第ｌＯ期 北 方 交 通 ・７７・ ＦＬＡＣ３ Ｄ在大荒沟隧道 最小净距确定中的应用 张向东 张俊鹏 万明富 （１．辽宁工程技术大学土木建筑工程学院，阜新１２３０００；２．辽宁省交通勘测设计院，沈阳１１０００５） 摘要：ＦＬＡＣ软件可广泛地应用于岩土工程的设计与计算，以鹤大高速公路桓仁新开岭至丹东古城子段大荒 沟隧道为工程背景，应用ＦＬＡＣ３Ｄ软件对大荒沟隧道的最小净距进行了模拟与确定。通过对Ⅲ、Ⅳ、Ｖ级围岩下不 同净距的浅埋隧道进行数值模拟，得出了不同围岩级别下的小净距隧道在施工过程中围岩的变形规律和变性规律 之间的相似性。通过对中问岩柱的变形与塑性区破坏规律分析，得出了最小净距的３－程设计参考值。为小净距隧 道的发展和施工设计提供了较确切的参考数据和理论依据。 关键词：ＦＬＡＣ软件；小净距隧道；围岩级别；数值模拟 中图分类号：Ｕ４５２．２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７３—６０５２（２ｏｏ８）１０—００７７一ｏ４ 小净距隧道是介于普通分离式隧道与连拱隧道 过单个流体质点运动参数随时闯的变化规律，以及 的一种结构形式，由于不受地形条件以及总体线路 相邻质点间这些参数的变化规律，来研究整个流场 线型的限制，又较之连体型隧道施工工艺简单、易于 中流体的运动。将拉格朗日法移植到固体力学中， 防水处置、造价易于控制，采用的工程实例有急速增 将所研究的区域划分成网络，网格节点相当于流体 加之势。在公路交通、铁路交通、城市地铁以及水利 的质点，然后按时步用拉格朗日法来研究网格节点 等工程中都出现了小净距隧道。公路隧道中已建的 的运动，这种方法就称为拉格朗日元法。该方法最 有宁波镇海的招宝山隧道、督汶高速公路上的董家 适合于求解非线性大变形问题： 山隧道、京福高速公路上的金旗山隧道、京福国道上 ２ ＂１－程实例应用 的里洋隧道、厦门市仙岳山隧道等均采用了小净距 ２．１ 工程实例概况 隧道形式。但是，小净距隧道是一种新型的结构形 大荒沟隧道位于丹东市宽甸县青山沟乡弯沟村 式，目前尚缺乏足够的设计、施工经验。由于小净距 与本溪市桓仁县向阳乡和平村之间，走向南西２１０ 隧道中夹岩墙厚度远小于普通分离式隧道，并在施 ～２２５。左右。隧道左线桩号Ｋ５５＋６６０一Ｋ５６＋７８０， 工过程中多次受到扰动，使得围岩稳定性和支护结 长１１２０ｍ；右线起讫桩号ＹＫ５５＋７００～ＹＫ５６＋７８０， 构受力较为复杂。而中夹岩墙在施工过程中的力学 长１０８０ｍ，通化端为分离式隧道，其范围为左线Ｋ５５ 行为特征，对围岩稳定性和支护结构参数选取起着 ＋６７５一Ｋ５６＋３７８．６８０，右线为ＹＫ５５＋７１０一ＹＫ５６ 决定性的作用，保证小净距隧道中夹岩墙的稳定是 ＋３７５。隧道丹东端左线Ｋ５６＋３７８。６８０一Ｋ５６＋ 小净距隧道设计、施工的关键，因此对中夹岩墙的力 ７３５，右线ＹＫ５６＋３７５一ＹＫ５６＋７４０段落中左右线隧 学行为特征、加固机理和方法进行研究具有重要的 道毛洞间距范围位４．０９５—１４．８１２ｍ，属于小净距隧 现实意义。 道。 １ Ｆｌ ＡＧ简介 隧道单洞开挖的最大宽度Ｂ＝１１．０ｍ，建筑限 ＦＬＡＣ（Ｆａｓｔ Ｌａｎｇａｒａｎｇｉａｎ Ａｎａｌ ｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｏｎｔｉｎｕａ） 界净高５．０ｍ，检修道净高２．５ｍ，设计车速：隧道几 是一种显式差分程序，于１９８６年由美国Ｉｔａｓｃａ公司 何现形与净空按８０ｋｍ／ｈ。洞口段为Ｖ级围岩，洞身 开发。该程序的基本原理和算法与离散元法相似， 为Ⅲ、Ⅳ级围岩。各级围岩力学参数来自于规范并 但它应用了节点位移连续的条件，可以对连续介质 列于表ｌ中。 进行大变形分析。 ２．２ 模型建立 ＦＩＡＣ程序采用的是拉格朗日法。