基于 FLAC3D 的隧道分台阶开挖数值模拟与分析

基于FLAC3D的隧道变形机理分析胡楠【摘要】本文结合某隧道穿越山体冲沟的松散黄土层出现的塌方事故，在现场地质调研和监控测量的基础上，应用有限差分软件FLAC3D，根据对现场地形和施工工序步骤的数值模拟，计算分析隧道周边围岩和土层随着隧道开挖过程受力状态的变化。

结果显示：通过正台阶法方式开挖进入浅埋区域时，围岩变形发展迅速、拱顶沉降和地表沉降值过大，远超过正常变形范围，且存在潜在的剪切带。

因此可认为，隧道在进入浅埋区域后的开挖会导致围岩的破坏和地表土体的沉陷。

分析结果与现场测量数据基本吻合，为后期加固施工提供了理论依据。

【期刊名称】《科技视界》【年(卷),期】2016(000)002【总页数】2页(P124-125)【关键词】松散黄土层;数值模拟;受力状态;围岩变形;地表土沉降【作者】胡楠【作者单位】北京科技大学土木工程系，中国北京100083【正文语种】中文随着隧道建设的快速发展，越来越多的隧道线路需要穿越浅埋黄土区。

受埋深浅、黄土承载力有限的限制，浅埋黄土隧道施工时容易出现支护变形过大、支护开裂甚至冒顶塌方的情况[1-2]。

20世纪70年代以来，有限元法已经广泛地应用于土体的动力分析中。

近年来，拉格朗日元由于能解决大变形问题而倍受青睐，美国Itasca公司推出的FLAC3D能够很好地进行动力分析[3]。

FLAC3D是连续介质快速拉格朗日差分分析方法 (Fast Lagrangian Analysis of Continuum)的英文缩写。

美国Itasca Consulting Group Inc.将此方法用于岩土体的工程力学计算中，并于1986年开发出Flac[4]。

目前，该软件从二维平面分析拓展到三维空间分析，已成为处理功能强大的新一代软件—Flac3D。

Flac3D程序已成为目前岩土力学计算中的重要数值方法之一，它采用ANSI C++语言编写，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，并可通过调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构[5-6]。

基于FLAC3D的高速铁路隧道开挖变形规律研究发布时间：2022-04-19T02:04:48.033Z 来源：《时代建筑》2022年1月中作者：梁晓涛[导读] 隧道开挖时由于其建设环境的特殊性，隧道开挖过程中的变形及应力等变化规律对隧道开挖时的稳定性判断极为重要。

以新建渝昆铁路倪家村隧道为研究对象，研究不同进尺情况下隧道初期支护与二次衬砌的变形与应力情况。

研究表明：拱顶沉降、仰拱隆起、左右拱脚位移及左右边墙位移在隧道开挖后迅速增大，之后增大速率趋于平缓，隧道二衬施作后逐渐趋于平稳；最大拉应力分别位于拱顶与仰拱处；最大压应力分别位于左右拱脚处及右边墙处；当二衬施作完成时，右边墙相对危险，施工时应注意上述位置应力及变形的监测。

中铁上海工程局集团第七工程有限公司梁晓涛摘要：隧道开挖时由于其建设环境的特殊性，隧道开挖过程中的变形及应力等变化规律对隧道开挖时的稳定性判断极为重要。

以新建渝昆铁路倪家村隧道为研究对象，研究不同进尺情况下隧道初期支护与二次衬砌的变形与应力情况。

研究表明：拱顶沉降、仰拱隆起、左右拱脚位移及左右边墙位移在隧道开挖后迅速增大，之后增大速率趋于平缓，隧道二衬施作后逐渐趋于平稳；最大拉应力分别位于拱顶与仰拱处；最大压应力分别位于左右拱脚处及右边墙处；当二衬施作完成时，右边墙相对危险，施工时应注意上述位置应力及变形的监测。

关键词：高速铁路；数值模拟；隧道开挖；变形规律引言近年来，随着我国基础建设的需要，使得高速铁路在西部地区进一步发展，然而我国西部地区山区面积广大，高速铁路建设因为其线形的需要，线路穿山而过，高速铁路隧道建成成为高速铁路修建的必经之路。

