FLAC在隧道开挖建造过程数值仿真模拟_袁轶超

FLAC3D数值模型深度开发及能量分析法的实现及应用摘要：传统数值模拟分析，主要是分析应力云图、表面位移、塑性区分布，我们结合工作实际，额外提供一种新的分析方法，即能量法，该分析方法可用于巷道围岩的稳定分析、围岩冲倾向及冲击发生部位的预测、巷道锚杆锚索支护结构破坏的预测等方面，指导现场施工，优化巷道支护设计，可以模拟出围岩冲击倾向性指标值、预判巷道破坏部位，从而能够及时采取措施，预防支护失稳及围岩冲击破坏等灾害的发生。

关键词：FLAC3D；数值模型；开发；能量分析；应用前言弹塑性力学中，当弹性体受到外力作用后，不可避免地要产生变形，同时外力的势能也要发生变化。

当外力缓慢地（不致引起物体产生加速运动）加到物体上时，视作静力，便可略而不计系统的动能，同时也略去其他能量（如热能等）的消耗，则外力势能的变化就全部转化为应变能（一种势能）储存于物体的内部。

当巷道开挖前或工作面回采前，围岩处于自然平衡状态，即原岩应力状态，同时围岩内部存储的能量也处于平衡状态，即原始能量场，视作静态能量场，当开巷或回采资源后，破坏了原来的应力平衡，围岩内应力将会按照岩石介质的本构关系重新分布，形成新的平衡状态，即形成二次应力场，在围岩应力重新平衡过程中，围岩不可避免的产生应变，围岩内部能量场也重新分布，形成新的能量场。

随着计算机技术的快速发展，数值仿真方法成为一种重要的工程分析手段，本文通过FLAC3D数值分析软件内置编程语言，将弹塑性力学公式程序化，并通过FLAC3D图形显示模块，将巷道周围围岩的能量场可视化，从而分析开挖体周围的能量聚集状态，其结果可用于：巷道围岩的稳定分析、围岩冲击倾向及冲击发生部位的预测、巷道锚杆锚索支护结构破坏的预测等方面，指导现场施工，优化巷道支护设计，结合围岩冲击倾向性指标值预判巷道冲击可能和破坏部位，从而能够及时采取措施，预防支护失稳及围岩冲击破坏等灾害的发生。

1需要解决的技术问题首先是巷道围岩的稳定分析，其次是围岩冲倾向及冲击发生部位压的预测，第三就是对巷道锚杆锚索支护结构破坏的预测。

基于FLAC3D的基坑工程下地铁隧道隆起位移的数值模拟作者：叶建华来源：《西部资源》2017年第06期摘要：本文以深基坑开挖对其邻近隧道的影响为研究内容，通过三维有限元分析，在定性的基础上研究了不同情况下深基坑开挖对隧道的影响，为优化设计和施工提供有益的参考。

关键词：基坑开挖；数值模拟；地铁隧道1.引言随着经济高速发展，大城市内部可供开发用地越来越接近饱和，地铁周边区域的用地不可避免的逐渐被使用，故现阶段越来越多的深基坑工程位于运行的地铁隧道区间附近。

由于近距离的深基坑开挖卸荷会导致隧道周边的位移场和应力场发生变化，而地铁隧道的变形控制要求又极其严格，因此，在大力发展城市地下空间建设和利用的今天，研究基坑开挖卸荷对地铁隧道的影响，确保隧道在运行过程中的使用安全，具有相当的紧迫性和适用性。

由于施工方法的多样性和工程的复杂性，目前还没有提出较为精确的理论解析解，绝大多数工程（紧邻地铁隧道附近）在建设前基本上都采用数值模拟的方法来分析深基坑开挖过程中对地铁隧道影响，并对其进行预测。

本文运用三维有限元分析软件FLAC3D从空间上分析讨论不同工况情况下深基坑开挖对地铁隧道变形及内力的影响，该分析方法和结果可为类似工程提供一定借鉴。

2.三维有限单元结构模型为了模拟基坑开挖卸荷对地铁隧道的影响，可以做出一些假设：（1）假设开挖岩土层为理想匀质单一岩土体；（2）忽略基坑边地面超载对地铁隧道的影响；（3）忽略其端部效应；（4）隧道位移与土体位移相容；（5）为减小计算量，将盾构隧道方向与基坑纵向近似为正交。

