基于FLAC對錨噴支護(hù)作用的分析

李紫瑤

【摘 要】針對處在不同地應(yīng)力荷載作用下的穿山隧道，圍巖穩(wěn)定性、沉降位移和支護(hù)作用差異巨大的問題。利用具體的工程資料及現(xiàn)場檢測和實(shí)測數(shù)據(jù)，采用FLAC3D對長安高速公路長治至平順段隧道工程項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)值模擬，并對FLAC3D得到的結(jié)果進(jìn)行分析。得出如下結(jié)論：隨地應(yīng)力增大，錨桿在減小拱頂沉降方面所起到的作用逐漸增強(qiáng)，但是是呈非線性關(guān)系的；并從FLAC3D數(shù)值模擬的結(jié)果對比分析中，揭示了在減小隧道沉降方面是錨桿和噴射混凝土共同起作用的結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】FLAC3D；隧道；數(shù)值模擬；錨桿

中圖分類號： U455.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）16-0231-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.107

【Abstract】In view of the tunnel that through the mountain under different earth stress loads， its the stability of surrounding rock、Settlement and Displacement、bolting and shotcreting role has the characteristics of great change.Using the specific engineering data and on-site detection and measured data，using the Flac3D software to numerical simulation Chang'an highway-Changzhi to Pingshun sections of the tunnel project，And to analyze the results that obtained from the Flac3D. draw the following conclusions：with the equivalent stress increaseing，anchor rod role play in reducing the crown settlement gradually increased；FLAC3D numerical simulation results contrast revealed reduce tunnel settlement is the result of co-anchor rod and shotcrete work.

【Key words】FLAC3D；Tunnel；Numerieal simulation；Bolt

0 引言

隧道是圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的綜合體[1，2]，由于錨噴支護(hù)的巨大優(yōu)勢以及我國幅員遼闊，地形地貌十分復(fù)雜，山嶺眾多，所以隧道的建設(shè)對我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)起著十分重要的作用。當(dāng)今隧道的支護(hù)多采用錨噴支護(hù)。各國的學(xué)者對錨桿已做了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究[3，4]，并且隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的發(fā)展，對各種較復(fù)雜工程條件下錨桿作用的數(shù)值分析方法也發(fā)展起來，并已取得許多有價(jià)值的成果[5]。在隧道穿越山體的情況下，隧道與地面的高差變化巨大，所以對不同高差情況下地應(yīng)力對隧道影響的研究就變得十分重要。

1 工程實(shí)例

工程實(shí)例為長治至安陽高速公路長治至平順段隧道右線，全長13.098Km。隧道最大埋深596m，隧址區(qū)地表溝壑迂回，峰巒疊嶂，地表起伏較大。隧址區(qū)范圍內(nèi)出露地層由新到老為第四系全新統(tǒng)崩坡積物、上更新統(tǒng)馬蘭組、中更新統(tǒng)離石組，燕山期石英閃長侵入巖體、奧陶系下統(tǒng)及中統(tǒng)下馬家溝組、上馬家溝組、峰峰組，寒武系徐莊組、張夏組、崮山組、長山組、鳳山組組成。巖體為白云巖，較完整，節(jié)理局部發(fā)育，屬III 類圍巖。一次支護(hù)為錨噴支護(hù)，采用3.0M全長注漿錨桿，環(huán)距為1m，縱距1m，C15鋼纖維混凝土10CM，二次襯砌C25鋼纖維混凝土35CM。

2 軟件介紹

FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）由美國Itasca公司開發(fā)，是二維的有限差分程序FLAC2D的護(hù)展，能夠進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其它材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動(dòng)分析。單元材料可采用線性或非線性本構(gòu)模型。FLAC3D采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，能夠非常準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞和流動(dòng)。

FLAC3D有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1.對模擬塑性破壞和塑性流動(dòng)采用的是“混合離散法”。這種方法比有限元法中通常采用的“離散集成法”更為準(zhǔn)確、合理。2.即使模擬的系統(tǒng)是靜態(tài)的，仍采用了動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程，這使得FLAC3D在模擬物理上的不穩(wěn)定過程不存在數(shù)值上的障礙。3.采用了一個(gè)“顯式解“方案。

3 數(shù)值模擬過程

解決隧道的理論基礎(chǔ)是彈塑性理論，但軟件的數(shù)值模擬也具有重要參考價(jià)值。由于隧道的開挖過程只對隧道橫截面的最大半徑R3--5倍范圍內(nèi)產(chǎn)生影響，因此模型x軸方向（寬度）取40m，y軸方向（縱向）取21m，z軸方向（高度）取30m；鑒于圍巖狀況良好，無明顯流變現(xiàn)象，所以圍巖的本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫倫模型（mohr-coulomb）；全長粘結(jié)錨桿采用樁構(gòu)件（pile）并用sel pile prop rockbolt on命令激活樁構(gòu)件延展這一特殊材料模型以模擬錨桿支護(hù)的特性，噴射砼采用殼結(jié)構(gòu)（shell）。邊界條件：x、y軸方向約束法向位移，z軸底部約束法向位移，z軸頂部為自由邊界。初始條件：在z軸方向施加豎向自重應(yīng)力：

設(shè)置最大不平衡力為10N，求解（solve）得到原巖狀態(tài)，開挖（model null）隧道，得到開挖后的圍巖應(yīng)力環(huán)境；并分別在僅有錨桿支護(hù)、僅有噴射砼支護(hù)、錨噴支護(hù)三種情況下得到隧道的位移云圖、應(yīng)力云圖和拱頂沉降位移。

4 FLAC3D分析

通過觀察圖1各種情況下的位移云圖，容易知道在隧道的拱頂上方是沉降位移最大的區(qū)域，是容易發(fā)生塌落的，所以拱頂區(qū)域應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。由圖2、圖3可知隨地應(yīng)力增大，隧道拱頂沉降位移也逐漸增大，在地應(yīng)力為12MPa時(shí)，無支護(hù)時(shí)拱頂位移達(dá)到了32mm，這與工程經(jīng)驗(yàn)相符合。

5 結(jié)語

通過FLAC3D數(shù)值分析軟件模擬，得到了如下一些結(jié)論：

1.通過FLAC3D數(shù)值模擬得出了不同等效地應(yīng)力情況下，初砌后位移沉降規(guī)律，為二砌施工時(shí)間提供了一些理論依據(jù)。

2.通過MATLAB分析數(shù)據(jù)，揭示了隨等效地應(yīng)力的增加，初砌的效果逐步增強(qiáng)，但增強(qiáng)的效果逐步減小。

3.在減小隧道拱頂沉降位移方面，是噴射混凝土和錨桿共同作用的結(jié)果。

4.同時(shí)再次驗(yàn)證了錨噴支護(hù)的懸吊作用。

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