FLAC-数值模拟分析

1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540m，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50ｏ～70ｏ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505～512m，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2-2SVc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42×4mm注浆小导管超前预加固围岩，长4.5m，环向间距35cm，搭接长度1.3m，斜插角10ｏ～15ｏ，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75cm，每榀钢拱架之间采用φ22钢筋连接，环形间距1.0m；锚杆采用D25中空注浆锚杆，长3.5m，间距75cm（纵）×100cm（环），与钢拱架交错布置；喷C25早强混凝土26cm。二次衬砌和仰拱均为C30钢筋混凝土结构，厚50cm。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。FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep17407ModelPerspective15:44:44MonDec052011Center:X:3.000e+001Y:3.000e+001Z:1.000e+001Rotation:X:0.000Y:0.000Z:50.000Dist:4.171e+002Mag.:0.64Ang.:22.500SurfaceMagfac=0.000e+000AxesLinestyleXYZ图2-3计算模型I示意图x、y、z各方向的长度分别为60m、60m和140m。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120m、60m和140m。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。FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep20000ModelPerspective15:42:52MonDec052011Center:X:1.332e+001Y:3.882e+001Z:1.000e+001Rotation:X:0.000Y:0.000Z:40.000Dist:4.371e+002Mag.:0.64Ang.:22.500SurfaceMagfac=0.000e+000AxesLinestyleXYZ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540m。此处假设隧道埋深为500m，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z=2650×9.8×420=10.91MPa。地应力平衡后，模型底部垂直向应力z=2650×9.8×560=14.54MPa，隧道中心垂直向应力z=2650×9.8×500=12.99MPa现按照上述方法进行平衡，得到的竖向应力云图如图2-5及图2-6所示。FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep17407ModelPerspective18:51:01MonDec052011Center:X:3.000e+001Y:3.000e+001Z:1.000e+001Rotation:X:0.000Y:0.000Z:40.000Dist:4.171e+002Mag.:1Ang.:22.500ContourofSZZMagfac=0.000e+000GradientCalculation-1.3537e+007to-1.3500e+007-1.3500e+007to-1.3000e+007-1.3000e+007to-1.2500e+007-1.2500e+007to-1.2000e+007-1.2000e+007to-1.1500e+007-1.1500e+007to-1.1000e+007-1.1000e+007to-1.0500e+007-1.0500e+007to-1.0000e+007-1.0000e+007to-1.0000e+007Interval=5.0e+005FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep17407ModelPerspective18:51:01MonDec052011Center:X:3.000e+001Y:3.000e+001Z:1.000e+001Rotation:X:0.000Y:0.000Z:40.000Dist:4.171e+002Mag.:1Ang.:22.500ContourofSZZMagfac=0.000e+000GradientCalculation-1.3537e+007to-1.3500e+007-1.3500e+007to-1.3000e+007-1.3000e+007to-1.2500e+007-1.2500e+007to-1.2000e+007-1.2000e+007to-1.1500e+007-1.1500e+007to-1.1000e+007-1.1000e+007to-1.0500e+007-1.0500e+007to-1.0000e+007-1.0000e+007to-1.0000e+007Interval=5.0e+005FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep17407ModelPerspective18:51:01MonDec052011Center:X:3.000e+001Y:3.000e+001Z:1.000e+001Rotation:X:0.000Y:0.000Z:40.000Dist:4.171e+002Mag.:1Ang.:22.500ContourofSZZMagfac=0.000e+000GradientCalculation-1.3537e+007to-1.3500e+007-1.3500e+007to-1.3000e+007-1.3000e+007to-1.2500e+007-1.2500e+007to-1.2000e+007-1.2000e+007to-1.1500e+007-1.1500e+007to-1.1000e+007-1.1000e+007to-1.0500e+007-1.0500e+007to-1.0000e+007-1.0000e+007to-1.0000e+007Interval=5.0e+005FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep17407ModelPerspective18:51:01MonDec052011Center:X:3.000e+001Y:3.000e+001Z:1.000e+001Rotation:X:0.000Y:0.000Z:40.000Dist:4.171e+002Mag.:1Ang.:22.500ContourofSZZMagfac=0.000e+000GradientCalculation-1.3537e+007to-1.3500e+007-1.3500e+007to-1.3000e+007-1.3000e+007to-1.2500e+007-1.2500e+007to-1.2000e+007-1.2000e+007to-1.1500e+007-1.1500e+007to-1.1000e+007-1.1000e+007to-1.0500e+007-1.0500e+007to-1.0000e+007-1.0000e+007to-1.0000e+007Interval=5.0e+005图2-5模型Ⅰ平衡地应力后垂直向应力分布云图（单位：Pa）FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep20000ModelPerspective18:57:44MonDec052011Center:X:1.332e+001Y:3.882e+001Z:1.000e+001Rotation:X:0.000Y:0.000Z:40.000Dist:4.371e+002Mag.:1Ang.:22.500ContourofSZZMagfac=0.000e+000GradientCalculation-1.4403e+007to-1.4000e+007-1.4000e+007to-1.3500e+007-1.3500e+007to-1.3000e+007-1.3000e+007to-1.2500e+007-1.2500e+007to-1.2000e+007-1.2000e+007to-1.1500e+007-1.1500e+007to-1.1000e+007-1.1000e+007to-1.0500e+007-1.0500e+007to-1.0092e+007Interval=5.0e+005FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep20000ModelPerspective18:57:44MonDec052011Center:X:1.332e+001Y:3.882e+001Z:1.000e+001Rotation:X:0.000Y:0.000Z:40.000Dist:4.371e+002Mag.:1Ang.:22.500ContourofSZZMagfac=0.000e+000GradientCalculation-1.4403e+007to-1.4000e+007-1.4000e+007to-1.3500e+007-1.3500e+007to-1.3000e+007-1.3000e+007to-1.2500e+007-1.2500e+007to-1.2000e+007-1.2000e+007to-1.1500e+007-1.1500e+007to-1.1000e+007-1.1000e+007to-1.0500e+007-1.05