2m厚底部水平层状围岩隧道数值模拟效果分析
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【摘 要】利用FLAC3d针对Ⅳ1级0.5m/层共2m厚度的拱底层状围岩建立模型1“2m厚层状围岩平底隧道”、模型2“2m厚层状围岩仰拱隧道”、模型3“2m厚层状围岩加强底部支护的平底隧道”，对这3种模型进行数值模拟分析，结果表明：模型1最不稳定，模型2与模型3效果相当，模型3不仅能保证隧道的正常运作，还能大大缩短工期，降低造价和施工的难度。
【关键词】FLAC3d；Ⅳ1级围岩；平底；仰拱；平底加强
本文具体研究以下几个方面的模拟效果分析：1. 围岩位移场分析：主要是竖向位移；2. 围岩应力场分析：主要是竖向应力；3. 围岩塑性区范围；4. 支护结构的内力：锚杆轴力。
1 竖向位移分析
本节将分析平底模型1、仰拱模型2以及加强平底模型3三种情况下隧道开挖支护完成后竖向位移。
无论是平底隧道还是仰拱隧道，都表现为拱顶下沉[1]，底部隆起，并且都是拱顶沉降值最大，底部隆起值最大。模型1拱顶沉降值为5.856mm，隧道底部拱起值为16.498mm。模型2拱顶沉降值为5.3215mm，隧道底部隆起值为11.69mm，对比可知，仰拱相对平底隧道拱顶沉降值减小9.113%，对于底部隆起值，仰拱相对于平底减小29.14%。
模型1的基础上将平底加强，即在平底部位打注浆锚杆，进而增加底部围岩的强度，有效的减小底部隆起，模型3拱顶沉降值为5.6374mm，相对模型1减小了3.73%，底部隆起值为12.078mm，相对模型1减小26.79%；相对于模型2，拱顶沉降值大5.59%，底部隆起值大3.32%，都控制在10%以内，由此可知模型3有效控制了拱顶沉降值和底部隆起值。
2 竖向应力分析
在模型开挖过程中，围岩会产生各个方向的应力，主要包括竖向应力、水平应力、剪切应力、有效应力等[2]，本节中主要研究三个模型竖向应力szz值的变化及其规律。
三个模型应力分布大致相同，拱腰到拱脚部分出现最大压应力，拱底部分出现最大拉应力。模型1最大压应力为6.9241MPa，最大拉应力为1.057MPa；模型2最大压应力为8.4905MPa，相对模型1增大22.62%，最大拉应力为0.92923MPa，相对模型1减小12.09%；模型3最大压应力为8.01MPa，相对模型1增大15.68%，相对模型2减小5.66%，最大拉应力为0.92083MPa，相对模型1减小12.88%，相对模型2减小0.9%。
3 塑性区分析
塑性变形是由于隧道洞室开挖周围岩体受力产生的不可恢复的变形[3]，表示可能发生破坏的部分。
在FLAC3D数值分析中，常采用plot block state命令来显示塑性区，shear-n表示现处于剪切破坏；shear-p表示之前处于剪切破坏；现处于弹性状态。（n-表示现状态，p-表示过去状态）。
由于衬砌结构采用的是弹性模型，所以塑性区较少，而围岩采用的霍克布朗模型模拟，岩体强度又较低，所以塑性区主要集中在拱顶上部和隧道底部以下围岩区域。通常来说，初衬完成后，隧道内部仍然会存在一定范围的塑性区，直至二衬结束后，其地表、边墙等部位的塑性区才会消除[4]。
隧道开挖完成后，只有少部分的区域处于剪切破坏过程[1]，周围岩体处于弹性状态的塑性单元体较多。模型1最终的塑性单元体体积为2.8082e+3m3，模型2最终塑性单元体体积为2.5137e+3m3，模型3最终塑性单元体体积为2.3878e+3m3，可以看出，平底加固后模型3的塑性区体积最小，说明开挖过程中其稳定性最好。
4 锚杆轴力分析
通过plot sel cable force命令，得到隧道模型开挖支护完成后的锚杆轴力。
三个模型中各个监测点上的锚杆轴力均为正[5]，说明锚杆均受拉，随着开挖步的增加锚杆轴力逐渐增大，到最后逐渐趋于稳定。模型1和模型2都是拱顶出现最大拉力，模型1最大拉力为11.903KN，模型2最大拉力为11.792KN，而模型3，底部锚杆也均受拉，且拉力大于拱顶拉力，最大拉力出现在底部中心线位置为11.785KN，三个模型锚杆轴力值在拱顶、拱肩以及拱腰处相差不大，模型1变化范围为1.05%～4.13%，模型2变化范围为0.42%～3.15%，模型3控制在0.83%～3.02%范围内，三个模型锚杆轴力最小值均出现在拱脚处。
5 结论
在本文中，主要是借助离散元数值模拟软件FLAC3D针对3种支护条件的2m厚层状围岩隧道的稳定性进行了数值模拟及模拟结果的分析，得到了如下结论：
1. 底部打锚杆注浆模型3对控制隧道拱顶沉降效果不明显，但与仰拱模型2只相差5.59%，对控制底部隆起效果明显，只比仰拱模型大3.32%；
2. 模型2和模型3的最大压应力均大于模型1的最大压应力，可能是底部施工对拱腰处压应力产生影响使其增大，但模型3最大拉应力相对于仰拱模型2减小0.9%；
3. 模型2的剪切破坏体积小于模型1，而模型3的剪切破坏体积小于模型2，综合考虑塑性区总体积，模型3较模型1小10.487%，较模型2小5.01%，优越性较显著；
4. 三个模型的拱顶、拱肩、拱腰及拱脚处锚杆轴力相差不大，模型3底部锚杆轴力较其他部位锚杆轴力大，对控制底部隆起起到了很好的作用；
综上所述，对于二车道Ⅳ1级2m厚层状围岩段，模型3虽然在控制竖向位移方面稍差于模型2，但差值都控制在10%以内，在控制其他方面上都优于模型2，综合考虑，模型3可以取代仰拱模型2，这样不仅能保证隧道的正常运作，还能大大缩短工期，降低造价和施工的难度。
参考文献：
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