隧道开挖时由于其建设环境的特殊性，隧道开挖过程中的变形及应力等变化规律对隧道开挖时的稳定性判断极为重要[1~3]。

对此国内外学者展开大量的研究。

彭鹏等[4]通过现场监测，对隧道围岩变形特征进行详细分析；孙振宇等[5]通过对40座隧道围岩全过程变形进行收集与整理的基础上，得到隧道围岩全过程变形；吴占东等[5]通过对银西高铁惠安堡黄土隧道进行研究，得到隧道围岩变形规律及稳定性发展状况。

FLAC模拟隧道开挖支护的实例FLAC3D3.0在某隧道工程开挖支护中的应用隧道建模命令流入下：set log onset logfile yang.loggen zon radcyl p0 0 0 0 p1 9.0 0 0 p2 0 50 0 p3 0 0 8 &size 4 20 6 4 dim 6 5 6 5 rat 1 1 1 1 group 围岩gen zon cshell p0 0 0 0 p1 6.0 0 0 p2 0 50 0 p3 0 0 5.0 &size 4 20 6 4 dim 5.6 4.6 5.6 4.6 rat 1 1 1 1 group 初期支护gen zon cshell p0 0 0 0 p1 5.6 0 0 p2 0 50 0 p3 0 0 4.6 &size 4 20 6 4 dim 5.0 4.0 5.0 4.0 rat 1 1 1 1 group 二次衬砌 fill group 原岩gen zon radcyl p0 0 0 0 p1 0 0 -8.0 p2 0 50 0 p3 9.0 0 0 &size 4 20 6 4 dim 3 6 3 6 rat 1 1 1 1 group 围岩2gen zon cshell p0 0 0 0 p1 0 0 -3.0 p2 0 50 0 p3 6.0 0 0 &size 4 20 6 4 dim 2.6 5.6 2.6 5.6 rat 1 1 1 1 group 仰拱初期支护gen zon cshell p0 0 0 0 p1 0 0 -2.6 p2 0 50 0 p3 5.6 0 0 &size 4 20 6 4 dim 2 5 2 5 rat 1 1 1 1 group 仰拱二次衬砌 fill group 仰拱原岩gen zone reflect normal -1 0 0gen zone radtun p0 0 0 0 p1 45 0 0 p2 0 50 0 p3 0 0 20 &size 3 20 3 12 dim 9 8 9 8 rat 1 1 1 1.1 group 围岩3gen zon reflect dip 0 ori 0 0 0 range x 0 9 y 0 50 z 8 20gen zon reflect dip 0 ori 0 0 0 range x 9 45 y 0 50 z 0 20gen zon reflect dip 90 dd 270 ori 0 0 0 range x 0 9 y 0 50 z 8 20gen zon reflect dip 90 dd 270 ori 0 0 0 range x 0 9 y 0 50 z -8 -20gen zon reflect dip 90 dd 270 ori 0 0 0 range x 9 45 y 0 50 z -20 20gen zon brick p0 -45 0 -20 p1 -45 0 -40 p2 -45 50 -20 p3 45 0 -20 &size 5 20 6 rat 1.1 1 1 group 围岩4save tun_model.sav假设围岩岩体符合mohr-coulomb本构模型，给围岩赋参数命令流如下，; mohr-coulomb modelmodel mohrdef derives_mod1=E_mod1/(2.0*(1.0+p_ratio1))b_mod1=E_mod1/(3.0*(1.0-2.0*p_ratio1))s_mod2=E_mod2/(2.0*(1.0+p_ratio2))b_mod2=E_mod2/(3.0*(1.0-2.0*p_ratio2))endset E_mod1=0.6e9 p_ratio1=0.27 E_mod2=0.8e9 p_ratio2=0.26deriveprop bulk b_mod1 shear s_mod1 cohe 1.8e6 tens 0.8e6 fric 30 range z 4.5 20prop bulk b_mod2 shear s_mod2 cohe 2.8e6 tens 1.0e6 fric 35 range z -40 4.5ini dens=2300set grav 0 0 -10; boundary and initial conditionsapply szz -1.4e6 range z 19.9 20.1fix z range z -40.1 -39.1fix x range x -45.1 -44.9fix x range x 44.9 45.1fix y range y 49.9 50.1hist unbalhist gp xdis 6.0,0,0hist gp zdis 0,0,5hist gp xdis 6.0,50,0hist gp zdis 0,50,5plot hist 3solvesave tun_nature.sav对后面计算而言，模型建立时岩体在开挖前认为位移已经终了，因此需要对位移进行“清零”，而应力可以保留。

