)構(gòu)圖

通過對隧道內(nèi)部襯砌結(jié)構(gòu)的可視化仿真模擬，我們發(fā)現(xiàn)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的裂縫基本上為近水平裂縫，延伸方向與隧道的軸線方向基本一致，且大部分裂縫都處于隧道中段側(cè)壁襯砌結(jié)構(gòu)層邊墻和拱腰部位，這些裂縫都處于隧道斷面的南側(cè)。

3　隧道穩(wěn)定性數(shù)值模擬

3.1采空區(qū)隧道數(shù)值模型

FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua in three Dimension)是美國ITASCA咨詢集團公司推出的快速拉格朗日差分分析軟件[15]，已經(jīng)成為目前巖土力學(xué)計算中的重要數(shù)值方法之一。本文采用FLAC3D對采空區(qū)段隧道進行數(shù)值模擬計算，X、Y、Z軸方向分別為隧道模型的水平方向、軸線方向、垂直埋深方向。根據(jù)彈性力學(xué)基本原理，為了減小邊界因素帶來的影響，隧道模型的X、Y、Z軸方向的邊界均按大于3～5倍洞徑為原則進行取值[16]。X方向的計算分析范圍取值為56 m，Y方向的計算分析范圍取值50 m，Z方向的計算分析范圍取值為70 m，采空區(qū)隧道FLAC3D數(shù)值模型模擬范圍為:X×Y×Z=56 m×50 m×70 m，整個模型共有82 530個單元，87 761個節(jié)點，如圖3所示。

圖3隧道網(wǎng)格劃分

3.2屈服準(zhǔn)則與邊界條件

由于巖土體的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性非常復(fù)雜，巖土體受外力作用的情況下，不僅會產(chǎn)生彈性變形，還能產(chǎn)生塑性變形。模擬分析中巖土材料均采用理想彈塑性模型，采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，即

(1)

模型側(cè)面采用定向支座約束其水平位移，模型底部采用固定支座約束其水平和豎向位移，模型上邊界為自由邊界，無位移約束條件，考慮到模型上邊界不是地表，在模型上表面應(yīng)施加分布荷載以模擬上覆巖土體自重應(yīng)力，自重應(yīng)力大小為3.1 MPa，隧道模型的邊界約束條件示意圖如圖4所示。

圖4模型邊界示意圖

3.3力學(xué)參數(shù)選擇

由于隧道的埋深較深，為了建模方便，將模型的巖層分為五層，將五層之上的上覆巖體轉(zhuǎn)化為重力荷載形式施加給模型的上表面，對采空區(qū)的巖層按照軟弱夾層來進行處理。模型中各個巖土層及隧道襯砌的物理力學(xué)參數(shù)分別如表1、表2所示。

表1　計算選用的巖土體物理力學(xué)參數(shù)

表2　隧道支護的物理力學(xué)參數(shù)

3.4計算結(jié)果及分析

對采空區(qū)隧道圍巖及支護結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定性的模擬計算結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5采空區(qū)隧道圍巖位移等值線圖(單位:mm)

通過圖5采空區(qū)段隧道圍巖的位移等值線圖可以發(fā)現(xiàn)，模型的最大位移出現(xiàn)在采空區(qū)頂部的位置，最大位移量為32.5 mm。由于采空區(qū)的頂部位移最大，在此部位可能出現(xiàn)局部垮塌甚至大面積冒頂?shù)痊F(xiàn)象。在隧道斷面部位最大位移出現(xiàn)在隧道拱頂部位，拱頂最大位移量為27.5 mm，拱腰部位的最大位移量為25.0 mm。

通過圖6采空區(qū)段隧道圍巖的應(yīng)力等值線圖可以發(fā)現(xiàn)，在采空區(qū)兩側(cè)邊緣部位存在較大的應(yīng)力，最大應(yīng)力達(dá)到了7.69 MPa。在隧道斷面拱腰部位的最大應(yīng)力為5.6 MPa，在隧道拱頂部位的應(yīng)力為2.0 MPa。

圖6采空區(qū)隧道圍巖豎向應(yīng)力等值線圖(單位:mm)