有限单元结构模型不可能选取无限大的空间，因此适当选取合理的计算区域和边界条件尤为重要。

由于基坑开挖的影响范围主要取决于基坑开挖的平面尺寸、形状、开挖深度及工程地质条件等因素。

故本次数值模拟分析过程中，假定基坑开挖长约30m，宽约30m，最大开挖深度约8m。

一般认为：基坑开挖影响范围水平、竖向方向为2倍～3倍基坑开挖深度范围，考虑到隧道存在前后左右的对称性，本文所选的有限单元结构模型取长（X方向）90m，宽（Y 方向）90m，深（Z方向）40m，坐标O点代表隧道最低点。

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。

基于FLAC3D的盾构隧道施工过程建模影响因素分析崔铁军;马云东【期刊名称】《中国安全生产科学技术》【年(卷),期】2013(009)010【摘要】基于FLAC3D对盾构隧道施工过程模拟,研究建模影响因素及其影响程度.首先,综合隧道开挖过程中盾构机前体与岩土层间相互作用的影响因素来模拟隧道开挖过程,确定地表沉降和隧道垂直(Z)方向应力;然后,分别模拟去除其中一种因素后的隧道开挖过程,并求出相应的地表沉降和隧道垂向应力;最后,基于傅里叶变换对各种情况下的地表沉降量和应力应变状况进行比较分析,找出各因素对建模的影响程度,从而为利用FLAC3D进行盾构隧道施工模拟时的影响因子的选择提供参考.研究结果表明:一方面,建模过程中的各种因素对地表沉降的影响大于对隧道Z向压力影响;另一方面,盾构机推进给作业面土体压力、盾尾灌浆延迟于管片拼装造成的暂时对土体支护力不足、盾构机刀盘转动给作业面土体的扭力等因素对模型解算造成的影响最大.【总页数】6页(P15-20)【作者】崔铁军;马云东【作者单位】辽宁工程技术大学安全科学与工程学院,辽宁阜新123000;大连交通大学辽宁省隧道与地下结构工程技术研究中心,大连116028;沈阳华慧科技有限公司,辽宁沈阳110000;大连交通大学辽宁省隧道与地下结构工程技术研究中心,大连116028【正文语种】中文【中图分类】U231+.96;X913.4【相关文献】1.基于FLAC3D路基边坡安全系数影响因素分析 [J], 姜恒超2.基于FLAC3D强度折减法计算结果的影响因素分析 [J], 牛林峰;袁楠3.基于逆向工程的三维复杂地质体精细建模及ADINA前处理在FLAC3D建模中的应用 [J], 徐文杰;胡瑞林4.基于FLAC3D土舱压力波动对盾构隧道开挖的影响研究 [J], 刘子利;汪增超;刘鹏程5.基于FLAC3D模拟基坑施工过程荷载对周边环境的影响 [J], 邱斌因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