目录1 工程概况 (2)2 模拟要求 (2)2.1 工况要求 (2)2.2 成果要求 (2)3 工况1(abaqus) (2)3.1 数值模拟介绍 (2)3.2 模拟分析 (3)3.2.1 模型建立 (3)3.2.2 材料赋予 (3)3.2.3 分析步设置 (4)3.2.4 建立相互作用 (5)3.2.5 施加荷载和边界条件 (5)3.2.5.2 施加荷载 (6)3.2.6 网格划分 (7)3.2.7 模型求解 (8)4 工况二(abaqus) (13)4.1 位移分析 (13)4.2 应力分析 (14)4.3 两种工况塑性区分析 (15)5 Flac3D-6.0 模拟分析(工况一) (16)5.1 Flac3d 简介 (16)5.2 建模 (16)5.3 位移分析 (17)5.4 应力分析 (18)6 总结与感想 (19)附件(flac3d 命令代码) (20)参考文献............................................................................................................................... 错误!未定义书签。

1 工程概况某建设工程，地下岩石隧道洞顶位于地表面下9m，洞跨16m，洞的直墙高6m，洞拱为圆弧，拱矢高6m。

据工程勘察报告，场地围岩等级为IV级。

隧道上方偏离洞中轴线6.50m 的地面拟建一建筑物（40层），建筑物荷载简化为均匀分布于15m范围内，每层荷载考虑为20kPa，直接作用于地表。

2 模拟要求2.1 工况要求工况一：先有地面建筑，后修隧道。

模拟可以参考以下步骤进行：第一步：模拟初始地应力场、位移场；第二步：修建地面建筑，施加建筑物荷载；第三步：模拟开挖地下隧道（可全断面开挖，也可分部开挖），也可考虑衬砌支护（厚30cm 的C30混凝土衬砌）。

工况二：先有隧道，后修地面建筑。

FLAC在隧道开挖建造过程数值仿真模拟作者：袁轶超来源：《价值工程》2013年第12期摘要：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）12-0076-020 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。

1工程概况研究此段为中条山隧道K9+450～K10+560段，此处隧道最大埋深约540m，主要由太古界涑水群表壳岩组合解州片麻岩（Hgn）地层组成，构成中条山隧道分水岭北侧的主体；此段组成隧道的围岩岩性主要为变粒岩、花岗片麻岩等。

该套地层岩性复杂，组合无规律。

岩层产状整体倾向南东，倾角一般在50ｏ～70ｏ间变化。

在AK9+900～AK10+000段为区域性断层影响段，此断层为破碎岩石组成，将为基岩裂隙水下渗提供通道，隧道开挖必将引起涌水，同时此段围岩稍差，施工时易引起坍塌。

此段同时也是中条山北侧泉水主要涌出段，水文情况复杂。

总体评价，本段工程地质条件差。

在此处，具体运用FLAC3D进行模拟的区段均取洞身YK10+100～YK10+180段。

该区段为V级围岩区域，埋深为505～512m，为断层，附近太古界涑水群花岗片麻岩、黑云斜长片麻岩、岩石破碎。

隧道断面为SVc型，如图2-2所示。

图2-2SVc型隧道断面图隧道衬砌按新奥法原理设计，采用SVc型复合式衬砌，该衬砌适用于隧道洞身V级断层影响带及软弱破碎围岩段的初期支护及衬砌，超前支护各环采用42×4mm注浆小导管超前预加固围岩，长4.5m，环向间距35cm，搭接长度1.3m，斜插角10ｏ～15ｏ，每环37根；初衬以喷、锚、网为主要支护手段：钢拱架为I20a型钢，纵向间距75cm，每榀钢拱架之间采用φ22钢筋连接，环形间距1.0m；锚杆采用D25中空注浆锚杆，长3.5m，间距75cm（纵）×100cm（环），与钢拱架交错布置；喷C25早强混凝土26cm。

二次衬砌和仰拱均为C30钢筋混凝土结构，厚50cm。

1.2数值计算模型根据中条山隧道工程的实际状况，为提高计算速度，在保证计算精度的前提下，取桩号YK10+100～YK10+160段采用大型有限差分软件FLAC3D进行建模分析。

