基于Creator与FLAC3D的采空区隧道变形稳定性分析

韩宪军,孟小欢,张小强,张延年

(1.河南理工大学 深部矿井建设重点学科开放实验室， 河南 焦作 454000;2.河南理工大学 土木工程学院， 河南 焦作 454000)



基于Creator与FLAC3D的采空区隧道变形稳定性分析

韩宪军1,2,孟小欢2,张小强2,张延年2

(1.河南理工大学 深部矿井建设重点学科开放实验室， 河南 焦作 454000;2.河南理工大学 土木工程学院， 河南 焦作 454000)

摘要:为了分析采空区隧道变形稳定性问题，隧道围岩变形特性研究显得十分重要。首先利用虚拟现实软件MultiGen Creator对一破坏的采空区隧道支护结构进行三维仿真模拟计算，并对其破坏情况进行统计分析。然后，借助三维有限差分软件FLAC3D对同一采空区隧道进行数值模拟计算。通过把模拟计算结果与统计结果进行对比，发现数值模拟与统计结果基本一致。结果表明采空区的存在对隧道的变形稳定性影响很大，这将对采空区隧道后期的支护加固治理提供有益参考。

关键词:采空区；虚拟现实；MultiGen Creator；FLAC3D；变形稳定性

我国幅员辽阔，地大物博，煤炭资源十分丰富。但是近些年来，随着人们对煤炭资源的粗犷式开采，在煤层开采完成之后，采取煤矸石回填采空区，有的甚至在开采完之后就弃之不理，造成了大量采空区存在。近年来，铁路隧道大量兴建，有些隧道在选线的时候由于地质勘察工作不充分，致使隧道穿过煤层采空区，造成了隧道在使用过程中出现了基底下沉，衬砌结构破坏等工程病害。

随着计算机软、硬件的迅速发展，虚拟现实技术日益成熟，其应用范围也越来越广泛。利用虚拟现实技术对隧道的三维视景仿真已经成了一个新的发展方向。靳海亮[1]等利用MultiGen Creator /Vega软件实现了交互性能良好的煤矿井上下虚拟漫游系统，并对矿山空间对象三维建模和优化的关键技术进行了重点讨论，根据煤矿井上下环境的漫游方式设计出了具有属性查询功能的实现方法。徐静[2]以虚拟现实技术为基础，对公路隧道的视景仿真进行了研究和探索，并把虚拟现实技术引入了公路隧道的设计中，为公路隧道的研究提供了新的思路。宋克志[3]等人基于MultiGen Creator仿真建模平台，给出了跨海通道仿真建模流程，建立了海底隧道模型数据库的树状结构。最终实现了海底铁路隧道、公路隧道及悬浮隧道等不同跨海通道形式的可视化仿真，使工程各部位的基本信息及空间上的逻辑关系得到较好的体现。王瑞青[4]基于MultiGen Creator构建高架三维模型的高效、快捷、真实等特点，对大石桥立交桥进行了三维建模，并详细的介绍了城市三维高架模型的流程和注意事项。

与此同时，随着计算机软、硬件水平的快速发展，FLAC3D、ANSYS、MIDAS等数值分析软件在采空区数值分析模拟中得到了有效的应用。王生俊[5]等针对采空区塌陷冒落带的力学特征，使用FLAC3D软件对高速公路下伏采空区剩余沉降量进行计算，为采空区剩余沉降量的计算提供了新的方法。张耀平[6]等利用FLAC3D软件分别就采空区应力分布情况、稳定性进行了数值模拟，并对其造成的影响进行了预测分析。钟浩[7]利用FLAC3D软件对隧道开挖进行模拟，并对开挖去的应力释放及变形对边坡的稳定性影响进行了研究，动态分析了隧道开挖过程中隧道开挖对边坡稳定性的影响规律。张普纲[8]应用FLAC3D数值模拟手段对采空区高速公路路基的破坏进行了研究，并指出高速公路路基能承受地表水平变形Ⅱ级变形，为相关工程设计与施工提供了理论指导。黄俊[9]等采用FLAC3D对重叠隧道暗挖四步台阶法施工引起的地层变形和失水引起的地层变形规律进行了数值模拟研究，研究结果对同类地铁施工环境控制提供了部分理论依据。武崇福[10]等利用数值模拟软件FLAC3D对小煤矿采空区的稳定性进行了定量分析，对地表沉陷过程、采场围岩破坏情况等进行监测，真实地展现了围岩变形的破坏过程，为治理采空区提供了理论依据。尹士献[11]等利用FLAC3D对采空区剩余变形产生的附加应力进行了分析与计算，得出了采空区产生的剩余变形量，并得出了在剩余变形作用下运煤隧道穿过采空区稳定的结论。刘永[12]等利用FLAC3D软件对某矿山地下采空区建模计算，绘制出了模型剖面位移等值线图，并对采空区对地面沉降的影响进行了分析研究，研究表明采空区顶板的变形对地表沉降有显著的影响。邓金燕[13]等利用ANSYS有限元分析软件对采空区的地基稳定性进行了深入研究。本文采用虚拟现实软件MultiGen Creator三维仿真模拟与FLAC3D数值模拟计算分析相结合的方法，对采空区隧道的变形稳定性进行分析，以期对采空区隧道后期除险与加固治理提供有效参考。

