FLAC3D计算隧道作业

在某Ⅳ级围岩中开挖一半圆拱直墙形隧道，隧道跨度10m，边墙高5m，隧道埋深500m，假设围岩为理想弹塑性材料，请采用有限元或有限差分方法分析以下问题：（1）自重应力场作用下隧道开挖后的拱顶下沉和边墙水平收敛大小以及围岩中的塑性区大小。

（2）若侧压系数为0.5—2.5，请分析构造应力对隧道拱顶下沉、边墙水平收敛大小以及塑性区的影响。

（3）若开挖后采用锚喷支护，在隧道拱部和边墙布设系统锚杆，锚杆为全长锚固的金属锚杆，垂直于洞壁布设，间距1.5m，长度3.0m，直径25mm。喷射混凝土厚度100mm，标号为C20，请分析支护效果。

本题采用FLAC3D软件建模计算分析

隧道未开挖时的立体模型隧道开挖后的立体模型

第一步，建模

由于隧道的半径为5m，根据经验取6倍的隧道半径为围岩影响区，所以取30m 为边界，划分网格的边长为0.5m ，本题只分析x-z平面上的受力及位移情况即可，建模命令流如下：

new ;建立模型

gen zone radcyl p0 0 0 0 p1 30 0 0 p2 0 1 0 p3 0 0 30 size 10 1 10 30 dim 5 5 5 5 ratio 1 1 1 1 group outsiderock ;右上圆形部分围岩

gen zone cshell p0 0 0 0 p1 5 0 0 p2 0 1 0 p3 0 0 5 size 1 1 10 10 dim 4.9 4.9 4.9 4.9 rat 1 1 1 1 group concretliner fill group insiderock ;右上半圆衬砌

gen zone radtun p0 0 0 0 p1 0 0 -30 p2 0 1 0 p3 30 0 0 size 10 1 10 30 dim 5 5 5 5 ratio 1 1 1 1 group outsiderock ;右下矩形部分围岩

gen zone radtun p0 0 0 0 p1 0 0 -5 p2 0 1 0 p3 5 0 0 size 10 1 10 1 dim 4.9 4.9 4.9 4.9 ratio 1 1 1 1 group concretliner ;右下矩形部分衬砌

gen zone brick p0 0 0 -4.9 p1 add 4.9 0 0 p2 add 0 1 0 p3 add 0 0 4.9 size 10 1 10 ratio 1 1 1 1 group insiderock ;隧道内部

gen zon reflect dip 90 dd 90 orig 0 0 0 ;关于z轴对称

plot block group

plot add axes black

save jianmo.sav

（1）自重应力场作用下隧道开挖后的拱顶下沉和边墙水平收敛大小以及围岩中的塑性区大小。

围岩选用M-C模型，参数的选取：

岩体密度（kg/m3）= 2200, 重力加速度（kg/N）=10, 体积模量(Pa)=5e10，剪切模量(Pa)= 1.1e10，摩擦角=30o，粘聚力（N）= 1.8e7，抗拉强度（N/m2）=1e7。在Z=30m平面处施加的应力为γh=22000×(500-30)=10.34 e6N/m2。

命令流如下；

;边界条件

fix z range z -30.01 -29.99

fix x range x -30.01 -29.99

fix x range x 29.99 30.01

fix y range y -0.01 0.01

fix y range y 0.99 1.01

apply szz -10.34e6 range z 29.99 30.01 ;设置初始应力状态

model mohr

set gravity 0 0 -10 ;设置重力

ini density 2200 ;围岩的密度

prop bulk=5e10 shear=1.1e10 fric=30 coh=0.18e7 ten=1e7

;体积模量、剪切模量、摩擦角、粘聚力、抗拉强度

set mech ratio=1e-4

plot block state

solve ;求解自重应力场

save Gravsol.sav

plot block group

plot add axes red

;毛洞开挖计算

initial xdisp=0 ydisp=0 zdisp=0

model null range group insiderock any group concretliner any

set mech ratio=1e-4

hist unb

hist gp zdisp 0 0 5

hist gp xdisp 5 0 -2

plot block state

solve ;

save maodong0.0.sav

计算结果如下图所示：

未开挖时的隧道开挖后毛洞塑性区

开挖毛洞后z方向上的位移云图开挖毛洞后x方向的位移云图

开挖毛洞后Z方向的位移曲线开挖毛洞后X方向的位移曲线

开挖毛洞后z方向的应力开挖毛洞后x方向的应力可以看到开挖毛洞后未支护的情况下，拱顶下沉 4.775mm，边墙水平收敛2.996mm，围岩塑性区如上图所示。

（2）当侧压力系数为0.5—2.5时的影响

侧压力系数为0.5时，命令流如下：

model mohr

set gravity 0 0 -10 ;设置重力

ini density 2200 ;围岩的密度

prop bulk=5e10 shear=1.1e10 fric=30 coh=0.18e7 ten=1e7

;体积模量、剪切模量、摩擦角、粘聚力、抗拉强度

ini szz -11e6 grad 0 0 22000 ;设置初始应力状态

ini sxx -5.5e6 grad 0 0 11000

ini syy -5.5e6 grad 0 0 11000

;给定边界条件

fix x range x -30.01 -29.99

fix x range x 29.99 30.01

fix y range y -0.01 0.01

fix y range y 0.99 1.01

fix z range z -30.01 -29.99

fix z range z 29.99 30.01

plot block group

plot add axes red

;毛洞开挖计算

model null range group insiderock any group concretliner any

set mech ratio=1e-4

hist unb

hist gp zdisp 0 0 5

hist gp xdisp 5 0 -2

plot block state

solve ;

save maodong0.5.sav

不同的侧压力系数的命令流，只需修改不同的初始应力状态的命令即可，在此对侧压力系数分别为1.0 , 1.5 , 2.0 , 2.5的情况，不再重复添加命令流。