对于全断面法、预留核心土法、台阶法，由于整个隧道模型左右对称，为减少计算量，可取隧道模型的一半计算，隧道的计算模型I如图2-3所示。

收稿日期：2019-12-03作者简介：包昊（1995-），男，硕士研究生，主要研究方向为隧道可靠度通信作者：方超（1990-），男，工程师，硕士，主要研究方向为岩土不确定性以及地下工程设计基于FLAC3D 隧道开挖的关键命令流包昊1，周旭辉1，葛彬1，方超2（1.河海大学土木与交通学院，南京210024； 2.安徽省综合交通研究股份有限公司，合肥230000）摘要：利用FLAC3D 软件开展数值模拟分析隧道工程中遇到的问题，以上海软黏土盾构为例，建立隧道开挖的有限差分模型，使用壳单元生成衬砌，锚索单元生成锚杆，用该方法得到的隧道模型与现实隧道更加贴切.运算结果表明：用该隧道模型诱发的地表沉降能用Peck 公式进行较好的拟合，基本符合高斯分布，可以有效地模拟隧道开挖引起的地表变形规律.关键词：FLAC3D ；隧道开挖；弹塑性求解；应力释放方法中图分类号：TK 730.2；Q 357.5文献标识码：ACommand Flow Analysis of Tunnel Excavation Based on FLAC3DBAO Hao 1，ZHOU Xuhui 1，GE Bin 1，FANG Chao 2（1.College of Civil and Transportation Engineering ，Hohai University ，Nanjing 210024，China ；2.Anhui Comprehensive Transportation Research Institute Co.Ltd.，Hefei 230000，China ）Abstract ：The numerical simulation of FLAC3D was used to analyze the tunnel engineering problems.Taking Shanghai soft clay shield as an example ，the finite difference model of tunnel excavation was established.The shell element was used to generate the lining ，and the cable element was used to generate the anchor rod.The tunnel model obtained by this method is more suitable to the real tunnel.The calculation results show that the ground settlement induced by the tunnel model can be well fitted by the Peck formula ，which basically conforms to the Gaussiandistribution and can effectively simulate the ground deformation law caused by tunnel excavation.Key words ：FLAC3D ；excavation of tunnel ；elastic and plastic method ；method of stress releasing随着城市化进程的不断加快，地表空间已经不能够满足人们的需求，地下空间的探索已然成为主流.盾构隧道施工技术是人们对于地下空间探索的最主要的方法之一.随着工程项目的增多，各地地形的复杂不一，因此隧道的开挖也遇到各种各样的问题，如何较为准确的预测隧道开挖过程中风险，成为国内外学者们尤为关注的问题.数值模拟分析成为如今分析隧道工程相关问题的重要方式之一.随着科技的发展，众多商业软件被开发出来用于模拟实际工程问题，与其他软件相较而言，FLAC3D 软件在用于隧道工程的模拟时具有多方面的优势［1］.首先，隧道开挖时，不同场地的物理力学参数不同，导致不同场地的本构模型之间具有差异，FLAC3D 软件内嵌多种本构模型，可以针对不同的场地进行合理的选择；第二，与实体（group ）单元不同的是，该软件本身拥有较多的结构单元用于模拟现实中的衬砌、锚索、梁等，在方便使用者的同时提高了模拟的准确性；第三，该软件为满足更多使用者的要求，其内置的FISH 语言使得参数的赋值以及数据的提取更加人性化.众所周知，隧道开挖的问题已经得到了广泛的分析［2-8］，而FISH 语言则是建模中必不可少的部分.第38卷第2期河南科学2020年2月本文简要介绍了隧道开挖模拟中关键部分的程序命令流，建立有限差分隧道模型，进行一次隧道开挖对地表位移影响的模拟运算，将结果与Peck ［9］经验公式拟合对比，证明其有效性.1关键命令1.1生成初始地应力场在采矿工程或者岩土工程领域中，必然存在着初始地应力场，它对于土体变形分析的影响不容小觑.传统初始地应力场的生成采用弹性求解法，而后再改换成塑性求解，忽略了土体的实际性质.而采用弹塑性求解法与前述方法相比可产生屈服的区域，相较而言，该方法初始地应力场的生成比前者更为合理.