泥岩隧洞变形特性 FLAC 3D数值模拟分析

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泥岩隧洞变形特性 FLAC 3D 数值模拟分析

0 引言

随着水利基础建设的发展,工程建设行业越来越多的遇到软岩或极软岩隧洞施工的一系列问题.

在具有应力高、含水率大等特性的软岩中成功掘进隧洞的实例越来越多[1 ~3].然而,第三系泥岩

浅埋水工隧洞工程实践还不多,其研究成果、治理方案及经验也较少.

河北省保定市王快水库和西大洋水库综合管理工程是迄今为止河北省水利建设史上工程种类尤

为齐全、地形地质条件特别复杂、施工难度较高的引调水工程,是通过王快水库和西大洋水库联

合调度,向白洋淀及保定市一亩泉水源地调水的长距离引水工程.湾子隧洞工程是该工程的主要

控制性工程,位于河北省曲阳县境内.湾子隧洞主洞长 4450m,采用圆拱直墙式无压隧洞, 洞宽 2.

5m, 洞高 3. 35m, 设计流量 10m³/ s.隧洞出口段走向为 NE64°, 约有长度 800m 的围岩为第三系始新

统西坡里组泥岩 ( E2X) ( 见图 1) ,属极软岩,在掘进过程中发生了拱顶坍塌、片帮、整体失稳等

多种不良工程地质问题.本文通过地质定性分析、FLAC3D 三维数值模拟等方法,对泥岩隧洞变

形及塌方的特征和机理进行了分析研究.

1 泥岩隧洞工程地质条件

隧洞位于曲阳县山前丘陵区,地处太行山隆起与冀中断陷的过渡带,早第三纪时期以整体抬升为

主,区域构造活动受紫荆关-灵山断裂和太行山山前断裂控制,形成了一系列北东向断层、褶皱构

造格局.第四纪以来,上述断裂活动逐渐趋向微弱,近场区断裂构造均为非活动断裂.紫荆关-灵山

断裂为正断层, 距湾子隧洞 1km 左右,大部分地段的断层破碎带被覆盖层掩埋.

第三系西坡里组地层倾向NW270° ~ 300°, 倾角 5° ~15°,地质构造以陡倾角张性裂隙为主.湾子隧

洞泥岩段地表覆盖松散黄土状壤土,厚13 ~ 20m,中等密实,属中等压缩性土,无湿陷性,土体稳定性

较好, 渗透系数 8. 3 ×10^- 6~ 2. 4 × 10^- 4cm / s,透水性属中等至微透水.

2 泥岩隧洞变形特性 FLAC3D 数值模拟分析

采用 FLAC3D 有限差分程序进行模拟,分析浅埋泥岩隧洞的变形特性,该程序的基本原理与离散

元相似,但有限差分程序可以对连续介质进行大变形分析,特别适合研究软岩的大变形问题.

2. 1 数值模型

湾子隧洞出口为人工陡坡地形, 坡高 15 -20m, 坡度 39°左右,隧洞出口位于坡底.该洞段原设计初期

支护采用钢筋格栅拱架、钢筋网片、喷混凝土联合支护的方法, 厚度为 20cm; 永久衬砌采用钢筋

混凝土, 厚度为 40cm.数值模型横向取10 倍洞径, 洞口向上游方向取150m,洞口向下游方向取

60m.模型总共划分为 25140 个单元,27561 个结点.钢筋格栅拱架及喷混凝土综合效用等效为360

个block 实体单元, 锚杆等效为400 个cable 单元, 计算网格见图 2.

采用理想弹塑性模型和摩尔-库仑破坏准则,除原地表为自由边界外,模型底部为固定约束边界,模

型四周为单向边界,仅考虑自重应力产生的初始应力场.

根据地质勘察成果,参考工程经验,数值模拟分析参数选取为: 泥岩天然密度2. 12g/cm³, 内摩擦角

15. 7°, 粘聚力2. 2 × 10^4Pa, 泊松比 0. 36, 杨氏模量 1. 2 ×10^7Pa.数值模拟分析时考虑地下水渗流

作用,进行流固耦合计算, 流体体积模量 2. 9 ×10^9Pa, 孔隙率近似为0. 5, 渗透系数 5. 9 × 10^- 7m /

2. 2 计算结果分析

泥岩隧洞全断面采用挖掘机开挖,简化为全断面分段开挖, 步长为 3. 0m 进行仿真计算,分别按无

支护、考虑初期支护等工况进行模拟计算.

( 1) 无支护工况不考虑初期支护作用的条件下, 数值模拟开挖至 15m 后模型网格变形过大而无法

继续计算.

分析其地质条件,泥岩饱和单轴抗压强度0.26 ~2. 49MPa,属极软岩,天然状态下呈硬、可塑至硬

塑状,炭质软弱夹层呈褐色至灰黑色,呈可塑状.

泥岩遇水易软化,易崩解,强度低,天然状态下含水量较大,开挖后洞璧泥岩暴露在空气中易失水干

裂,产生柱状裂隙, Ⅴ属类围岩[4].毛洞条件下泥岩隧洞自稳时间较短,与上述数值模拟结果一致.

( 2) 考虑初期支护作用工况为了模拟实际工况,模拟计算中初期支护滞后于开挖一定时间,分别按

初期支护滞后掌子面5m、10m 考虑.

计算结果表明, 初期支护滞后掌子面10m 时,拱顶下沉位移较大,变形量随时间不断增加,即说明

初期支护滞后太远,掌子面附近毛洞不能自稳; 当初期支护滞后掌子面5m 时,网格节点变形量最

后趋于定值,说明该工况下围岩基本能维持稳定.

初期支护滞后掌子面5m 工况下, 除因洞脸边坡较陡而出现潜在滑移外 ( 见图 3) ,泥岩洞室变形

的主要形式为底鼓、边墙内移和拱顶下沉,并且变形范围及变形量随掌子面掘进而向前发展.

数值模拟显示, 距隧洞出口 80m 处的横断面上, 垂向位移( 见图 4) 主要表现为底鼓和拱顶下沉,并

具有左右两侧近似对称的特点,拱顶下沉位移量总体小于底鼓位移量,两侧边墙铅垂向位移很小;

其径向水平位移( 见图 5) 主要表现为两侧边墙呈近似对称的内缩收敛变形,变形量最大值位于

两侧边墙,拱顶和底板处的水平位移很小.

数值模拟结果显示,泥岩隧洞底鼓最大位移量大于边墙内移位移量,拱顶下沉位移量相对较小.

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泥岩隧洞变形特性FLAC3D数值模拟分析0引言随着水利基础建设的发展,工程建设行业越来越多的遇到软岩或极软岩隧洞施工的一系列问题.在具有应力高、含水率大等特性的软岩中成功掘进隧洞的实例越来越多[1~3].然而,第三系泥岩浅埋水工隧洞工程实践还不多,其研究成果、治理方案及经验也较少.河北省保定市王快水库和西大洋水库综合管理工程是迄今为止河北省水利建设史上工程种类尤为齐全、地形地质条件特别复杂、施工难度较高的引调水工程,是通过王快水库和西大洋水库联建度,向白洋淀及保定市一亩泉水源地调水的长距离引水工程.湾子隧洞工程是该工程的主要控制性工程,位于河北省曲阳县境内.湾子隧洞主洞长4450m,采用圆拱直...

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