排洪隧道开挖前后受力变化及支护方案研究

赵永清

摘 要：以北衙万硐山矿段东山河排洪隧道开挖设计及支护方案为工程背景，采用数值模拟计算的方法，着重分析排洪隧道开挖前后及支护后隧道稳定性。ansys进行建模，导入FLAC3D对隧道支护前后两种工况进行了数值模拟计算，计算结果表明：不支护情况下巷道围岩位移较大、拉应力大于围岩内聚力；支护后有效抑制了巷道围岩位移，减小了拉应力，提高了巷道整体稳定性。

关键词：隧道；稳定性；支护；数值分析

前言

FLAC3D程序是FLAC二维计算程序在三维空间的扩展，用于模拟三维土体、岩体或其它材料体力学特性，广泛应用于边坡稳定性评价、支护设计及评价、隧道工程、矿山工程等[1-2]多个领域。所以使用FLAC3D程序对东山河排洪隧道进行开挖前后进行受力分析，根据分析结果确定是否支护以及支护方案是否可行，其结果是相对可靠的。

1 工程概况

东山河是万硐山矿段内一条自西南向东北方向径流的季节性河流，河谷宽2～4m，深0.5～1m左右，雨季汇集地表水，旱季干涸断流。因万硐山矿段开采境界的扩大，曾对东山河进行过两次改道，以钢筋混凝土进行支护。因万硐山矿段露采终了境界的需要，须对东山河进行第三次改道，本次改道采用明渠、排洪隧道、暗涵联合排水的方式，排洪隧道总长569m，坡度2%。因东山河关系到北衙村灌溉用水，其服务年限较长，必须对排洪隧道稳定性进行分析，确保排洪隧道支护的稳定。

根据《云南省鹤庆县北衙铁金矿资源储量核实地质报告》矿区工程地质分区表，排洪隧道位于松散沉积物区，主要为粘土、粉质粘土，含少量砾砂以及残坡堆积物组成，属松散岩类岩组，结构疏松，稳定性差。根据地形地质图，隧道围岩以粘土岩为主，局部有灰色灰质角砾岩。查《矿区岩石物理力学试验成果统计表》得粘土岩与灰质角砾岩物理性质与力学性质如下（见表1、表2）。

从物理性质指标及力学性质指标上分析，灰质角砾岩从强度到稳定性上远高于粘土岩，加之研究区域主要为粘土岩，灰质角砾岩具体空间分布尚不明确，所以此次建模山体采用库尔库伦模型，山体结构为粘土岩，物理力学性质指标取平均值。建模软件为ANSYS。

2 支护方案

鉴于排洪隧道围岩以粘土为主，围岩整体性很差，无法以锚杆等支护手段进行支护，设计采用钢筋混凝土支护，钢筋混凝土强度C20，支护厚度400mm，采用φ18mm钢筋支护，纵横筋配筋网度@400×200mm，钢筋保护层厚度35mm。具体结构见图2，物理力学参数见表3。

3 数值模拟计算结果及分析

因粘土岩结块性较强，不存在断层，其应力分布主要受岩体自重影响，同标高层位受力较为均匀。

3.1 无支护情况

考虑巷道开挖后不支护时巷道稳定性，模拟其应力分布情况及位移情况。

3.1.1 应力场分布特征

隧道开挖后，在不支护的情况下，根据FLAC3D程序分析，该模型最大主应力及最小主应力分布图如图3、图4。

图3 无支护最大主应力图

图4 无支护最小主应力图

由图3可以看出，压应力由巷道外侧逐渐向临空面增大，最大压应力集中在隧道左右两侧临空面为2.83MPa。由图4可以看出，在巷道顶板和底板出现拉应力，顶板最大拉应力为0.1MPa，底板最大拉应力为0.13MPa。根据表2，粘土岩最大抗压强度为1.9MPa，抗拉强度为0.1MPa，可以断定，巷道墙脚出现受压破坏（片帮），巷道顶底板出现受拉破坏（顶板沉降、底板底鼓）。

3.1.2 位移场分布特征

巷道开挖后位移矢量图如图5，其最大位移矢量位于巷道底板中央，其最大位移为11.8mm，这说明巷道的位移主要与地应力分布有关。由于粘土岩整体性差，不能支撑巷道顶底板围岩，致使巷道顶部粘土岩下沉、底部粘土岩底鼓，严重影响了巷道稳定性，应对巷道进行支护，抑制其变形，提高稳定性。