用简单例子更简易地表达弹塑性求解法的过程：newgen zone brick size 999model mohr ；采用摩尔库伦模型prop young …pois …fric …coh 3e10；将凝聚力设置为较大值fix xyz …；固定边界ini dens …set grav …；设置参数solve prop …coh 13e3；重新设置凝聚力solve需要要注意的是此简单例子只为说明生成初始地应力场的过程和方法，将其更为简明地展示出来，由于模型较为简单，故在自重作用之下并没有产生屈服区域，实际情形需要由使用者自己建立适用的模型进行观察分析.1.2应力释放应力释放法实际上就是应力的反向施加.张传庆等［10］分析了应力释放在隧道工程中的相关问题；程红战等［11-12］在将应力释放系数设为0.1的基础上建立隧道模型，分析了土体弹性模量的相关距离和变异系数对地表变形的影响；方超等［13］将围岩密度、弹性模量、内摩擦角视为三维正态随机场，研究围岩的相关距离对可靠度的影响，其中应力释放系数为0.30.应力释放方法的原理［14］是当土体开挖以后，在开挖边缘的单元节点上会失去原有的支持力，进行第一步计算（step 1）.此计算是为了获取其不平衡力P 0，将这些不平衡力以某一比例（应力释放系数a ）反向施加在原有的节点之上，紧接着添加shell 单元进行最后求解.应力释放后不能进行一次求解计算，必须添加衬砌后两者同时求解，否则隧道先变形后添加衬砌，其隧道掌子面变形量与衬砌变形量不相等，从而脱离实际.应力释系数的确定与当地的水文地质、开挖施工方法等都有一定关系，需综合分析确定.具体命令流为：def rel；定义FISH 语言coef=1.0-a c_x=41c_z=35--288引用格式：包昊，周旭辉，葛彬，等.基于FLAC3D隧道开挖的关键命令流［J］.河南科学，2020，38（2）：287-291.d=6.2；输入隧道中心点坐标以及隧道直径drelax1=gp_headloop while relax1#nullxa=gp_xpos（relax1）ya=gp_ypos（relax1）za=gp_zpos（relax1）dis=sqrt（（c_x-xa）^2+（c_z-za）^2）if dis<（d/2.+0.01）thenif dis>（d/2.-0.01）then；原理为隧道开挖掌子面距离隧道中心的距离等于半径，用该方法［15］来确定需要进行应力释放的节点xpow=-gp_xfunbal（relax1）*coefypow=-gp_yfunbal（relax1）*coefzpow=-gp_zfunbal（relax1）*coefkid=gp_id（relax1）commandapply xforce@xpow range id@kidapply yforce@ypow range id@kidapply zforce@zpow range id@kidendcommand；反向施加一定比例的不平衡力endifendifrelax1=gp_next（relax1）endloopend1.3设置锚索在隧道开挖工程的数值模拟中用锚杆和锚索的支护，常常用锚杆对岩石岩土工程进行加固，它的作用是利用水泥沿着长度方向提供的抗剪切能力，以生成局部阻力，借此抵御裂缝的位移变形，但是在目前已有的论文中极少有关于该命令流的介绍.由于隧道纵向长度远大于横向长度，将其视为平面应变情况，所以建模纵向距离取值1m，在该范围内的锚杆数量有限，用精确坐标的方法［16］即可完成锚杆布置的数值模拟.由于锚杆在圆形隧道四周呈放射状布置，故FLAC中的单元都以矩形方块为主，而放射状布置相对于单元形状是难以确定坐标的，可以使用CAD绘制准确图形，从CAD绘图软件中精确读取每根锚杆的坐标位置，并以其中一根锚杆的命令流为例，使用精确坐标法布置隧道四周的锚杆命令流：def cab_insloop iidx（1，6）y=iidx-0.5commandsel cable id=1begin39.32y43.16end36.88y42.62nseg4…endcommandendloopend-289-第38卷第2期河南科学2020年2月用该方法建立锚杆需输入每个点的坐标，故不适合较多坐标点的输入，否则既繁琐又容易出错，需慎重选择.锚杆一般与衬砌连用，共同作用于隧道掌子面，使得隧道变形降为最小值，就如上面添加衬砌一样，锚杆的添加也不是一步完成的，需要在此之前进行应力释放，由于前面已经定义了FISH 语言，这里不再复述.利用应力释放程序、衬砌（shell ）单元、锚杆（cable ）等建立较为完善的隧道开挖模拟.2隧道有限差分建模以在上海地区的软黏土中开挖隧道为原型，模拟在均质土体中开挖隧道对邻近建筑物的影响.有限差分模型的几何形状如图1所示，土体的宽度为120m ，深度为50m ，较大的边界有利于减少计算变形的误差.隧道的衬砌用shell 单元来模拟，由于在FLAC3D 中shell 单元为弹性连续环，这与实际衬砌的组装不相符，故需要对衬砌刚度进行折减，折减系数取0.7.隧道的轴线埋深为15m ，如表1所示，隧道的外径为6.2m ，内径为5.5m ，衬砌厚度为0.35m .由于隧道的纵向尺寸远远大于其截面的尺寸，故同前所述，纵向取值1m 假设为平面应变情形.