由MultiGen Creator軟件對采空區(qū)隧道的仿真模擬及統(tǒng)計分析結(jié)果我們得出隧道襯砌結(jié)構(gòu)的裂縫基本上為水平裂縫，延展方向與隧道軸線方向一致，且大部分裂縫都處于隧道中段側(cè)壁襯砌結(jié)構(gòu)層邊墻和拱腰部位；而由FLAC3D有限差分軟件對采空區(qū)隧道圍巖及支護結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，隧道附近圍巖出現(xiàn)的較大位移和應(yīng)力現(xiàn)象正是由采空區(qū)存在所造成的。隧道的拱頂與拱腰處位移較大，由此使這兩個部位產(chǎn)生較大的形變應(yīng)力，最終導(dǎo)致隧道襯砌結(jié)構(gòu)的拱頂和拱腰部位產(chǎn)生裂縫、掉碴等工程病害，并且由于采空區(qū)頂部的較大位移，甚至出現(xiàn)塌陷、冒頂?shù)痊F(xiàn)象，導(dǎo)致了隧道的拱腰處也產(chǎn)生了較大的應(yīng)力。

4　結(jié)　論

本文綜合利用虛擬現(xiàn)實軟件MultiGen Creator及三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC3D對某采空區(qū)隧道的變形穩(wěn)定性進行了分析，可以初步得到以下幾點結(jié)論:

(1)采空區(qū)的存在對隧道圍巖及其支護結(jié)構(gòu)的變形穩(wěn)定性影響顯著。在煤礦開采時，因煤層所處巖層及周圍的巖體受到了不同程度的擾動，雖然受到擾動的巖層最終在煤層開采過程中逐漸趨于穩(wěn)定，但是，擾動后巖體與原始巖體相比強度降低了很多。

(2)隧道修建時，隧道周圍的巖體受到了二次擾動，這也為隧道的支護設(shè)計與施工造成了很大的難度。隧道在運營的過程中，隧道圍巖及支護結(jié)構(gòu)承受了很大的荷載，致使隧道支護結(jié)構(gòu)進一步發(fā)生破壞。

(3)通過MultiGen Creator和FLAC3D軟件對某破壞采空區(qū)隧道支護結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬和統(tǒng)計分析研究表明，由于采空區(qū)頂板的冒落，隧道底板出現(xiàn)下沉，隧道圍巖應(yīng)力重新分布，圍巖出現(xiàn)下沉尤其是差異下沉?xí)r，襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力急劇變化，襯砌內(nèi)部的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力不斷增大，最終使隧道襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)拉裂和剪斷，出現(xiàn)了近水平拉裂裂縫和剪切裂縫。

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TheDeformationStabilityAnalysisoftheTunnelsinMined-outAreasBasedonCreatorandFLAC3D

HAN Xian-jun1,2,MENG Xiao-huan2,ZHANG Xiao-qiang2,ZHANG Yan-nian2

(1.He'nanProvinceCollegesandUniversitiesDeepMineConstructionKeyDisciplineOpenLaboratory,He'nanPolytechnicUniversity,Jiaozuo,He'nan454000,China;2.SchoolofCivilEngineering,He'nanPolytechnicUniversity,Jiaozuo,He'nan454000,China)

Abstract:To solve the problem of the deformation stability of the tunnels in mined-out areas,it is necessary to study the deformation characteristics of the surrounding rocks of the tunnels. Firstly,with the help of the virtual reality software MultiGen Creator,the three-dimensional supporting structure of a damaged tunnel was simulated,and the destructive status of the supporting structure was analysed statistically. By adopting the three-dimensional finite differential software FLAC3D,the numerical simulation of the same tunnel was calculated simultaneously. It was found that the numerical simulation and the statistical results were basically identical by comparing the calculated results with the statistical results. This indicate that mined-out areas have a great influence on the deformation stability of the tunnels running through them,and this conclusion will provide beneficial reference to the later reinforcement and management of the supporting structures of the tunnels in the mined-out areas.

Keywords:mined-out area;virtual reality;MultiGen Creator;FLAC3D;deformation stability

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.05.018

中圖分類號:TD3,TU9

文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1672—1144(2014)05—0093—05

作者簡介:韓憲軍(1975—),男,山東鄒城人,博士,講師,主要從事巖土工程方面的教學(xué)與科研工作。

基金項目:河南省高等學(xué)校深部礦井建設(shè)重點學(xué)科開放實驗室開放基金(2012KF-04)；河南省教育廳自然科學(xué)研究計劃項目(2009B130003)；河南理工大學(xué)博士基金(B2009-13)

收稿日期:2014-05-07修稿日期:2014-06-06