基于FLAC 3D在不同断面形状下隧道围岩的稳定性分析（论文）.pdf

·136 · 对于隧道开挖，首先要考虑其对围岩的影响，不同断面 形状的隧道开挖引起的围岩变形和应力分布存在很大差异， 因此对不同形状的隧道在施工后围岩的稳定性进行分析比较 非常有意义。 目前国内外施工过程中常用的隧道断面形状有圆形、椭 圆形和马蹄形等，本文运用 FLAC 3D 软件对这3种断面形状 隧道在开挖后围岩的应力分布、塑性区范围等进行系统的分 析比较，以判定隧道的设计形状对隧道工程的影响，得出对 围岩扰动最小的最优断面形状。 1 计算模型相关参数的确定 假定开挖的隧道围岩为理想的弹塑性介质，具有均匀的 各向同性特征，只施加岩土体的自重应力。建立的模型尺寸 为100 m ×100 m ×20 m（长 ×宽 ×高），设定不同形状隧洞的开 挖面积都为 314.15 m 2，埋深为50 m，开挖隧道时采用全断面 开挖法，围岩的物理力学参数见表 1。 表1 围岩的物理力学参数 材料类别 体积模量 / Pa 剪切模量 / Pa 摩擦角 / ℃ 粘聚力 / Pa 抗拉强度 / Pa 参数 2×108 1×108 25 4×105 1.5×105 2 数值模拟计算分析 2.1 U?n K B
— ? [7G??e 图1、图 2是在 FLAC 3D 软件中模拟圆形断面隧道开挖 后围岩的最大主应力与最小主应力分布图。如图 1、图2所示， 在圆形隧道开挖后围岩都是受压的，且应力分布较对称，隧 道拱顶的最大压应力为 1.07 MP a，隧道拱底的最大压应力为 1.67 MP a。 图1 圆形隧道围岩的最大主应力（计算机截图） 图2 圆形隧道围岩的最小主应力（计算机截图） 在 FLAC 3D 软件中模拟圆形断面隧道开挖后的塑性区 分布如图 3所示，在圆形隧道开挖后围岩的塑性破坏通常发 生在隧道周围，且分布较均匀，洞底塑性区的范围略大于洞 顶，隧洞左右两侧塑性区略大于其他部位，围岩塑性区体积 为 2.848 ×103 m3。 2.2 ?U?n K B
— ? [7G??e 在 FLAC 3D 软件中模拟椭圆形断面隧道开挖后围岩的 最大主应力与最小主应力分布如图 4、图5所示，在椭圆形 隧道开挖后围岩都是受压的，且围岩的应力分布较均匀，隧 道拱顶的最大压应力为 0.58 MP a，隧道拱底的最大压应力为 1.82 MP a。 ［摘 要］ ?s?]?Q/(?U? 、 ?U?? ?坦?? 35n K?q B
，化 FLAC 3D(?}? ?[ ???)? t B
— ?? f ? ， ??s B仑 ;[? O?? 、 1??? ?凹??堵? ，仔之U?n君 B仑?s[N ???姚n君?q B仑。 ［关键词］ ?]?Q ； B仑剧 ? ；? f ? ；7众??堵 ［中图分类号］ TU43 ；U451.2bbbbb ［文献标志码］ Bbbbbb ［文章编号］ 1001–523X（2021）06–0136–03 Stability Analysis of Tunnel Surrounding Rock under Different Cross-section Shapes based on FLAC 3D Zhang Jian-guo ，Zhang Ying，Chen Yun-bin，Zhang Qin-lei ［Abstract ］Aiming at the three common cross-section shapes of circle， oval，horseshoe， and pear shape during tunnel construction， the numerical simulations of tunnel excavation are carried out with FLAC 3D software under the same surrounding rock conditions. By analyzing and comparing the results of the stress distribution and plastic zone range of the surrounding rocks， it is concluded that the tunnel with a circular cross-section is the optimal cross-section tunnel with the least disturbance to the surrounding rock. ［Keywords ］construction process；tunnel excavation ；numerical simulation ；stability analysis 基于 FLAC 3D 在不同断面形状下 隧道围岩的稳定性分析 张建国 1，张 营 2，陈允斌 1，张钦雷 1 （1.山东正元建设工程有限责任公司，济南 250101；2.济南工程职业技术学院，济南 250200） 收稿日期 ： 2020–10–24 作者简介 ： 张建国（ 1982—），男，山东东营人，高级工程师，主要研究 方向为岩土工程。 ??BTF? $


?


~


6


'


& Safety and Quality Building Technology Development ?48仓? 6/ 2021?38 · 137 · 图3 圆形隧道围岩的塑性区（计算机截图） 图4 椭圆形隧道围岩的最大主应力（计算机截图） 图5 椭圆形隧道围岩的最小主应力（计算机截图） 在 FLAC 3D 软件中模拟椭圆形断面隧道开挖后的塑性区 分布如图 6所示。从塑性区分布图中可看出，在椭圆形隧道开 挖后围岩的塑性区主要分布在隧道拱底及两侧壁，隧道拱底 没有塑性区，围岩的破坏区域主要发生在两侧拱的中间部位， 塑性区的体积达到 3.558 ×103 m3。 图6 椭圆形隧道围岩的塑性区（计算机截图） 2.3 ? –?n K B
— ? [7G??e 在 FLAC 3D 软件中模拟马蹄形断面隧道开挖后围岩的最 大主应力与最小主应力分布如图 7、图8所示，在马蹄形断面 隧道开挖后，其周围围岩应力分布差异比较明显，上部圆拱 及两侧直墙附近