假设衬砌为混凝土材料，其弹性模量、泊松比和重度分别为34.5GPa 、0.2和25kN/m 3.表1物理力学参数Tab.1Physico-mechanical parameters介质土体衬砌材料弹塑性材料线弹性材料衬砌厚度/m0.3重度/（kN·m -3）1825内摩擦角/（°）9.5黏聚力/kPa14泊松比0.320.22弹性模量/MPa121.5×104在各种数值模拟中，已有大量的土体模型用于模拟软土的非线性应力应变的特性.然而获得准确的土体参数进行合理的预测较为困难，故本研究采用Mohr-Coulomb 模型，这也是目前在模拟土体模型中应用最为广泛的数值模型之一.表1给出了土体参数，这是上海软黏土的常用值［17］.采用应力释放法开挖隧道，典型的上海软黏土的应力释放率为25%~30%，结合有限差分模型以及上海隧道的实际情形，本文的应力释放率取值0.25.均质土的地表位移如图2所示，该曲线能用Peck 的经验公式较好地拟合，基本服从高斯分布，也说明该有限差分模型可以有效地模拟隧道开挖引起的地表变形规律.图1有限差分模型Fig.1Finite difference model1201535土体深度/m土体宽度/m图2地表沉降与曲线拟合Fig.2Surface settlement and curve fitting地表沉降Peak 公式0-5-10-15-20地表沉降/m m-40-30-20-10010203040距隧道中心距离/m--290引用格式：包昊，周旭辉，葛彬，等.基于FLAC3D隧道开挖的关键命令流［J］.河南科学，2020，38（2）：287-291.3结语1）FLAC3D在分析隧道工程和采矿工程问题时具有较大的优势，内含的结构单元和本构模型可更为简便与准确地进行数值建模.但在模型较大、单元数量较多时，其计算过程较长，计算速度会显得较慢.2）传统的初始地应力场的生成虽然简便，但与实际有一定差距.通过改变强度参数的弹塑性法建立初始地应力场可优化这一过程，可反映土体的塑性区，但其计算速度亦会随着模型的增大减慢.3）使用应力释放法进行隧道开挖，可以在一定计算条件下较好地还原实地情形，但是由于应力释放率的确定与各种因素有关，故需综合确定.4）用FLAC3D建立有限差分模型，所得隧道开挖对地表位移的沉降曲线符合Peck经验公式，具有一定的有效性.参考文献：［1］陈育民.FLAC及FLAC3D基础与工程实例［M］.北京：中国水利水电出版社，2008.［2］ABID A，LYAMIN A V，HUANG J S，et al.Undrained stability of a single circular tunnel in spatially variable soil subjected to surcharge loading［J］.Computers&Geotechnics，2017，84：16-27.［3］MOLLON G，PHOON K K，DIAS D，et al.Validation of a new2D failure mechanism for the stability analysis of a pressurized tunnel face in a spatially varying sand［J］.Journal of 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Suelos，A.C.，1969：225-290.［10］张传庆，冯夏庭，周辉，等.应力释放法在隧洞开挖模拟中若干问题的研究［J］.岩土力学，2008（5）：1174-1180.［11］程红战，陈健，李健斌，等.基于随机场理论的盾构隧道地表变形分析［J］.岩石力学与工程学报，2016，35（S2）：4256-4264.［12］李健斌，陈健，罗红星，等.基于随机场理论的双线盾构隧道地层变形分析［J］.岩石力学与工程报，2018，37（7）：1748-1765.［13］方超，薛亚东.围岩空间变异性对隧道结构可靠度的影响分析［J］.现代隧术，2014，51（5）：41-47.［14］HUANG H W，XIAO L，ZHANG D M，et al.Influence of spatial variability of soil Young’s modulus on tunnel convergence in soft soils［J］.Engineering Geology，2017，228：327-370.［15］王涛，韩煊，赵先宇，等.FLAC3D数值模拟方法及工程应用——深入剖析FLAC3D5.0［M］.北京：中国建筑工业出版社，2015.［16］刘永乐.FLAC~（3D）5.0巷道锚杆安装命令流［J］.煤炭技术，2018，37（11）：124-126.［17］ZHANG Z G，HUANG M S.Geotechnical influence on existing subway tunnels induced by multiline tunneling in Shanghai soft soil［J］.Computers&Geotechnics，2014，56（3）：121-132.（编辑孟兰琳）-291-。