拉格朗日法 计算模型沿Ｘ轴方向取６０ｍ，沿Ｙ轴方向取 是流体力学中研究流体运输的两种方法之一。它通 ２０ｍ，两侧水平约束，底部竖向约束，区域顶面自由。 ・７８・ 北 方 交 通 ２００８ 表１ Ⅲ、１Ｖ、Ｖ级围岩的物理力学指标平均值 以自重形成初始应力场进行模拟施工。材料的本构 关系采用摩尔一库仑模型建立计算模型。网格划分 时均采用自由网格划分的形式，离洞口较近的网格 划分较密、精度较高，靠近模型边缘的网格则划分较 疏、精度较低。 ‘ 根据ＪＴＧ Ｄ７０—２００４＜＜公路隧道设计规范》中关 于隧道深浅埋分界的规定，按照工程图纸中所给定 一 曼 攀 的隧道界面尺寸求得Ⅲ、Ⅳ、Ｖ级围岩下分界埋深分 加 别为５．７６ｍ、１４．４ｍ、２８．８ｍ。所以建立模型时Ⅲ级 围岩的埋深取５．７６ｍ，１Ｖ级围岩埋深取１４．４ｍ，Ｖ级 围岩埋深去２８．８ｍ。各级围岩之间的毛洞距离均从 Ｄ＝０．２Ｂ开始模拟，以０．１Ｂ（Ｂ为隧道单洞开挖的 ＼最大宽度）为级差递增，模拟至Ｄ＝１．０Ｂ。建立的 三维模型如图１所示（以Ⅲ级围岩为例）。 图１ Ⅲ级围岩Ｄ＝０．２Ｂ时的数值计算模型 ２．３ 数值模拟与结果分析 小净距隧道因洞间净距小于１．５倍洞跨，导致 施工产生的扰动必然会影响隧道围岩的力学特性， 所以，小净距隧道一般采用一先一后的施工方法，先 行隧道施工时，与一般单洞施工无异。后行洞开挖 施工时，围岩将产生复杂的应力重分布。受力特性 表现为，先行隧道和后行隧道发生相互耦合作用。 要使小净距隧道中央岩柱稳定可靠就必须保证不出 现塑性区或出现微小塑性区且不能贯通。下面通过 对不同岩级别的中问岩柱的塑性区及洞室周边的位 移来确定小净距隧道的合理净距。 （１）Ⅲ级围岩的位移与塑性区分析 从图２、图３、图４中可以看出，随着隧道净距的 逐渐增大，隧道拱顶下沉、拱底和水平收敛逐渐减 小，当隧道净距大到一定值时，双洞情况下的围岩位 移就接近单洞的情况，且此时随着净距的增大，围岩 位移变化很小。表明当净距≥１．０Ｂ时，随着净距的 增大，两隧道相互影响就越来越小，位移的变化随净 ０．２Ｂ ０．３Ｂ ０．４Ｂ ０．５Ｂ ０．６Ｂ ０ ７０Ｂ ０ ８Ｂ ０ ９Ｂ １．０Ｂ 净距 图２ Ⅲ级围岩拱顶下沉位移 ０．４３５ ０．４３０ ０．４２５ ０．４２０ ０ ４１５ ０．４１０ 一Ｅ山）稔 ０．４０５ ０ ４００ ｏ ３ ０ ２ ｏ ｌ ｏ Ｏ ｌ ２ 加 ３ ０ ３９５ ０ ２Ｂ ０．３Ｂ ０．４Ｂ ０．５Ｂ ０．６Ｂ ０．７ＯＢ ０．８Ｂ ０ ９Ｂ １．０Ｂ 净距 一 图３ ＩＩＩ级围岩拱底位移 ０．２Ｂ ０． ３Ｂ ０．４Ｂ ０．５Ｂ ０ ６Ｂ ０．７ＯＢ ０．８Ｂ ０．９Ｂ １．０Ｂ 净距 图４ Ⅲ级围岩腰线水平位移 ５ Ⅲ级围岩Ｄ＝０．３Ｂ时的塑性区 距的变化不大，最后趋于单洞情况。另外，结果表 明，当净距在０．３Ｂ左右时，围岩位移出现突变，净 距小于０．３Ｂ时，围岩位移随净距变化较敏感，表明 围岩稳定性受净距变化影响很大；净距大于０．３Ｂ 时，围岩位移随净距变化不敏感，表明围岩稳定性受 净距变化影响很小。 由图５可以看出，在Ｄ＝０．３Ｂ时，中间岩柱并 没有出现塑性区，只是在隧道的拱顶和拱底有较少 耍 一—Ｅ山） ｝｝ｌ （ⅢＳ潦 第１０期 张向东等：ＦＬＡＣ３Ｄ在大荒沟隧道最小净距确定中的应用 １１＿１ １—１ １．ｒＪ Ｔ． ●１１Ｊ，Ｔ 窨弓 跖 跎 舯 他 ｏ ｏ ０ ３ ２ ｌ Ｉ 加 ２ ３ ・７９・ 的塑性区出现，可见中间岩柱是比较安全的。 （２）Ⅳ级围岩的位移与塑性区分析 一１．８ １．９ —２ ０ 藻一２．２ ２．３ －２．４ ０ ２Ｂ ０ ３Ｂ ０ ４Ｂ ０ ５Ｂ ０ ６Ｂ ０ ７ＯＢ ０ ８Ｂ ０．９Ｂ ｌ＿０Ｂ 净距 图６ ＩＶ级围岩拱顶下沉位移 ０．２Ｂ ０ ３Ｂ ０ ４Ｂ ０．５Ｂ ０ ６Ｂ ０．７０Ｂ ０．８Ｂ ０．９Ｂ １．０Ｂ 净距 图７ Ⅳ级围岩拱底位移 ０．２Ｂ ０．