图5 无支护总位移矢量图

3.2 支护工况下

考虑巷道支护后巷道稳定性，模拟其应力分布情况及位移情况。

3.2.1 应力场分布特征

图3为巷道开挖无支护工况下最大主应力图，从图3中可知，无支护工况下巷道周边围岩的最大主应力为-2.83MPa；从图5 巷道开挖后无支护工况下围岩的最小主应力图可知巷道围岩由无支护工况下的拉应力0.13MPa减少到锚喷网支护工况后最大拉应力为0-0.1MPa（见图7），支护后应力集中程度下降，分布比无支护状态均匀，巷道边缘无拉应力集中，因在巷道边缘形成压应力锚固圈，从力学机制上改善了岩体的受力状态，提高了围岩的承载能力，对保持巷道稳定性十分有利。图6为巷道开挖后钢筋混凝土支护工况下最大主应力图，从图6中可知，钢筋混凝土支护后巷道围岩的最大主应力为-2.32MPa， 由图6还可看出巷道边缘应力分布较为均匀，无压应力集中现象，而钢筋混凝土支护结构抗压强度为20MPa，完全能承受巷道周围的压应力，可见采用钢筋混凝土支护可更有效的防止巷道内松散岩体的冒落。

图6 支护后最大主应力图

图7 支护后最小主应力图

3.2.2 位移场分布特征

图8为巷道开挖后即采用锚喷网支护后的围岩位移矢量图，与图5无支护时相比较看出，钢筋混凝土支护下的巷道围岩的位移减少，由11.8mm减少到1mm，为未支护前的8.47%。并对底板受拉应力集中影响的岩体进行加固，有效地防止了底鼓现象出现。从图8中拱顶、拱底位移量也可以发现巷道开挖进行了支护后，巷道拱顶、拱底的位移趋于一个稳定值，变形不再增长，表明巷道开挖，对其进行了有效支护，拱顶、拱底位移趋于一个恒定值，巷道稳定了。

图8 支护后总位移矢量图

4 结束语

采用FLAC3D软件对东山河改道方案排洪隧道稳定性进行数值模拟分析，分别分析了巷道开挖后不支护与采用钢筋混凝土支护两种工况的应力水平和位移场变化情况。得出以下结论：

（1）粘土岩抗压强度、抗拉强度过小，整体性较差，在不支护的情况下隧道无法保持稳定，拉应力主要集中在隧道底板中央，最大位移位置与拉应力集中区域相同。

（2）采用钢筋混凝土支护后，隧道边缘应力分布较为均匀，无压应力集中现象，隧道拱顶、拱底位移大幅减小，隧道稳定性大为提高。

参考文献

[1]朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].北京：中国水利电力出版社，1998.

[2]赵伟封.有限-边界元法在桩基工程计算中的应用[J].东北公路，2000，23（4）：80-83.

摘 要：以北衙万硐山矿段东山河排洪隧道开挖设计及支护方案为工程背景，采用数值模拟计算的方法，着重分析排洪隧道开挖前后及支护后隧道稳定性。ansys进行建模，导入FLAC3D对隧道支护前后两种工况进行了数值模拟计算，计算结果表明：不支护情况下巷道围岩位移较大、拉应力大于围岩内聚力；支护后有效抑制了巷道围岩位移，减小了拉应力，提高了巷道整体稳定性。

关键词：隧道；稳定性；支护；数值分析

前言

FLAC3D程序是FLAC二维计算程序在三维空间的扩展，用于模拟三维土体、岩体或其它材料体力学特性，广泛应用于边坡稳定性评价、支护设计及评价、隧道工程、矿山工程等[1-2]多个领域。所以使用FLAC3D程序对东山河排洪隧道进行开挖前后进行受力分析，根据分析结果确定是否支护以及支护方案是否可行，其结果是相对可靠的。

1 工程概况

东山河是万硐山矿段内一条自西南向东北方向径流的季节性河流，河谷宽2～4m，深0.5～1m左右，雨季汇集地表水，旱季干涸断流。因万硐山矿段开采境界的扩大，曾对东山河进行过两次改道，以钢筋混凝土进行支护。因万硐山矿段露采终了境界的需要，须对东山河进行第三次改道，本次改道采用明渠、排洪隧道、暗涵联合排水的方式，排洪隧道总长569m，坡度2%。因东山河关系到北衙村灌溉用水，其服务年限较长，必须对排洪隧道稳定性进行分析，确保排洪隧道支护的稳定。

