深部软岩巷道锚喷支护数值模拟分析

胡 雪，吴德义

深部软岩巷道锚喷支护数值模拟分析

胡 雪1,2，吴德义1,2

(1.安徽建筑大学 建筑健康监测及灾害预防技术国家地方联合工程实验室，安徽 合肥 230061；2.安徽建筑大学 建筑结构与地下工程省级重点实验室，安徽 合肥 230061)

为研究直墙半圆拱形巷道在锚喷支护下的受力状态，运用先进的FLAC3D软件进行数值模拟，计算中采用应变软化模型。通过数值模拟计算，得到在锚喷支护下，自重应力对开挖后直墙半圆拱的拱顶沉降、边墙位移以及塑性区大小的影响。结果表明，深部软岩巷道不同部位塑性区存在差异，拱腰和两侧边墙塑性区最大，朝拱顶和巷道底部方向塑性区逐渐减小。因此巷道边墙中部、拱腰是比较关键的部位，应加强支护。

FLAC3D；巷道支护；数值模拟；塑性范围

随着经济的快速发展，巷道开挖深度逐渐加深，规模越来越大，其开挖安全问题也越来越受到人们的重视。在实际工程中，巷道开挖过程伴随着各种风险和安全问题，锚喷支护是目前解决这类问题的重要途径。巷道变形和受力状态是一个复杂的动态问题，通过FLAC3D软件模拟，可以得出巷道开挖后应力应变场分布的大致规律[1]。同时通过分析直墙半圆拱形巷道水平位移的变化，拱顶沉降及塑性区的变化，来判断巷道在锚喷支护下的受力状态，从而对易发生破坏的部位加强支护。

1 工程概况

本文以淮南某矿区巷道为数值模拟模型。巷道的埋深H=900 m，跨度L=6 m，边墙的高度h=5 m。锚杆直径D=20 mm，长度L=2.2 m，锚杆为无纵筋锚杆，间距为800 mm×800 mm；混凝土选择C30强度等级，喷射混凝土厚度为200 mm，弹性模量E=30 GPa，泊松比μ=0.15，通过计算分析锚喷支护下巷道围岩变形破坏情况。

2 FLAC3计算模型

为了提高巷道开挖后围岩的稳定性，锚喷支护被越来越多地应用到实际工程中。地下工程巷道支护系统包括锚杆，锚索，混凝土喷层等[2]。在进行巷道开挖的过程中，巷道周围会依次形成破碎圈、裂隙圈、塑性圈和弹性圈。巷道表面边墙位移相对较大，因此必须进行合理支护，保持巷道围岩的稳定性。实施有效的支护，控制巷道变形[3]，针对巷道不同部位的围岩稳定性需要进行进一步研究，从而达到稳定巷道围岩,节省建筑材料的目的。

2.1模型建立

模型的建立是FLAC3D软件进行数值模拟的基础。该巷道直墙高为2 m，跨度为6 m，半圆拱半径为3 m，巷道埋深为900 m。巷道岩性均匀，可近似处理为均一岩体[4]。

根据巷道的实际情况，将沿隧道横截面向右的方向定为X轴正方向，将沿隧道深度向内的方向定为Y轴正方向，将沿巷道竖直向上的方向定为Z轴正方向。根据对称原理，将原点定为巷道开挖的中心。数值模拟计算范围根据实际工程经验，取30 m为计算边界。巷道模型如图1、图2所示，巷道断面形状为直墙半圆拱，支护形式选择锚喷支护。

图1 巷道断面及支护图 图2 巷道模型

2.2边界条件

根据实际需要，该模型采用应变软化模型。在进行数值模拟时，需要对位移边界和应力边界进行固定。首先要约束水平方向上的位移，本例固定左边边界X=-30 m和右边边界X=30 m上的位移和位移边界，其次要约束前方边界Y=0 m和后方边界Y=2 m上的位移和位移边界。最后固定巷道底面Z=-30 m上的位移和位移边界，约束竖直方向的位移。其余边界采用荷载边界。

2.3力学参数

土体材料采用应变软化模型，在进行数值模拟时，需确定体积模量和剪切模量，可以通过公式求得。体积模量为：

(1)

剪切模量为：

(2)

该模型的相关力学参数见表1、表2。

表1 巷道围岩力学参数

表2 混凝土力学参数

3 计算结果分析

3.1锚喷支护下巷道塑性区分析

在进行巷道开挖的过程中，巷道围岩会受到各个方向的应力，从而进行应力重分布。研究表明，塑性区和巷道围岩岩体性质密切相关，塑性区的范围反映了围岩稳定性的高低。在进行围岩稳定性分析时，塑性区影响需引起重视。锚喷支护下巷道塑性区分布结果如图3所示。

