隧道工程注浆支护FLAC3D计算
隧道工程注浆支护FLAC3D计算
发表于: 来源:桥梁工程与技术网
　　　呼和浩特铁路局工务处
杨勇 徐建威
　　（阴影突出）: 本文通过对flac3d施工模拟，确认了交叉铁路在隧道施工期间的沉降安全，同时对Mohr-Coulomb塑性模型修正补充进行简单介绍，并提供了编程命令流，计算结果对施工给予明确指导。
　　关键词: 隧道开挖 flac3d 编程命令流 数值计算
　　一、工程简介
　　本工程为进出线土建的一部分。暗挖隧道呈东西走向，全程132. 55m，隧道中线与铁路线相交。为了确保进出线下穿铁路工程施工期间的安全，本着稳妥可靠、安全第一、经济合理、技术先进的原则，将对在开挖过程中引起的上覆岩土层和暗挖隧道移动变形进行数值计算，以确定隧道施工引起的铁路地基沉降量和隧道变形量。
　　二、数值计算模型
　　由于隧道范围较长且左右对称，假设整个隧道在轴线方向变形很小，用平面应变模型假设，即垂直于计算剖面方向的变形为零，因此本工程选择其中一个剖面的右半部分进行数值模拟和力学分析。采用FLAC程序进行岩土模拟计算。
　　FLAC程序特别适合模拟大变形和扭曲。该软件采用显式算法来获得全部运动方程(包括内变量)的时间步长解，从而可以追踪材料的渐进破坏和垮落，这对研究工程地质问题非常重要。该程序采用“混合离散化”(mixed discretization)技术，更为精确和有效地模拟计算材料的塑性破坏和塑性流动。它全部使用动力运动方程，较好地模拟系统的力学不平衡到平衡的全过程。目前该软件在国内、外已被广泛应用于工程地质、岩土力学以及构造地质学和成矿学等研究领域。
　　隧道宽度5.7m，模型宽度取半个隧道宽度的5倍，即14.25m，模型总高度为24.15m，其中：自地表至隧道顶部深度7.35m，隧道高度4.2m，隧道底部向下取隧道高度的3倍，即12.6m，图2-1是数值计算模型岩性分布图。根据模型的尺寸，模型共划分为15295个平面单元，构成计算模型单元网格尺寸平均为0.15&0.15m，模型两侧限制水平方向移动，模型底面限制垂直方向移动。
　　根据计算对象的形状用单元和区域构成相应的网格。每个单元在外载和边界约束条件下，按照约定的线性或非线性应力—应变关系产生力学响应，特别适合分析材料达到屈服极限后产生的塑性流动。由于FLAC程序主要是为岩土工程应用而开发的岩石力学计算程序，程序中包括了反映岩土材料力学效应的特殊计算功能，可解算岩土类材料的高度非线性(包括应变硬化/软化)、不可逆剪切破坏和压密、粘弹(蠕变)、孔隙介质的固—流耦合、热—力耦合以及动力学行为等。
暗挖工程岩性分布图
　　另外，在本次计算中程序设有界面单元，可以模拟断层、节理和摩擦边界的滑动、张开和闭合行为。支护结构，如砌衬、锚杆、可缩性支架或板壳等与围岩的相互作用也可以在FLAC中进行模拟。同时，创建自己的本构模型，进行莫尔-库伦特殊修正和补充。
　　隧道建模命令流入下：
　　gen zon radcyl p0 0 0 0 p1 9.0 0 0 p2 0 50 0 p3 0 0 8 &
　　size 4 20 6 4 dim 6 5 6 5 rat 1 1 1 1 group 围岩
　　gen zon cshell p0 0 0 0 p1 6.0 0 0 p2 0 50 0 p3 0 0 5.0 &
　　size 4 20 6 4 dim 5.6 4.6 5.6 4.6 rat 1 1 1 1 group 初期支护
　　gen zon cshell p0 0 0 0 p1 5.6 0 0 p2 0 50 0 p3 0 0 4.6 &
　　size 4 20 6 4 dim 5.0 4.0 5.0 4.0 rat 1 1 1 1 group 二次衬砌 fill group 原岩
　　gen zon radcyl p0 0 0 0 p1 0 0 -8.0 p2 0 50 0 p3 9.0 0 0 &
　　size 4 20 6 4 dim 3 6 3 6 rat 1 1 1 1 group 围岩2
　　gen zon cshell p0 0 0 0 p1 0 0 -3.0 p2 0 50 0 p3 6.0 0 0 &