1　工程概况

陕西省某公司二号煤矿运煤专线隧道全长1 730 m，最大埋深约170 m，最小埋深约137 m。东进口端里程桩号K4+830，高程为915.40 m；西出口端里程桩号为K6+560，高程为928.10 m，两端高差12.70 m。据了解隧道通过区域内分布不同时期的民用采煤矿点多达十余处，大多数已闭坑或废弃。该隧道使用过程中，在桩号K5+600-K5+820之间范围内出现了隧道底板围岩沉陷和隧道衬砌结构开裂现象，裂缝总的延伸长度达220 m，拱顶也出现了不同程度的裂缝。经后期勘查发现，在隧道内铁路路肩以下15 m～20 m岩体范围内存在一个采空高度为2.7 m～2.8 m的处于局部填充甚至是空腔状态的煤层采空区。隧道衬砌结构和底板的严重变形已经给隧道的安全运营带来了隐患。

2　采空区隧道可视化仿真建模

2.1MultiGen Creator建模工具

MultiGen Creator软件是美国Multigen-Paradigm公司专门针对可视化仿真行业应用特点推出的实时可视化三维建模软件系统。它是一种实时三维仿真模拟建模工具软件系统，具有良好的性能、系统可靠、稳定性好等其他建模软件无法比拟的优点。基于对实时应用优化的OpenFlight数据格式，Multigen Creator提供了强大的多边形建模、矢量建模以及大面积地形精确生成等功能，配合多种专业可选模块及插件，用户能够高效地生成实时三维模型数据库，并与后续的实时仿真软件紧密结合。该软件的主要模块包括基本建模环境模块(CreatorPro)、地形建模模块(TerrainPro)、标准道路建模模块(RoadTools)等，目前已广泛的应用于可视化仿真领域[14]。

2.2隧道可视化仿真建模

由于该隧道受采空区的影响范围较大，隧道侧壁的裂缝延展长度达到了220 m，拱顶也出现了不同程度的裂缝。本文将对采空区段隧道的内部衬砌结构进行可视化仿真模拟，通过对隧道内部衬砌结构的仿真模拟，可以直观的再现出隧道内部的真实情况，以便于及时准确的对隧道衬砌结构的变形进行统计分析和及时把握。采空区段隧道衬砌结构的仿真模拟情况分别如图1、图2所示。

图1隧道内部结构图

图2隧道衬砌结构图

通过对隧道内部衬砌结构的可视化仿真模拟，我们发现隧道衬砌结构的裂缝基本上为近水平裂缝，延伸方向与隧道的轴线方向基本一致，且大部分裂缝都处于隧道中段侧壁衬砌结构层边墙和拱腰部位，这些裂缝都处于隧道断面的南侧。

3　隧道稳定性数值模拟

3.1采空区隧道数值模型

FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua in three Dimension)是美国ITASCA咨询集团公司推出的快速拉格朗日差分分析软件[15]，已经成为目前岩土力学计算中的重要数值方法之一。本文采用FLAC3D对采空区段隧道进行数值模拟计算，X、Y、Z轴方向分别为隧道模型的水平方向、轴线方向、垂直埋深方向。根据弹性力学基本原理，为了减小边界因素带来的影响，隧道模型的X、Y、Z轴方向的边界均按大于3～5倍洞径为原则进行取值[16]。X方向的计算分析范围取值为56 m，Y方向的计算分析范围取值50 m，Z方向的计算分析范围取值为70 m，采空区隧道FLAC3D数值模型模拟范围为:X×Y×Z=56 m×50 m×70 m，整个模型共有82 530个单元，87 761个节点，如图3所示。