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。

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模拟隧道开挖********************************隧道开挖****************************建立模型******configgrid 10 10m mgen arc 5 5 7 5 180prop dens 2000 bulk 33.333e6 shear 20.0e6 fric 35 coh=50e3fix y j 1fix x i 1fix x i 11set grav 10history 1 ydisp i=6, j=11history 999 unbalancedsolve保存m1文件********开挖******ini xdisp 0 ydisp 0m null i 4 7 j 4 6m null i 5 6 j 7solve保存m2文件********连接m1进行衬砌*********initial xdisp 0 ydisp 0initial xvel 0 yvel 0model null i 5 6 j 4 7group 'null' i 5 6 j 4 7group delete 'null'model null i 4 j 4 6group 'null' i 4 j 4 6group delete 'null'model null i 7 j 4 6group 'null' i 7 j 4 6group delete 'null'struct node 1 grid 6,8struct node 2 grid 7,8struct node 4 grid 8,7struct node 5 grid 8,6struct node 6 grid 8,5struct node 7 grid 8,4struct node 8 grid 5,8struct node 9 grid 5,7struct node 10 grid 4,7struct node 11 grid 4,6struct node 12 grid 4,5struct node 13 grid 4,4struct liner begin node 1 end node 2 seg 1 prop 5001struct liner begin node 2 end node 3 seg 1 prop 5001struct liner begin node 3 end node 4 seg 1 prop 5001struct liner begin node 4 end node 5 seg 1 prop 5001struct liner begin node 5 end node 6 seg 1 prop 5001struct liner begin node 6 end node 7 seg 1 prop 5001struct liner begin node 1 end node 8 seg 1 prop 5001struct liner begin node 8 end node 9 seg 1 prop 5001struct liner begin node 9 end node 10 seg 1 prop 5001struct liner begin node 10 end node 11 seg 1 prop 5001struct liner begin node 11 end node 12 seg 1 prop 5001struct liner begin node 12 end node 13 seg 1 prop 5001struct prop 5001struct prop 5001 dens 2100 e 20e9 thick=0.15 area=0.15 pr=0.2 struct prop 5001 syield=4e6 sycomp=40e6solve保存m3文件***************连接m1文件进行打锚杆****************initial xdisp 0 ydisp 0initial xvel 0 yvel 0m null i 4 7 j 4 6m null i 5 6 j 7struct node 1 grid 6,8struct node 2 grid 6,10struct node 3 grid 7,8struct node 4 6.8468637,8.774908struct node 5 6.785978,5.9132843struct node 6 8.531365,7.2730627struct node 7 6.9686346,4.979705struct node 9 grid 8,5struct node 10 grid 10,5struct node 11 grid 4,5struct node 12 grid 2,5struct node 13 grid 4,6struct node 14 grid 2,6struct node 15 grid 4,7struct node 16 1.1845019,6.826568struct node 17 4.0867157,6.806273struct node 18 2.6660516,8.815498struct cable begin node 1 end node 2 seg 10 prop 2001struct cable begin node 3 end node 4 seg 10 prop 2001struct cable begin node 5 end node 6 seg 10 prop 2001struct cable begin node 7 end node 8 seg 10 prop 2001struct cable begin node 9 end node 10 seg 10 prop 2001struct cable begin node 11 end node 12 seg 10 prop 2001struct cable begin node 13 end node 14 seg 10 prop 2001struct cable begin node 15 end node 16 seg 10 prop 2001struct cable begin node 17 end node 18 seg 10 prop 2001struct prop 2001stru pro 2001 yi 1e6 kb 1e10 sb 1e7 e 200e9 a 2e-3solve保存m4文件***********连接m1文件开挖先衬砌后打锚杆***************initial xdisp 0 ydisp 0initial xvel 0 yvel 0model null i 5 6 j 4 7group 'null' i 5 6 j 4 7group delete 'null'model null i 4 j 4 6group 'null' i 4 j 4 6group delete 'null'model null i 7 j 4 6group 'null' i 7 j 4 6group delete 'null'struct node 1 grid 6,8struct node 2 grid 7,8struct node 3 grid 7,7struct node 4 grid 8,7struct node 5 grid 8,6struct node 7 grid 8,4struct node 8 grid 5,8struct node 9 grid 5,7struct node 10 grid 4,7struct node 11 grid 4,6struct node 12 grid 4,5struct node 13 grid 4,4struct liner begin node 1 end node 2 seg 1 prop 5001struct liner begin node 2 end node 3 seg 1 prop 5001struct liner begin node 3 end node 4 seg 1 prop 5001struct liner begin node 4 end node 5 seg 1 prop 5001struct liner begin node 5 end node 6 seg 1 prop 5001struct liner begin node 6 end node 7 seg 1 prop 5001struct liner begin node 1 end node 8 seg 1 prop 5001struct liner begin node 8 end node 9 seg 1 prop 5001struct liner begin node 9 end node 10 seg 1 prop 5001struct liner begin node 10 end node 11 seg 1 prop 5001struct