根据《云南省鹤庆县北衙铁金矿资源储量核实地质报告》矿区工程地质分区表，排洪隧道位于松散沉积物区，主要为粘土、粉质粘土，含少量砾砂以及残坡堆积物组成，属松散岩类岩组，结构疏松，稳定性差。根据地形地质图，隧道围岩以粘土岩为主，局部有灰色灰质角砾岩。查《矿区岩石物理力学试验成果统计表》得粘土岩与灰质角砾岩物理性质与力学性质如下（见表1、表2）。

从物理性质指标及力学性质指标上分析，灰质角砾岩从强度到稳定性上远高于粘土岩，加之研究区域主要为粘土岩，灰质角砾岩具体空间分布尚不明确，所以此次建模山体采用库尔库伦模型，山体结构为粘土岩，物理力学性质指标取平均值。建模软件为ANSYS。

2 支护方案

鉴于排洪隧道围岩以粘土为主，围岩整体性很差，无法以锚杆等支护手段进行支护，设计采用钢筋混凝土支护，钢筋混凝土强度C20，支护厚度400mm，采用φ18mm钢筋支护，纵横筋配筋网度@400×200mm，钢筋保护层厚度35mm。具体结构见图2，物理力学参数见表3。

3 数值模拟计算结果及分析

因粘土岩结块性较强，不存在断层，其应力分布主要受岩体自重影响，同标高层位受力较为均匀。

3.1 无支护情况

考虑巷道开挖后不支护时巷道稳定性，模拟其应力分布情况及位移情况。

3.1.1 应力场分布特征

隧道开挖后，在不支护的情况下，根据FLAC3D程序分析，该模型最大主应力及最小主应力分布图如图3、图4。

图3 无支护最大主应力图

图4 无支护最小主应力图

由图3可以看出，压应力由巷道外侧逐渐向临空面增大，最大压应力集中在隧道左右两侧临空面为2.83MPa。由图4可以看出，在巷道顶板和底板出现拉应力，顶板最大拉应力为0.1MPa，底板最大拉应力为0.13MPa。根据表2，粘土岩最大抗压强度为1.9MPa，抗拉强度为0.1MPa，可以断定，巷道墙脚出现受压破坏（片帮），巷道顶底板出现受拉破坏（顶板沉降、底板底鼓）。

3.1.2 位移场分布特征

巷道开挖后位移矢量图如图5，其最大位移矢量位于巷道底板中央，其最大位移为11.8mm，这说明巷道的位移主要与地应力分布有关。由于粘土岩整体性差，不能支撑巷道顶底板围岩，致使巷道顶部粘土岩下沉、底部粘土岩底鼓，严重影响了巷道稳定性，应对巷道进行支护，抑制其变形，提高稳定性。

图5 无支护总位移矢量图

3.2 支护工况下

考虑巷道支护后巷道稳定性，模拟其应力分布情况及位移情况。

3.2.1 应力场分布特征

图3为巷道开挖无支护工况下最大主应力图，从图3中可知，无支护工况下巷道周边围岩的最大主应力为-2.83MPa；从图5 巷道开挖后无支护工况下围岩的最小主应力图可知巷道围岩由无支护工况下的拉应力0.13MPa减少到锚喷网支护工况后最大拉应力为0-0.1MPa（见图7），支护后应力集中程度下降，分布比无支护状态均匀，巷道边缘无拉应力集中，因在巷道边缘形成压应力锚固圈，从力学机制上改善了岩体的受力状态，提高了围岩的承载能力，对保持巷道稳定性十分有利。图6为巷道开挖后钢筋混凝土支护工况下最大主应力图，从图6中可知，钢筋混凝土支护后巷道围岩的最大主应力为-2.32MPa， 由图6还可看出巷道边缘应力分布较为均匀，无压应力集中现象，而钢筋混凝土支护结构抗压强度为20MPa，完全能承受巷道周围的压应力，可见采用钢筋混凝土支护可更有效的防止巷道内松散岩体的冒落。