图3隧道网格划分

3.2屈服准则与边界条件

由于岩土体的结构和力学特性非常复杂，岩土体受外力作用的情况下，不仅会产生弹性变形，还能产生塑性变形。模拟分析中岩土材料均采用理想弹塑性模型，采用摩尔-库伦屈服准则，即

(1)

模型侧面采用定向支座约束其水平位移，模型底部采用固定支座约束其水平和竖向位移，模型上边界为自由边界，无位移约束条件，考虑到模型上边界不是地表，在模型上表面应施加分布荷载以模拟上覆岩土体自重应力，自重应力大小为3.1 MPa，隧道模型的边界约束条件示意图如图4所示。

图4模型边界示意图

3.3力学参数选择

由于隧道的埋深较深，为了建模方便，将模型的岩层分为五层，将五层之上的上覆岩体转化为重力荷载形式施加给模型的上表面，对采空区的岩层按照软弱夹层来进行处理。模型中各个岩土层及隧道衬砌的物理力学参数分别如表1、表2所示。

表1　计算选用的岩土体物理力学参数

表2　隧道支护的物理力学参数

3.4计算结果及分析

对采空区隧道围岩及支护结构变形稳定性的模拟计算结果如图5、图6所示。

图5采空区隧道围岩位移等值线图(单位:mm)

通过图5采空区段隧道围岩的位移等值线图可以发现，模型的最大位移出现在采空区顶部的位置，最大位移量为32.5 mm。由于采空区的顶部位移最大，在此部位可能出现局部垮塌甚至大面积冒顶等现象。在隧道断面部位最大位移出现在隧道拱顶部位，拱顶最大位移量为27.5 mm，拱腰部位的最大位移量为25.0 mm。

通过图6采空区段隧道围岩的应力等值线图可以发现，在采空区两侧边缘部位存在较大的应力，最大应力达到了7.69 MPa。在隧道断面拱腰部位的最大应力为5.6 MPa，在隧道拱顶部位的应力为2.0 MPa。

图6采空区隧道围岩竖向应力等值线图(单位:mm)

由MultiGen Creator软件对采空区隧道的仿真模拟及统计分析结果我们得出隧道衬砌结构的裂缝基本上为水平裂缝，延展方向与隧道轴线方向一致，且大部分裂缝都处于隧道中段侧壁衬砌结构层边墙和拱腰部位；而由FLAC3D有限差分软件对采空区隧道围岩及支护结构的数值模拟结果对比发现，隧道附近围岩出现的较大位移和应力现象正是由采空区存在所造成的。隧道的拱顶与拱腰处位移较大，由此使这两个部位产生较大的形变应力，最终导致隧道衬砌结构的拱顶和拱腰部位产生裂缝、掉碴等工程病害，并且由于采空区顶部的较大位移，甚至出现塌陷、冒顶等现象，导致了隧道的拱腰处也产生了较大的应力。

4　结　论

本文综合利用虚拟现实软件MultiGen Creator及三维有限差分数值模拟软件FLAC3D对某采空区隧道的变形稳定性进行了分析，可以初步得到以下几点结论:

(1)采空区的存在对隧道围岩及其支护结构的变形稳定性影响显著。在煤矿开采时，因煤层所处岩层及周围的岩体受到了不同程度的扰动，虽然受到扰动的岩层最终在煤层开采过程中逐渐趋于稳定，但是，扰动后岩体与原始岩体相比强度降低了很多。

(2)隧道修建时，隧道周围的岩体受到了二次扰动，这也为隧道的支护设计与施工造成了很大的难度。隧道在运营的过程中，隧道围岩及支护结构承受了很大的荷载，致使隧道支护结构进一步发生破坏。

(3)通过MultiGen Creator和FLAC3D软件对某破坏采空区隧道支护结构数值模拟和统计分析研究表明，由于采空区顶板的冒落，隧道底板出现下沉，隧道围岩应力重新分布，围岩出现下沉尤其是差异下沉时，衬砌结构内部应力急剧变化，衬砌内部的拉应力和剪应力不断增大，最终使隧道衬砌结构出现拉裂和剪断，出现了近水平拉裂裂缝和剪切裂缝。

参考文献:

[1]靳海亮,苗保亮,贾露,等.基于MultiGen Creator/Vega的煤矿虚拟漫游系统开发[J].煤炭技术,2012,31(8):138-141.