图3巷道塑形区分布图4巷道X方向位移分布

由图3可知：两侧围岩塑性区的分布范围比拱顶塑性区分布范围大，巷道拱腰和两边侧墙围岩更容易失稳，进而导致岩石破碎；尤其在拱腰处，塑性区最大。所以在进行巷道围岩支护的时候，应注意塑性区引起的破坏，适当增加喷射混凝土厚度和优化锚喷支护形式和参数，可以有效改善围岩失稳的问题。采用适用于深部软岩巷道最佳支护技术，对保证巷道围岩稳定性至关重要[5]。

3.2锚喷支护下巷道X方向位移稳定性分析

图4为锚喷支护下巷道水平方向的位移分布图。由图4可知：在进行巷道开挖时，围岩两侧在水平方向的位移相对较大，拱顶和巷道底部方向位移逐渐减小，在拱腰处位移最大。为了保证巷道开挖的稳定性及施工的安全性，在进行巷道支护时需要多加注意拱腰部及巷道两边侧墙的支护。锚喷支护可以有效提高围岩稳定性，控制围岩变形[6-7]。对巷道易失稳的部位，选取合适的锚喷支护形式[8-9]，优化支护参数，使围岩变形降低，塑性区减小，围岩完整性增加。从而增加施工安全性，有效提高工程效益。

3.3锚喷支护下巷道不同部位总位移情况对比分析

为了定量分析锚喷支护下巷道不同部位整体位移情况，分别选取巷道中心线处、巷道底部及巷道拱腰处为参考部位，进行模拟对比分析。由图5可知：直墙半圆拱巷道拱腰处总位移最大，巷道中心线上各点总位移次之，巷道底部位置的总位移相对较小。临近巷道表面时，各点位移变化幅度很大，随着距巷道表面水平距离的增加，变化趋于稳定。巷道中心线与巷道拱腰处位移变化随着距离巷道表面水平距离的增加而接近，而巷道底部位移随着距离巷道表面水平距离的增加逐渐减小，最后趋近于零。

4 结论

通过FLAC3D软件对某直墙半圆拱形巷道在锚喷支护下的受力状态进行模拟分析研究，得到在锚喷支护下，自重应力对巷道开挖后的直墙半圆拱的拱顶沉降，边墙位移以及塑性区大小的影响。通过分析巷道不同部位位移场及应力场的变化规律，得出以下结论：

(1) 深部软岩巷道不同部位受力存在差异，巷道开挖对周围土体影响不同。在进行巷道开挖后，巷道边墙的支护应引起足够的重视。通过FLAC3D软件计算模拟可知，巷道表面位移变化幅度大，为容易失稳的部位。随着距巷道表面距离的增加，围岩受力越来越小，整体位移也随之减小，巷道开挖对其影响逐渐减小。

图5 巷道各部位总位移变化曲线

(2) 巷道开挖过程中巷道表面各部位塑性区，水平位移及总位移均存在差异。拱腰和两侧边墙塑性区最大，水平位移和整体位移相对较大，为最易失稳部位。拱顶和巷道底部方向塑性区逐渐减小，位移量也随之减小，失稳可能性降低。

(3) 在进行巷道围岩支护时，对巷道易失稳的部位，选取合适的锚喷支护形式，优化支护参数，同时适当增加喷射混凝土厚度，可使围岩变形降低，塑性区减小，围岩稳定性增加。

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Simulationanalysisofdeepsoftrockroadwayunderbolt-shotcretesupport

HU Xue1,2,WU De-yi1,2

(1.NationalandLocalJointEngineeringLaboratoryofBuildingHealthMonitoringandDisasterPreventionTechnology,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230601,China; 2.AnhuiKeyLaboratoryofBuildingStructureandUndergroundEngineering,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230601,China)

To research the strained condition of straight wall semicircle arch tunnel under the bolt-shotcrete support,advanced FLAC3D numeral simulation software was applied to numerical simulation,adopting the strain softening model.By numerical simulation,the influence of gravity stress of tunnel can be got under the bolt-shotcrete support,which is about the sedimentation of semicircular arch,the displacement of tunnel side wall and the size of plastic zone after roadway excavation.It turned out that stress is different at different position of deep soft rock roadway.The highest stresses was at haunch and both sides of wall.The stress was gradually decreased in the direction of the vault and the bottom of the roadway.The side wall central section and the haunch were key parts of the roadway where should be strengthened to support.

FLAC3D; roadway support; numerical simulation; plastic range

2017-03-01

国家自然科学基金(51374009，51674005)；安徽省自然科学基金(1608085ME105)

胡 雪(1992—)，女，江苏徐州人，硕士研究生。

1674-7046(2017)03-0001-04

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.03.001

TU457

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