图6 支护后最大主应力图

图7 支护后最小主应力图

3.2.2 位移场分布特征

图8为巷道开挖后即采用锚喷网支护后的围岩位移矢量图，与图5无支护时相比较看出，钢筋混凝土支护下的巷道围岩的位移减少，由11.8mm减少到1mm，为未支护前的8.47%。并对底板受拉应力集中影响的岩体进行加固，有效地防止了底鼓现象出现。从图8中拱顶、拱底位移量也可以发现巷道开挖进行了支护后，巷道拱顶、拱底的位移趋于一个稳定值，变形不再增长，表明巷道开挖，对其进行了有效支护，拱顶、拱底位移趋于一个恒定值，巷道稳定了。

图8 支护后总位移矢量图

4 结束语

采用FLAC3D软件对东山河改道方案排洪隧道稳定性进行数值模拟分析，分别分析了巷道开挖后不支护与采用钢筋混凝土支护两种工况的应力水平和位移场变化情况。得出以下结论：

（1）粘土岩抗压强度、抗拉强度过小，整体性较差，在不支护的情况下隧道无法保持稳定，拉应力主要集中在隧道底板中央，最大位移位置与拉应力集中区域相同。

（2）采用钢筋混凝土支护后，隧道边缘应力分布较为均匀，无压应力集中现象，隧道拱顶、拱底位移大幅减小，隧道稳定性大为提高。

参考文献

[1]朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].北京：中国水利电力出版社，1998.

[2]赵伟封.有限-边界元法在桩基工程计算中的应用[J].东北公路，2000，23（4）：80-83.

摘 要：以北衙万硐山矿段东山河排洪隧道开挖设计及支护方案为工程背景，采用数值模拟计算的方法，着重分析排洪隧道开挖前后及支护后隧道稳定性。ansys进行建模，导入FLAC3D对隧道支护前后两种工况进行了数值模拟计算，计算结果表明：不支护情况下巷道围岩位移较大、拉应力大于围岩内聚力；支护后有效抑制了巷道围岩位移，减小了拉应力，提高了巷道整体稳定性。

关键词：隧道；稳定性；支护；数值分析

前言

FLAC3D程序是FLAC二维计算程序在三维空间的扩展，用于模拟三维土体、岩体或其它材料体力学特性，广泛应用于边坡稳定性评价、支护设计及评价、隧道工程、矿山工程等[1-2]多个领域。所以使用FLAC3D程序对东山河排洪隧道进行开挖前后进行受力分析，根据分析结果确定是否支护以及支护方案是否可行，其结果是相对可靠的。

1 工程概况

东山河是万硐山矿段内一条自西南向东北方向径流的季节性河流，河谷宽2～4m，深0.5～1m左右，雨季汇集地表水，旱季干涸断流。因万硐山矿段开采境界的扩大，曾对东山河进行过两次改道，以钢筋混凝土进行支护。因万硐山矿段露采终了境界的需要，须对东山河进行第三次改道，本次改道采用明渠、排洪隧道、暗涵联合排水的方式，排洪隧道总长569m，坡度2%。因东山河关系到北衙村灌溉用水，其服务年限较长，必须对排洪隧道稳定性进行分析，确保排洪隧道支护的稳定。

根据《云南省鹤庆县北衙铁金矿资源储量核实地质报告》矿区工程地质分区表，排洪隧道位于松散沉积物区，主要为粘土、粉质粘土，含少量砾砂以及残坡堆积物组成，属松散岩类岩组，结构疏松，稳定性差。根据地形地质图，隧道围岩以粘土岩为主，局部有灰色灰质角砾岩。查《矿区岩石物理力学试验成果统计表》得粘土岩与灰质角砾岩物理性质与力学性质如下（见表1、表2）。

从物理性质指标及力学性质指标上分析，灰质角砾岩从强度到稳定性上远高于粘土岩，加之研究区域主要为粘土岩，灰质角砾岩具体空间分布尚不明确，所以此次建模山体采用库尔库伦模型，山体结构为粘土岩，物理力学性质指标取平均值。建模软件为ANSYS。

2 支护方案

鉴于排洪隧道围岩以粘土为主，围岩整体性很差，无法以锚杆等支护手段进行支护，设计采用钢筋混凝土支护，钢筋混凝土强度C20，支护厚度400mm，采用φ18mm钢筋支护，纵横筋配筋网度@400×200mm，钢筋保护层厚度35mm。具体结构见图2，物理力学参数见表3。

