1 引言

兩個星期前，在《各向異性巖體的數值模型(Anisotropic Rock Mass Model)》中曾經提及MIDAS Geotech將在2022年3月29號舉辦一場webinar，由ARUP的巖土工程師主講，報告題目是《Numerical Analysis of Tunnels in Anisotropic Rock Mass Formation(各向異性巖體地層中隧道的數值分析)》，這個報告時長45分鐘，下面總結了本報告的第一部分Part 1，主要討論了研究對象，施工技術和數值模擬方法的選擇以及參數標定。

2 研究對象

研究的隧道是一個采礦運輸巷道，巷道埋深360m，高度15m，寬度15m, 它與一個直徑10m的豎井相交，如下圖所示。

巖體是呈明顯各向異性的泥巖，主要不連續間距為1m, 水平最大主應力是垂直應力的1.5倍，是水平最小主應力的1.7倍，方向是NE315°。

3 施工技術

必須意識到，盡管先進的隧道開挖機械設備已經得到了長足的發展，但采礦隧道的開挖與普通地鐵的開挖有著本質的差別，大多數地下采礦工程仍然使用傳統的爆破方法進行開挖。這個項目在不同深度和不同類型的巖石中使用不同的開挖技術，包括分段面開挖隧道，即不是一次性全斷面開挖；使用永久性的噴錨網聯合支護；在豎井和隧道的交叉點使用鋼筋混凝土進行支護。豎井開挖從地表開始的前60m使用沉井機(Vertical Sinking Machine)開挖【沉井基礎(Caisson Foundation)---形狀和尺寸(Shape and Size) (3)；沉井基礎---側摩阻力(Skin Friction)計算 (5)】，在60m之后使用豎井鉆孔機(Shaft Boring Machine)開挖至360m水平，然后開挖隧道。隧道分5步進行開挖，開挖步驟簡單概括如下：

(1) 首先開挖頂部中心[1]，推進大約3m;

(2) 然后開挖頂部左側[2], 推進大約3m;

(3) 接著開挖頂部右側[3]，推進大約3m; 

(4) 全斷面開挖隧道中部的臺階[4]，推進大約5m;

(5) 最后全斷面開挖底部的臺階[5], 推進大約5m。

總的開挖原則是左側比右側先推進大約6m，在每步的開挖后立即使用巖石錨桿支護。

巖石錨桿使用CT-M33, 其參數如下: 直徑32mm, 長度4m, 屈服拉力420KN, 間距1.5m*1.5m，更詳細的技術細節可參看CT-M33出廠手冊。噴射混凝土厚度125mm, 第一次噴射75mm，第二次噴射50mm，混凝土強度使用C32/40，鋼筋網尺寸：直徑8mm，網格間距200*200mm。

4 數值方法選擇

數值模擬必須能夠充分模擬出巖體的各向異性特性，也需要模擬噴射混凝土的老化行為。由于不是全斷面開挖，因此開挖順序的模擬也是必須的。此外，需要模擬不同類型的結構元支護對巖體產生的影響。

對于巖體來說，模擬的最好工具是3DEC,事實上該項目的另一個研究團隊正在使用3DEC模擬這個隧道。Kassa(2016) <Numerical models on anisotropy of rocks> 使用單軸和三軸強度試驗比較了3DEC和GTS NX的模擬結果，他使用的模擬試件尺寸為5m*5m*10m，然后在試件中加入弱面，弱面角度從0°到90°變化，探索弱面對強度的影響，從而對參數進行標定。3DEC使用了Mohr-Coulomb節理模型，GTS NX使用了三維實體元加界面元。對于實體單元，使用從Hoek-Brown準則推導出來的等效Mohr-Coulomb準則，對于界面元使用Mohr-Coulomb摩擦定律。模擬過程是在一定圍壓(0, 0.5, 1.0, 3.0, 6.0MPa)下, 以恒定速度施加位移，直至試件破壞為止。不同條件下詳細的模擬結果比較參看視頻，在此不再贅述。