３Ｂ ０ ４Ｂ ０，ｓＢ ０艇｝０．７ｆＪＢ ０．８Ｂ ０ ９Ｂ １．０１３ 净距 图８ Ⅳ级围岩腰线水平位移 图９ ＩＶ级围岩Ｄ＝０．５Ｂ时的塑性区 从图６、图７、图８中可以看出，当净距在０．５Ｂ 时，围岩位移出现突变，净距小于０．５Ｂ时，围岩位 移随净距变化较敏感，表明围岩稳定性受净距变化 影响很大；净距大于０．５Ｂ时，围岩位移随净距变化 不敏感，表明围岩稳定性受净距变化影响很小。由 图９可以看出，在Ｄ：０．５Ｂ时，虽然中间岩柱出现 一一 塑性区，但并没有贯通，只是在洞室的边缘出现微小 的塑性区，不会影响围岩的稳定性。 （３）Ｖ级围岩的位移与塑性区分析 ５．２ ５．４ －５．６ 一Ｓ．８ 宝－６．０ 渣一６．２ 一一６－４ ＿６．６ －６．８ 耍 ０．２Ｂ ０．３Ｂ ０．４Ｂ ０ｓＢ ０．６Ｂ ０．７０Ｂ ０．８Ｂ ０．９／３ １．０Ｂ 净距 图１Ｏ Ｖ级围岩拱顶下沉位移 一９．５ 薰 Ｏ．２Ｂ ０．３Ｂ Ｏ．４Ｂ ０．５Ｂ Ｏ．６Ｂ Ｏ．７ＯＢ Ｏ．８Ｂ ０．９Ｂ ｌ＿０１３ 净距 图１１ Ｖ级围岩拱底位移 １．６ １．４ Ｌ２ ｌ ０ Ｏ．８ ０．６ ０．４ ０ ０．２ 蓦０．０ －０．ｉ —Ｏ．８ 一１．０ 一１．２ 一１．４ 一１．６ 一Ｉ．８ ０．２Ｂ ０．３Ｂ ０．４Ｂ ０．５Ｂ ０．６Ｂ ０．７０Ｂ ０．踞０．９Ｂ １．０Ｂ 净距 图１２ Ｖ级围岩腰线水平位移 图１３ Ｖ级围岩Ｄ＝０．７Ｂ时的塑性区 从图１０、图ｌ１、图１２中可以看出，当净距在 ０．７Ｂ时，围岩位移出现突变，净距小于０．７Ｂ时，围 岩位移随净距变化较敏感，表明围岩稳定性受净距 变化影响很大；净距大于０．７Ｂ时，围岩位移随净距 ・８０・ 北 方 交 通 变化不敏感，表明围岩稳定性受净距变化影响很小。 由图ｌ３可以看出，在Ｄ＝０．７Ｂ时，虽然中间岩柱出 现塑性区，但并没有贯通，只是在洞室的边缘出现微 小的塑性区，不会影响围岩的稳定性。 ３ 结论 集中且可能易发生破坏失稳的部位是：两隧道的外 侧壁、拱顶点、小间距岩柱侧壁及与底板的连接处。 这些部位在施工过程中应重点关注，这也是信息化 反馈施工必须重点监控的部位。因此，根据以上模 拟计算和结果分析，我们可以把围岩各项指标发生 突变时的净距作为隧道的合理净距（如本文的算例 （１）在相同施工条件下，不同的围岩类别对小 净距尺寸的影响较大，对于Ⅲ级围岩，小净距的合理 就可以把Ｄ＝０．３Ｂ作为Ⅲ级围岩隧道的合理净距； 范围应在０．３Ｂ左右；而对于Ⅳ级围岩小净距的合 Ｄ＝０．４Ｂ作为Ⅳ级围岩的合理净距；Ｄ：０．７Ｂ作为 理范围应在０．５Ｂ左右；对于Ｖ级围岩小净距的合 Ｖ级围岩的合理净距），为小净距隧道的规划、选线 理范围应在０．７Ｂ左右选择。 和设计提供理论依据。 （２）在围岩级别相同的条件下，随着隧道净距 参考文献 的逐渐增大，围岩位移、塑性区分布均逐渐减小。从 ［１］刘艳青，钟世航，卢汝绥，等．小净距并行隧道力学状态的试验研 围岩的各项指标随净距的变化规律可以看出，各项 究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０００，１９（５）：５９０—５９４． 指标与净距并非简单的非线性关系，而是存在明显 ［２］晏启祥，何川，姚勇，等．小净距隧道施＿７＿－／ｂ导管注浆效果的数值 模拟分析［Ｊ］．岩土力学，２００４，２５（增）：２３９—２４２． 的突变现象，当净距大于某个值时，各项指标随净距 ［３】黄波．金旗山小净距隧道施工技术要点［Ｊ］．现代隧道技术， 的变化不敏感，而当小于该值时，各项指标随净距的 ２００４，４１（２）：４８－５２． 变化敏感。 ［４］王玉成．小净距隧道开挖及中夹岩墙加固施工技术［Ｊ］．山西建 （３）不同岩性的围岩在同一开挖方式下其变形 筑，２００５，３１（１ｏ）：８１—８２． 规律基本相同，但量值差异较大。因此，对同一公路 ［５］李斯海．