3 数值模拟计算结果及分析

因粘土岩结块性较强，不存在断层，其应力分布主要受岩体自重影响，同标高层位受力较为均匀。

3.1 无支护情况

考虑巷道开挖后不支护时巷道稳定性，模拟其应力分布情况及位移情况。

3.1.1 应力场分布特征

隧道开挖后，在不支护的情况下，根据FLAC3D程序分析，该模型最大主应力及最小主应力分布图如图3、图4。

图3 无支护最大主应力图

图4 无支护最小主应力图

由图3可以看出，压应力由巷道外侧逐渐向临空面增大，最大压应力集中在隧道左右两侧临空面为2.83MPa。由图4可以看出，在巷道顶板和底板出现拉应力，顶板最大拉应力为0.1MPa，底板最大拉应力为0.13MPa。根据表2，粘土岩最大抗压强度为1.9MPa，抗拉强度为0.1MPa，可以断定，巷道墙脚出现受压破坏（片帮），巷道顶底板出现受拉破坏（顶板沉降、底板底鼓）。

3.1.2 位移场分布特征

巷道开挖后位移矢量图如图5，其最大位移矢量位于巷道底板中央，其最大位移为11.8mm，这说明巷道的位移主要与地应力分布有关。由于粘土岩整体性差，不能支撑巷道顶底板围岩，致使巷道顶部粘土岩下沉、底部粘土岩底鼓，严重影响了巷道稳定性，应对巷道进行支护，抑制其变形，提高稳定性。

图5 无支护总位移矢量图

3.2 支护工况下

考虑巷道支护后巷道稳定性，模拟其应力分布情况及位移情况。

3.2.1 应力场分布特征

图3为巷道开挖无支护工况下最大主应力图，从图3中可知，无支护工况下巷道周边围岩的最大主应力为-2.83MPa；从图5 巷道开挖后无支护工况下围岩的最小主应力图可知巷道围岩由无支护工况下的拉应力0.13MPa减少到锚喷网支护工况后最大拉应力为0-0.1MPa（见图7），支护后应力集中程度下降，分布比无支护状态均匀，巷道边缘无拉应力集中，因在巷道边缘形成压应力锚固圈，从力学机制上改善了岩体的受力状态，提高了围岩的承载能力，对保持巷道稳定性十分有利。图6为巷道开挖后钢筋混凝土支护工况下最大主应力图，从图6中可知，钢筋混凝土支护后巷道围岩的最大主应力为-2.32MPa， 由图6还可看出巷道边缘应力分布较为均匀，无压应力集中现象，而钢筋混凝土支护结构抗压强度为20MPa，完全能承受巷道周围的压应力，可见采用钢筋混凝土支护可更有效的防止巷道内松散岩体的冒落。

图6 支护后最大主应力图

图7 支护后最小主应力图

3.2.2 位移场分布特征

图8为巷道开挖后即采用锚喷网支护后的围岩位移矢量图，与图5无支护时相比较看出，钢筋混凝土支护下的巷道围岩的位移减少，由11.8mm减少到1mm，为未支护前的8.47%。并对底板受拉应力集中影响的岩体进行加固，有效地防止了底鼓现象出现。从图8中拱顶、拱底位移量也可以发现巷道开挖进行了支护后，巷道拱顶、拱底的位移趋于一个稳定值，变形不再增长，表明巷道开挖，对其进行了有效支护，拱顶、拱底位移趋于一个恒定值，巷道稳定了。

图8 支护后总位移矢量图

4 结束语

采用FLAC3D软件对东山河改道方案排洪隧道稳定性进行数值模拟分析，分别分析了巷道开挖后不支护与采用钢筋混凝土支护两种工况的应力水平和位移场变化情况。得出以下结论：

（1）粘土岩抗压强度、抗拉强度过小，整体性较差，在不支护的情况下隧道无法保持稳定，拉应力主要集中在隧道底板中央，最大位移位置与拉应力集中区域相同。

（2）采用钢筋混凝土支护后，隧道边缘应力分布较为均匀，无压应力集中现象，隧道拱顶、拱底位移大幅减小，隧道稳定性大为提高。

参考文献

[1]朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].北京：中国水利电力出版社，1998.

[2]赵伟封.有限-边界元法在桩基工程计算中的应用[J].东北公路，2000，23（4）：80-83.