　　size 4 20 6 4 dim 2.6 5.6 2.6 5.6 rat 1 1 1 1 group 仰拱初期支护
　　gen zon cshell p0 0 0 0 p1 0 0 -2.6 p2 0 50 0 p3 5.6 0 0 &
　　size 4 20 6 4 dim 2 5 2 5 rat 1 1 1 1 group 仰拱二次衬砌 fill group 仰拱原岩
　　gen zone reflect normal -1 0 0
　　gen zone radtun p0 0 0 0 p1 45 0 0 p2 0 50 0 p3 0 0 20 &
　　size 3 20 3 12 dim 9 8 9 8 rat 1 1 1 1.1 group 围岩3
　　gen zon reflect dip 0 ori 0 0 0 range x 0 9 y 0 50 z 8 20
　　gen zon reflect dip 0 ori 0 0 0 range x 9 45 y 0 50 z 0 20
　　gen zon reflect dip 90 dd 270 ori 0 0 0 range x 0 9 y 0 50 z 8 20
　　gen zon reflect dip 90 dd 270 ori 0 0 0 range x 0 9 y 0 50 z -8 -20
　　gen zon reflect dip 90 dd 270 ori 0 0 0 range x 9 45 y 0 50 z -20 20
　　gen zon brick p0 -45 0 -20 p1 -45 0 -40 p2 -45 50 -20 p3 45 0 -20 &
　　size 5 20 6 rat 1.1 1 1 group 围岩4
　　三、Mohr-Coulomb(莫尔-库伦)塑性模型修正补充
　　Mohr-Coulomb模型通常用于描述土体和岩石的剪切破坏。模型的破坏包络线和Mohr-Coulomb强度准则(剪切屈服函数)以及拉破坏准则(拉屈服函数)相对应。假设围岩岩体符合mohr-coulomb本构模型，给围岩赋参数命令流如下，
　　model mohr
　　def derive
　　s_mod1=E_mod1/(2.0*(1.0+p_ratio1))
　　b_mod1=E_mod1/(3.0*(1.0-2.0*p_ratio1))
　　s_mod2=E_mod2/(2.0*(1.0+p_ratio2))
　　b_mod2=E_mod2/(3.0*(1.0-2.0*p_ratio2))
　　set E_mod1=0.6e9 p_ratio1=0.27 E_mod2=0.8e9 p_ratio2=0.26
　　derive
　　prop bulk b_mod1 shear s_mod1 cohe 1.8e6 tens 0.8e6 fric 30 range z 4.5 20
　　prop bulk b_mod2 shear s_mod2 cohe 2.8e6 tens 1.0e6 fric 35 range z -40 4.5
　　ini dens=2300
　　set grav 0 0 -10
　　apply szz -1.4e6 range z 19.9 20.1
　　fix z range z -40.1 -39.1
　　fix x range x -45.1 -44.9
　　fix x range x 44.9 45.1
　　fix y range y 49.9 50.1
　　hist unbal
　　hist gp xdis 6.0,0,0
　　hist gp zdis 0,0,5
　　hist gp xdis 6.0,50,0
　　hist gp zdis 0,50,5
　　(1)增量弹性修正
　　FLAC程序运行Mohr-Coulomb模型的过程中，用到了主应力 、 和 ，以及平面外应力 。主应力和主应力的方向可以通过应力张量分量得出，对应的主应变增量 、 和 分解如下：
　　公式中，上标e和p分别指代弹性部分和塑性部分，且在弹性变形阶段，塑性应变不为零。根据主应力和主应变，胡克定律的增量表达式如下：