厦门市仙岳山隧道围岩稳定性三围有限元计算分析 ［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０００，１９（２）：２１１—２１４． 隧道，若沿线有不同的围岩类别时，可选择不同的支 ［６］盯Ｇ Ｄ７０—２００４，公路隧道设计规范［Ｓ］． 护方式，限制低类别围岩产生过大变形。 ［７］张兴来，钟云健．小净距并行隧道围岩稳定的分析方法及应用 （４）由分析可知，施工过程中变形过大、应力较 『Ｊ１．重庆交通学院学报．２００３。３（１）：２５—２６． Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＦＬＡＣ３０ ｉｎ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｃｌｅｒａｎｃｅ ｏｆ Ｄａｈｕａｎｇｇｏｕ Ｔｕｎｎｅｌ Ａｂｓｔｒａｃｔ ＦＬＡＣ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ｅｎａｂｌｅｄ ｔｏ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｅｓ ａｎｄ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓ ｔｈｅ ｍｉｎｉｍｕｍ ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｏｆ Ｄａｈｕａｎｇｇｏｕ ｔｕｎｎｅｌ ｂｙ ＦＬＡＣ３０ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｓ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｗｉｈｔ Ｄａｈｕａｎｇｇｏｕ ｔｕｎｎｅｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｔ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｕａｉｒｅｎｘｉｎｋａｉｌｉｎｇ—Ｄａｎｄｏｎｇｇｕｃｈｅｎｇｚｉ ｏｎ Ｈｅ—Ｄａ Ｆｒｅｅｗａｙ．Ｎｕ— ｍｅｒｉｃａｌ ｓｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈａｌｌｏｗｌｙ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｔｕｎｎｅｌ ｏｆ Ｉｌｉ．１Ｖ ａｎｄ Ｖ ｔｒａｄｅｄ ｗａｌｌ ｒｏｃｋ ｗｉｔｈ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｃｌｅａｒａｎｃｅｓ ｈａｓ ｏｂ－ ｒａｉｎｅｄ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｌａｗｓ ｏｆ ｗａｌｌ ｒｏｃｋ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｍｍｉｌａｒｉｔｙ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｌａｗｓ ｉｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｗｉｔｈ ｓｍａｌｌ ｃｌｅａｒａｎｃｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｎＡＣ ｓｏｆｆｔｗａｒｅ：Ｔｕｎｎｅｌ ｗｉｔｈ ｓｍａｌｌ ｃｌｅａｒａｎｃｅ；Ｇｒａｄｅ ｏｆ ｗａｌｌ ｒｏｃｋ；Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