基于FLAC对锚喷支护作用的分析

2018-10-27李紫瑶

科技视界 2018年16期

李紫瑶

【摘要】针对处在不同地应力荷载作用下的穿山隧道，围岩稳定性、沉降位移和支护作用差异巨大的问题。利用具体的工程资料及现场检测和实测数据，采用FLAC3D对长安高速公路长治至平顺段隧道工程项目进行数值模拟，并对FLAC3D得到的结果进行分析。得出如下结论：随地应力增大，锚杆在减小拱顶沉降方面所起到的作用逐渐增强，但是是呈非线性关系的；并从FLAC3D数值模拟的结果对比分析中，揭示了在减小隧道沉降方面是锚杆和喷射混凝土共同起作用的结果。

【关键词】FLAC3D；隧道；数值模拟；锚杆

中图分类号： U455.72 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）16-0231-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.107

【Abstract】In view of the tunnel that through the mountain under different earth stress loads， its the stability of surrounding rock、Settlement and Displacement、bolting and shotcreting role has the characteristics of great change.Using the specific engineering data and on-site detection and measured data，using the Flac3D software to numerical simulation Chang'an highway-Changzhi to Pingshun sections of the tunnel project，And to analyze the results that obtained from the Flac3D. draw the following conclusions：with the equivalent stress increaseing，anchor rod role play in reducing the crown settlement gradually increased；FLAC3D numerical simulation results contrast revealed reduce tunnel settlement is the result of co-anchor rod and shotcrete work.

【Key words】FLAC3D；Tunnel；Numerieal simulation；Bolt

0 引言

隧道是围岩与支护结构的综合体[1，2]，由于锚喷支护的巨大优势以及我国幅员辽阔，地形地貌十分复杂，山岭众多，所以隧道的建设对我国经济建设起着十分重要的作用。当今隧道的支护多采用锚喷支护。各国的学者对锚杆已做了大量的理论和实验研究[3，4]，并且随着计算机应用的发展，对各种较复杂工程条件下锚杆作用的数值分析方法也发展起来，并已取得许多有价值的成果[5]。在隧道穿越山体的情况下，隧道与地面的高差变化巨大，所以对不同高差情况下地应力对隧道影响的研究就变得十分重要。

1 工程实例

工程实例为长治至安阳高速公路长治至平顺段隧道右线，全长13.098Km。隧道最大埋深596m，隧址区地表沟壑迂回，峰峦叠嶂，地表起伏较大。隧址区范围内出露地层由新到老为第四系全新统崩坡积物、上更新统马兰组、中更新统离石组，燕山期石英闪长侵入岩体、奥陶系下统及中统下马家沟组、上马家沟组、峰峰组，寒武系徐庄组、张夏组、崮山组、长山组、凤山组组成。岩体为白云岩，较完整，节理局部发育，属III 类围岩。一次支护为锚喷支护，采用3.0M全长注浆锚杆，环距为1m，纵距1m，C15钢纤维混凝土10CM，二次衬砌C25钢纤维混凝土35CM。

2 软件介绍

FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）由美国Itasca公司开发，是二维的有限差分程序FLAC2D的护展，能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。单元材料可采用线性或非线性本构模型。FLAC3D采用了显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动。

FLAC3D有以下几个优点：1.对模拟塑性破坏和塑性流动采用的是“混合离散法”。这种方法比有限元法中通常采用的“离散集成法”更为准确、合理。2.即使模拟的系统是静态的，仍采用了动态运动方程，这使得FLAC3D在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍。3.采用了一个“显式解“方案。

3 数值模拟过程

解决隧道的理论基础是弹塑性理论，但软件的数值模拟也具有重要参考价值。由于隧道的开挖过程只对隧道横截面的最大半径R3--5倍范围内产生影响，因此模型x轴方向（宽度）取40m，y轴方向（纵向）取21m，z轴方向（高度）取30m；鉴于围岩状况良好，无明显流变现象，所以围岩的本构关系采用摩爾-库伦模型（mohr-coulomb）；全长粘结锚杆采用桩构件（pile）并用sel pile prop rockbolt on命令激活桩构件延展这一特殊材料模型以模拟锚杆支护的特性，喷射砼采用壳结构（shell）。边界条件：x、y轴方向约束法向位移，z轴底部约束法向位移，z轴顶部为自由边界。初始条件：在z轴方向施加竖向自重应力：

设置最大不平衡力为10N，求解（solve）得到原岩状态，开挖（model null）隧道，得到开挖后的围岩应力环境；并分别在仅有锚杆支护、仅有喷射砼支护、锚喷支护三种情况下得到隧道的位移云图、应力云图和拱顶沉降位移。

4 FLAC3D分析

通过观察图1各种情况下的位移云图，容易知道在隧道的拱顶上方是沉降位移最大的区域，是容易发生塌落的，所以拱顶区域应加强支护。由图2、图3可知随地应力增大，隧道拱顶沉降位移也逐渐增大，在地应力为12MPa时，无支护时拱顶位移达到了32mm，这与工程经验相符合。

5 结语

通过FLAC3D数值分析软件模拟，得到了如下一些结论：

1.通过FLAC3D数值模拟得出了不同等效地应力情况下，初砌后位移沉降规律，为二砌施工时间提供了一些理论依据。

2.通过MATLAB分析数据，揭示了随等效地应力的增加，初砌的效果逐步增强，但增强的效果逐步减小。

3.在减小隧道拱顶沉降位移方面，是喷射混凝土和锚杆共同作用的结果。

4.同时再次验证了锚喷支护的悬吊作用。

【参考文献】

[1]闫春岭.FLAC在铁山坪隧道围岩稳定性分析中的应用[J].地下空间与工程学报，2006，2（3）：499-503.

[2]洪丽娟，刘传聚.隧道火灾研究现状综述[J].地下空间与工程学报，2005，1（1）：149-154