FLAC在隧道开挖建造过程数值仿真模拟

摘要： 本文结合具体的一项工程，运用三维快速拉格朗日差分分析计算软件flac-3D建立一个隧道的计算模型，采用Mohr-Coulomb Elastic-Plastic Model，对隧道的开挖建造过程进行数值仿真模拟计算研究，从而可以得到隧道建造开挖不同过程的应力、变形位移等规律，以此给予一个较好的模拟过程，通过研究结果为隧道设计以及之后的施工给予一定的参考意义和依据，使得工程建设更加安全、经济、合理。

Abstract： Combined with a practical engineering project， the article applies the FLAC-3D software which is about Fast Lagrangian Analysis of Continua to build up a model of a tunnel. The model applies the Mohr-Coulomb Elastic-Plastic Model to have a numerical simulation study about the construction of the tunnel， by means of which we can get some results of stresses and displacements. Based on the results， we can have a good simulation process and give some reference and bases， which made the practical projects more safe， economical and reasonable.

关键词： FLAC；隧道；数值仿真模拟

Key words： FLAC；tunnel；numerical simulation

中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）12-0076-02

0 引言

随着科学以及经济的告诉发展，使得城市建设越来越快，越来越多的地方需要开挖隧道，用于民用或者工业。在城市地下隧道，一般都修建在城市中心地带，隧道周围建筑物密集、地下管道网密布，且地面来往人群较多、交通拥堵，所以对隧道设计施工有着严格的要求[1]。

隧道的开挖过程中，周围土质的应力、应变以及其他物理特性对隧道开挖建设有着紧密的联系。这些变化可能对地面造成不同程度的沉降[2][3]。特别是在软弱地区，显得尤为重要，为避免施工造成不当后果引发的经济和人为损伤，且现场检测虽具有直观的显示，但成本过高，周期过长，隧道开挖施工模拟十分必要，且现在对于工程的应用也十分广泛，可以对工程施工过程中做出有效的、可靠的预测和预报。数值模拟方法在现今岩土工程问题中已成为了有效的工具。

FLAC是指快速拉格朗日差分分析，目前已成为岩土力学计算中的重要数值方法之一。它可以准确模拟材料的屈服、塑形流动、软化直至大变形，特别是在弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等方面有着较大的优点[4]。

1 工程概况

场地位于浦东，采用盾构法施工。各土层参数主要如表1所示，主要为②层的粉质黏土，③层的的淤泥质粉质黏土层和④层淤泥质黏土。

衬砌材料按弹性材料计算，厚度30cm，密度2500kg/m3，体积模量16.67×109Pa。

1.1 模型尺寸 计算模型取隧道的其中一部分断面，X正方向为沿隧道轴向，长度取42m；Y向分析总长度取为25m；Z轴正方向为垂直方向向上，取值15m，模型上边界为地表，整个模型大小为：X×Y×Z=42m×25m×15m，隧道外径为6m，衬砌厚为0.3m，如图1隧道计算三维模型和图2隧道模型截面。

1.2 计算假定 1）不考虑隧道衬砌间接缝对地表沉降和隆起的影响，而将隧道衬砌考虑成一个均质圆环体[5]；2）对岩层材料采用理想弹塑性模型和Mohr-Coulomb屈服准则，大应变变形模式，结构材料均采用线弹性；3）衬砌材料按线弹性材料考虑。

1.3 单元类型 所有单元均采用实体单元，地层土体采用摩尔―库仑本构模型，衬砌为线弹性本构模型。

1.4 边界约束条件 模型的左右侧面（X=±21面）设置水平约束，前后面（Y=0面、Y=10面）设置纵向约束，底面（Z=-12）设置竖向约束，上表面为自由面。

2 数值模拟结果及分析

2.1 位移场分析 工程实例中的隧道处于地面下13米处，由于上覆土厚度不是很大的原因，隧道周围的承载圈较难形成，表现出周围土体的发生回弹形变，并指向洞口内部。隧道两边主要为水平位移，如图3所示。隧道上面顶部与下面底部主要以竖向位移为主，如图4所示。

而由图3的计算结果我们可以得到，隧道周围土的变形以隧道左边墙向左发生变形，右边墙向右发生变形，也即是边墙都向两侧外侧发生变形。

从图4的计算结果我们可以看到，隧道周围土的变形主要为隧道上部的沉降，同时隧道底部则是发生向上的隆起，并且隧道的竖向变形基本对称。

从水平位移等值线看出，由于施工横洞的大断面交叉直入，隧道边墙这里的收敛值不是很大。

之后，为有效改善隧道周围土的位移，隧道进行了初衬，后的水平和竖向位移如图5和图6所示。我们可以看到初衬改善了水平和竖向的位移。

通过图5初衬后水平位移等值线图与图3开挖后竖向位移等值线图的对比可以发现，隧道洞口的水平向位移减小得很多，同样的，图6初衬后竖向位移等值线图与图4开挖后竖向位移等值线图的对比中发现，经过初衬，土体变形的范围也减小了，并且隧道洞口顶部与底部一定范围内的土体应力减小。

2.2 应力场分析 隧道周围土体的应力可由太沙基理论得知，但是由于隧道的开挖后对周围土体进行了相对程度上的扰动，使得隧道洞口周围土体的应力发生了重新分布，所以可以发现应力集中发生不同的地方，隧道周围的径向应力得到了释放，而同时环向应力变大[5]，如图7和图8。

由最小主应力图可以看出，压应力集中出现在隧道两侧，在实际工程开挖中，可能会发生破坏[6]。

由最大主应力图可以看出，开挖过程中，拉应力集中的现象在隧道顶部和底部均是出现。

再由初衬后的竖向应力图，如图9，可以较为直观的看出隧道洞口周围竖向的应力分布。

3 小结

为指导地铁、隧道等大型地下工程的设计与施工，对其进行数值模拟是十分必要的，也是经济的。本文采用弹塑性理论，并应用FLAC软件对地铁开挖进行有限元模拟和分析，直观而真实地表现了隧道开挖时所产生的周围土移和应力的分布情况，据此对隧道开挖的力学特性及其相关问题进行了研究和探讨。分析得出，隧道开挖后和初衬后的隧道是稳定的，可以满足相应工程的功能和要求。

参考文献：

[1]刘招伟，赵运臣.城市地下施工监测与信息反馈技术[M]. 北京：科学出版社，2006.

[2]王梦恕.地下工程浅埋暗挖通论[M].合肥：安徽教育出版社，2004.

[3]Y.D.Murray. Computational Modeling of Underground Tunnels in Intact and Jointed Rock[R]. DNA-TR-96-16，Defense Nuclear Agency，USA，1997.

[4]刘波，韩彦辉. FLAC原理、实例与应用指南[M]. 北京：人民交通出版社，2005：3-6.

[5]宗长龙，王涛.盾构法施工引起纵向地表变形的数值模拟[J].山西建筑，2007，33（2）：283-284.

[6]李术才，朱维申.复杂应力状态下断续节理岩体断裂损伤机理研究及其应用[J].岩石力学与工程学报，1999，18（1）：142-146.