隧道施工不同台阶长度开挖数值模拟对比分析0 引言近年来，随着人们对交通出行要求的不断提高，各地铁路、公路隧道建设项目不断增多。

台阶法施工作为隧道暗挖施工常用的一种方式，适合于很多地区[1]。

台阶法施工一般分为上下两个台阶，为了保证围岩变形受到控制及减小上下工作影响，上下台阶一般设置一定的开挖距离，开挖距离也随着隧道设计尺寸及不同围岩情况等条件发生变化[2]。

国内一些学者作了相关研究，刘秀[3]、席俊杰等[4]以某隧道进口段施工为例，对三台阶七步开挖法采用不同台阶高度的两种工况进行了数值模拟，通过对比分析发现三台阶七步开挖法虽然在一定程度上增大了上台阶的净空，有利于施工操作，但会增加围岩的变形和增大支护结构的受力；王海军[5]以某工程为例，采用数值模拟方法，对比分析了不同台阶长度对于隧道的影响，在对比了3种不同的台阶长度方案后，最终确定3种方案中5 m台阶长度最符合工程需要。

赵佃锦[6]、刘伟等[7]运用有限元分析软件MIDAS进行隧道三台阶法开挖数值模拟分析，通过选取合适物理力学参数进行建模，从模型中提取围岩位移、塑性区、二衬位移、轴力、弯矩等数据进行分析。

本文主要针对某隧道工程，采用FLAC3D模拟台阶法施工，并分别对超短台阶、短台阶和长台阶进行模拟对比分析，重点分析了3种工况下隧道开挖引起的拱顶沉降和地表沉降异同，以期研究结果可为工程实践提供参考。

1 工程概况本文以兰州至海口国家高速公路重庆至遵义段桐梓隧道工程为例进行分析，隧道全长10 497 m，起止桩号为ZK34+508至ZK45+005。

隧道(主洞右幅)YK42+405至YK43+450段，全长1 045 m，该段隧道围岩等级为IV级围岩，采用上下台阶法施工。

隧道断面及几何尺寸见图1，断面纵坡在为-2.00%～-1.50%之间，最大埋深为56 m，隧道中线平均埋深为42 m。

本文以YK42+830断面为研究对象，该断面岩层主要为泥岩和砂岩。

Selection of excavation method of reserved core soil based on FLAC 3D shallow buried bias tunnel bench method and circular excavation
作者： 毕洁同[1];皇民[1];王松[1]
作者机构： [1]河南工程学院土木工程学院,河南郑州451191
出版物刊名： 交通科技与经济
页码： 58-64页
年卷期： 2019年 第4期
主题词： 软弱围岩;偏压隧道;数值分析;台阶法;环形开挖预留核心土
摘要：以V级软弱围岩杏花村偏压隧道工程为背景,应用有限差分软件FLAC3D对大断面偏压
隧道进行开挖数值模拟,研究大断面浅埋偏压隧道中微台阶法与环形开挖预留核心土开挖的不同
效果。

