FLAC数值模拟分析

1工程概况

研究此段为中条山隧道K9+45旷K10+560段，此处隧道最大埋深约540 m, 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50。〜700

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FLAC D进行模拟的区段均取洞身YK10+10〜YK10+180段。该区段为V级围岩区域，埋深为505〜512 m，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2-2 SVc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

x 4 mm注浆小导管超前预加固围岩，长m，环向间距35 cm，搭接长度m，斜

插角10〜15 ,每环37根；初衬以喷、锚、网为主要支护手段：钢拱架为 120a

型钢，纵向间距75 cm ,每榀钢拱架之间采用© 22钢筋连接，环形间距 m ;锚 杆采用D25中空注浆锚杆，长 m ,间距75 cm （纵）X 100 cm （环）,与钢拱架 交错布置；喷C25早强混凝土 26 cm 。二次衬砌和仰拱均为C30钢筋混凝土结构， 厚 50 cm 。 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+10C 〜YK10+160段采用大型有限差分软件FLAC D 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

x 、y 、z 各方向的长度分别为60 m 、60 m 和140 m 。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

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

图2-3 计算模型I 示意图

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120 m、60 m和140 m。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。

图2-4计算模型II示意图

FLAC D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级围岩均采用摩尔一库伦材料，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FLAC D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 o

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540 m o此处假设隧道

埋深为500 m,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 = 2650XX 420 =o地应力平衡后，模型底部垂

F LA C 3D 3.00

Step 17407 Model Perspective 18:51:01 Mon Dec 05 2011

Center: Rotation:

直向应力z* 32650001X 56) =0。隧道中心垂直向应力z = 2650XX 500 =现按照上Y: 3.000e+001 Y: 0.000

述方法进行平衡，得到的竖向应力云图如图

及图2-6所示。

Ang.: 22.500

Con tour of SZZ

Magfac = 0.000e+000 Gradient Calculation

-1.3537e+007 to -1.3500e+007 -1.3500e+007 to -1.3000e+007 -1.3000e+007 to -1.2500e+007 -1.2500e+007 to -

1.2000e+007 -1.2000e+007 to -1.1500e+007 -1.1500e+007 to -1.1000e+007 -1.1000e+007 to -1.0500e+007 -

1.0500e+007 to -1.0000e+007

-1.0000e+007 to -1.0000e+007

Interval = 5.0e+005

Itasca Consulting Group, Inc. Minneapolis, MN USA

图2-5 模型I平衡地应力后垂直向应力分布云图（单位:

Pa)

Step 20000 Model Perspective 18:57:44 Mon Dec 05 20l1 图2-6 模型n 平衡地应力后垂直向应力分布云图（单位：

Pa ）

隧道开挖进尺为 2 m 。纵向每个网格长为 2 m 。纵向有

30个网格，即不论哪 种工法，开挖到30步时，隧道模型即贯穿。

表2-1材料参数汇总表

材料

密度

弹性模量 ［（GPa ）］

泊松比

内摩擦角 （° ）

黏聚力（MPa ）

(kg/m 3

)

V 级围岩

2650

5

38

初衬

二次衬砌

2500

30

系统锚杆 2479

锁脚锚杆「

2549

超前导管

2549

对于初期支护中钢拱架和钢筋网的支护作用采用等效方法计算， 即将钢拱架 和钢筋网的弹性模量折算给混凝土，其计算方法为：

式中：

E 折算后的混凝土弹性模量（Pa ）;

Center:

X: 1.332e+001 Y: 3.882e+001 Z: 1.000e+001 Dist: 4.371e+002

Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 40.000 Mag.: 1 Ang.: 22.500

Con tour of SZZ

Magfac =

O.OOOe+OOO

Gradient Calculation 1.4403e+007 to -1.4000e+0(

1.4OOOe+OO7 to -1.3500e+0(

1.3500e+007 to -1.3000e+0C 1.3000e+007 to -1.2500e+0(

1.2500e+007 to -1.2000e+00

1.2000e+007 to -

E E O

A c

(2-1)

J — !■

!!

li

Interval = 5.0e+005