liner begin node 11 end node 12 seg 1 prop 5001struct liner begin node 12 end node 13 seg 1 prop 5001struct prop 5001struct prop 5001 dens 2100 e 20e9 thick=0.15 area=0.15 pr=0.2 struct prop 5001 syield=4e6 sycomp=40e6struct node 14 5.0,7.0 slave x y 1struct node 15 grid 6,10struct node 16 5.8944273,6.7888546 slave x y 2struct node 17 6.712803,8.882353struct node 18 6.7888546,5.8944273 slave x y 4struct node 19 8.50173,7.3979235struct node 20 7.0,5.0 slave x y 5struct node 21 grid 10,6struct node 22 7.0,4.0 slave x y 6struct node 23 grid 10,5struct node 24 3.0,4.0 slave x y 12struct node 25 grid 2,5struct node 26 3.0,5.0 slave x y 11struct node 27 grid 2,6struct node 28 3.2111456,5.8944273 slave x y 10struct node 29 1.1747406,6.9031143struct node 30 4.1055727,6.7888546 slave x y 8struct node 31 2.9826992,8.920415struct cable begin node 14 end node 15 seg 10 prop 2001 struct cable begin node 16 end node 17 seg 10 prop 2001 struct cable begin node 18 end node 19 seg 10 prop 2001struct cable begin node 20 end node 21 seg 10 prop 2001struct cable begin node 22 end node 23 seg 10 prop 2001struct cable begin node 24 end node 25 seg 10 prop 2001struct cable begin node 26 end node 27 seg 10 prop 2001struct cable begin node 28 end node 29 seg 10 prop 2001struct cable begin node 30 end node 31 seg 10 prop 2001struct prop 2001stru pro 2001 yi 1e6 kb 1e10 sb 1e7 e 200e9 a 2e-3solve保存m5文件*****************连接m1文件开挖先打锚杆后衬砌***********************initial xdisp 0 ydisp 0initial xvel 0 yvel 0model null i 5 j 4 7group 'null' i 5 j 4 7group delete 'null'model null i 6 j 4 7group 'null' i 6 j 4 7group delete 'null'model null i 7 j 4 6group 'null' i 7 j 4 6group delete 'null'model null i 4 j 4 6group 'null' i 4 j 4 6group delete 'null'struct node 1 5.0,7.036332struct node 2 grid 6,10struct node 3 grid 7,8struct node 4 7.150519,8.711073struct node 5 6.731834,5.951557struct node 6 8.7301035,7.2456746struct node 7 6.9602075,5.0570936struct node 8 9.053633,5.0951557struct node 9 6.9221454,3.9532871struct node 10 9.224913,3.9723184struct node 11 2.9446368,3.9723184struct node 12 0.88927364,4.0103807struct node 13 2.9826992,5.038062struct node 14 0.813149,5.038062struct node 15 3.1539793,5.932526struct node 16 1.0415227,6.884083struct node 17 4.1055365,6.8269897struct node 18 2.697232,8.463668struct cable begin node 1 end node 2 seg 10 prop 2001struct cable begin node 3 end node 4 seg 10 prop 2001struct cable begin node 5 end node 6 seg 10 prop 2001struct cable begin node 7 end node 8 seg 10 prop 2001struct cable begin node 9 end node 10 seg 10 prop 2001struct cable begin node 11 end node 12 seg 10 prop 2001 struct cable begin node 13 end node 14 seg 10 prop 2001 struct cable begin node 15 end node 16 seg 10 prop 2001 struct cable begin node 17 end node 18 seg 10 prop 2001 struct prop 2001struct prop 2001 yi 1e6 kb 1e10 sb 1e7 e 200e9 a 2e-3struct node 100 grid 8,4struct node 101 grid 8,5struct node 102 grid 8,6struct node 103 grid 8,7struct node 104 grid 7,7struct node 105 grid 6,8struct node 106 grid 5,8struct node 107 grid 5,7struct node 108 grid 4,7struct node 109 grid 4,6struct node 110 grid 4,5struct node 111 grid 4,4struct liner begin node 100 end node 101 seg 1 prop 5001 struct liner begin node 101 end node 102 seg 1 prop 5001 struct liner begin node 102 end node 103 seg 1 prop 5001 struct liner begin node 103 end node 104 seg 1 prop 5001 struct liner begin node 104 end node 3 seg 1 prop 5001struct liner begin node 3 end node 105 seg 1 prop 5001struct liner begin node 105 end node 106 seg 1 prop 5001 struct liner begin node 106 end node 107 seg 1 prop 5001 struct liner begin node 107 end node 108 seg 1 prop 5001 struct liner begin node 108 end node 109 seg 1 prop 5001 struct liner begin node 109 end node 110 seg 1 prop 5001 struct liner begin node 110 end node 111 seg 1 prop 5001 struct prop 5001struct prop 5001 dens 2100 e 20e9 thick=0.05 area=0.05 pr=0.2 struct prop 5001 syield=4e6 sycomp=40e6solve保存m6文件。