结合杏花村三车道隧道施工实测数据,通过对比分析发现模拟结果与实际监测结果一致。

FLAC3D准确模拟软弱围岩浅埋偏压隧道开挖,结果表明:在大断面偏压隧道开挖中,偏压侧位移较大,施工过程中,可采取在偏压侧设置挡土墙或加厚衬砌厚度的措施。

通过对数值模拟中围岩应力状态、衬砌结构内力的比较,综合考虑后采取环形开挖预留核心土法进行大断面偏压隧道开挖,有较好的施工效果。

Science &Technology Vision科技视界0引言随着隧道建设的快速发展,越来越多的隧道线路需要穿越浅埋黄土区。

受埋深浅、黄土承载力有限的限制,浅埋黄土隧道施工时容易出现支护变形过大、支护开裂甚至冒顶塌方的情况[1-2]。

20世纪70年代以来,有限元法已经广泛地应用于土体的动力分析中。

近年来,拉格朗日元由于能解决大变形问题而倍受青睐,美国Itasca 公司推出的FLAC 3D 能够很好地进行动力分析[3]。

FLAC 3D 是连续介质快速拉格朗日差分分析方法(Fast Lagrangian Analysis of Continuum)的英文缩写。

美国Itasca Consulting Group Inc.将此方法用于岩土体的工程力学计算中,并于1986年开发出Flac [4]。

目前,该软件从二维平面分析拓展到三维空间分析,已成为处理功能强大的新一代软件—Flac3D。

Flac3D 程序已成为目前岩土力学计算中的重要数值方法之一,它采用ANSI C++语言编写,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,并可通过调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构[5-6]。

Flac3D 采用的显示拉格朗日算法和混合—离散分区技术能够非常准确地发现模拟材料中的塑性破坏和流动。

由于无需形成刚度矩阵,因此,采用较小的计算资源就能够求解大范围的三维岩土工程问题[7]。

本文以高速公路隧道浅埋段地表塌陷为实例,利用数值模拟软件Flac 3D建立计算模型[8],对地表塌陷原因、围岩破坏位置、加固前后围岩受力状态进行了详细研究和对比[9]。

并结合现场监控量测和数据分析,验证了数值模拟结果,预测浅埋黄土段隧道围岩长期变形,确保注浆后隧道的稳定和长期运营安全[10-11]。

1工程背景隧道出口段为V 级围岩,围岩破碎,埋深,呈层块构造,节理裂隙发育。

隧道发生坍塌,初期支护全部垮塌并形成冒顶,地表下沉开裂形成凹坑。

基于FLAC3D的高速公路隧道两种开挖方式稳定性分析采用数值计算对高速公路隧道施工过程进行分析，得到了施工过程中围岩的变形和支护结构的受力状态。

结果表明，随着开挖的推进，中隔墙上部以及洞侧壁处围压变形和应力较为集中，易产生相关地质灾害。

所以，在相关工程施工过程中应该对以上部位进行高质量的支护防灾。

对于底部在中墙位置隆起较为严重，所以应该加强此处的加固措施，条件允许是可开挖较深施做浅基础。

标签：隧道；围岩；数值计算1 概述近年来，随着经济建设及基础设施的快速发展，我国对于高速公路的需求越为强烈。

为更好的选线施工，减少施工期间地质灾害的威胁，方便施工以及满足交通需求，必须开山造路或者凿洞通路，这也就面临隧道开挖相关复杂地质问题。

目前，山岭隧道越来越多，比如川兰铁路的山岭隧道占到了线路总长的一半，而山岭隧道所遇到的围岩复杂多变，构造运动影响强烈，隧道断面的跨度也越来越大，所以不同的断面形式在一定方面适应复杂地区隧道的开挖。

随着开挖期间的多期次开挖扰动使得岩体强度明显减弱，岩体破碎严重，其自身稳定性明显降低，同时也造成后期施工难度加大，软弱夹层地带更为明显，易产生类型及机制较为复杂的地质灾害。

本文在基于FLAC数值软件的计算下，主要对Ⅵ级围岩下的大跨度隧道在不同的开挖方式下其对应围岩稳定性进行对比分析研究。

2 计算方案2.1 计算模型某隧道长约270m，围岩为Ⅴ、Ⅵ级，开挖跨径最大为37.0m，埋深最大为75m。

研究区地貌主要为侵蚀山地和剥蚀山地，地层岩性主要为人工填土、碎石、粉砂泥质岩和泥岩组成，隧道入口所出露岩性为残破积亚粘土夹碎石。

整个隧道橫穿山岭地带，且隧道入口比较陡峭，坡度角约为50°，隧道出口较入口比较缓，坡角约30°。

以隧道入口所出露岩性为研究对象，运用FLAC3D软件建立三维地质及结构模型（见图1）。

由于数值模型的建立必然会受到边界效应的影响，所以在所建模型之时，将模型埋深取为48.5m，隧道左右内壁距模型边缘均为50m，沿隧道垂直走向方向长度为120m，隧道内壁顶部距底部边界为40m，沿隧道走向方向长度为10m。