[2]徐静.基于虚拟现实技术的隧道视景仿真系统研究[D].西安:长安大学,2004.

[3]宋克志,张广东,李传明.渤海海峡跨海通道可视化仿真建模研究[J].公路交通科技,2008,25(7):107-112.

[4]王瑞青.基于Creator的城市高架三维模型的构建[J].城市勘测,2012,(3):42-46．

[5]王生俊,贾学民,韩文峰,等.高速公路下伏采空区剩余沉降量FLAC3D计算方法[J].岩石力学与工程学报,2005,24(19):3545-3550.

[6]张耀平,曹平,袁海平，等.复杂采空区稳定性数值模拟分析[J].采矿与安全工程学报,2010,27(2):233-238.

[7]钟浩.基于FLAC3D动态分析隧道开挖对边坡稳定性的影响[J].公路工程,2010,35(4):147-149.

[8]张普纲.采空区高速公路路基破坏的数值模拟分析[J].煤矿开采,2012,17(3):74-77.

[9]黄俊,张顶立.地铁重叠隧道上覆地层变形的数值模拟[J].岩石力学与工程学报,2005,24(12):2176-2182.

[10]武崇福,刘东彦,方志.FLAC3D在采空区稳定性分析中的应用[J].河南理工大学学报:自然科学版,2007,26(2):136-140.

[11]尹士献,李德海.采空区剩余变形对运煤隧道稳定性数值模拟[J].河南理工大学学报:自然科学版,2013,32(5):540-545.

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[13]邓金燕,潘华贵,林川.基于ANSYS的煤矿采空区地基稳定性与治理方法[J].煤炭技术,2013,32(10):159-161.

[14]MultiGen Creator/Vega在高速列车运行视景仿真系统中的应用[J].电脑知识与技术,2009,5(24):6973-6974,6990.

[15]Itasca Consulting Group,Inc. FLAC3D,Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions,Version 2.0,User’s Manual[M]. USA:Itasca Consulting Group,Inc,1997.

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TheDeformationStabilityAnalysisoftheTunnelsinMined-outAreasBasedonCreatorandFLAC3D

HAN Xian-jun1,2,MENG Xiao-huan2,ZHANG Xiao-qiang2,ZHANG Yan-nian2

(1.He'nanProvinceCollegesandUniversitiesDeepMineConstructionKeyDisciplineOpenLaboratory,He'nanPolytechnicUniversity,Jiaozuo,He'nan454000,China;2.SchoolofCivilEngineering,He'nanPolytechnicUniversity,Jiaozuo,He'nan454000,China)

Abstract:To solve the problem of the deformation stability of the tunnels in mined-out areas,it is necessary to study the deformation characteristics of the surrounding rocks of the tunnels. Firstly,with the help of the virtual reality software MultiGen Creator,the three-dimensional supporting structure of a damaged tunnel was simulated,and the destructive status of the supporting structure was analysed statistically. By adopting the three-dimensional finite differential software FLAC3D,the numerical simulation of the same tunnel was calculated simultaneously. It was found that the numerical simulation and the statistical results were basically identical by comparing the calculated results with the statistical results. This indicate that mined-out areas have a great influence on the deformation stability of the tunnels running through them,and this conclusion will provide beneficial reference to the later reinforcement and management of the supporting structures of the tunnels in the mined-out areas.

Keywords:mined-out area;virtual reality;MultiGen Creator;FLAC3D;deformation stability

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.05.018

中图分类号:TD3,TU9

文献标识码:A

文章编号:1672—1144(2014)05—0093—05

作者简介:韩宪军(1975—),男,山东邹城人,博士,讲师,主要从事岩土工程方面的教学与科研工作。

基金项目:河南省高等学校深部矿井建设重点学科开放实验室开放基金(2012KF-04)；河南省教育厅自然科学研究计划项目(2009B130003)；河南理工大学博士基金(B2009-13)

收稿日期:2014-05-07修稿日期:2014-06-06