　　公式中， 。
　　(2)屈服函数补充
　　根据公式的排序，破坏准则在平面 中进行了描述，如图2。
　　由Mohr-Coulomb屈服函数可以得到点A到点B的破坏包络线为：
　　B点到C点的拉破坏函数如下：
　　公式中， ——内摩擦角；
　　c——粘聚力；——抗拉强度。
Mohr-Coulomb强度准则
　　对计算而言，模型建立时岩体在开挖前认为位移已经终了，因此需要对位移进行“清零”，而应力可以保留。假设隧道先开挖上断面，中间不设支护，直到进尺，那么此时位移和应力的分布情况可用如下命令流
　　ini xdis=0 ydis=0 zdis=0
　　model null range group 原岩
　　model null range group 二次衬砌
　　model null range group 初期支护
　　set large
　　在开挖后适时对隧道进行锚喷混凝土初期支护，该命令流如下：
　　ini xdis=0 ydis=0 zdis=0
　　model null range group 初期支护
　　model null range group 二次衬砌
　　model null range group 原岩
　　hist unbal
　　mo el range group 初期支护
　　prop bulk 1.33e9 shear 0.8e9 cohe 2.2e6 tens 1.2e6 fric 32 range z 4.5 7.0 x -7.0 7.0
　　prop bulk 10.9e9 shear 8.9e9 dens 2500 range group 初期支护
　　四、数值模拟计算结果分析
　　图3、图4给出了工程开挖后的位移场。
开挖后隧道垂直位移场
开挖后隧道水平位移场
　　从图中可以看出，开挖引起的地面最大位移为17.47mm，在隧道一侧的地表下沉影响宽度为8m左右，隧道顶部沉降量为10.52mm。
　　五、结论
　　通过以上计算分析，可以得出以下结论：
　　（1）整个隧道的垂直位移场和水平位移场的分布是合理的，引起的路面沉降量也在合理的范围以内，因此采用标号C25的混凝土衬砌以及注浆加固部分土体可以满足工程的稳定性需要。
　　（2）通过开挖支护模拟，可以动态地观察隧道围岩在开挖过程中竖直位移及剪应变等的变化情况，从而可以实现对隧道开挖过程的全局动态模拟。
　　（3）由不同开挖与支护的位移等值线图可以知道，适时采用支护，可以有效减小拱顶沉降和底面卸荷回弹等现象，这说明了隧道开挖中支护的重要性。
　　（4）适时采用注浆支护可以有效地减少剪应力。
　　资料链接：
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　　[2]刘估荣、唐辉明，岩体力学[M]，武汉：中国地质大学出版社，
　　[3] 唐辉明,晏鄂川,胡新丽.工程地质数值模拟的理论与方法[M]，中国地质大学出版社.2001.
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基于FLAC3D的煤柱回收方案研究
优质期刊推荐FLAC~(3D)模拟采动岩体渗流规律--《湖南科技大学学报(自然科学版)》2006年03期
FLAC~(3D)模拟采动岩体渗流规律
【摘要】：为从根本上研究煤层开采工程中因顶板冒落、放顶垮落造成的顶板突水通道的变化规律,首次运用FLAC3D数值软件的应力-渗流耦合系统,结合工程实践,系统分析了采动岩体的渗流矢量、渗流速度、孔隙压力及导水边界线动态发展的普遍规律和分布特征,进行了顶板突水危险区域的识别,得出了一些对防治采场顶板突水有益的结论,可为煤矿顶板突水防治提供理论依据.数值模拟结果表明采动岩体渗流通道的发展明显受煤层开采的影响,且当主关键层破断时,采场最易发生顶板突水事故.在此基础上,将采场的渗流动态变化特征与采动岩体的破断、运动规律结合分析,给出了采场顶板破断及破断岩块再组合压实过程中渗流裂隙的扩展、闭合普遍演化过程.如果水源
【作者单位】：
【基金】：
【分类号】：TD745
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