隧道圍巖的案例
基于FLAC3D的雙孔隧道圍巖穩定性數值模擬分析
摘 要：針對雙孔隧道在施工過程中產生的復雜應力場與位移場，通過有限差分軟件FLAC3D數值模擬，采用Drucker-Prager準則作為巖土體塑性屈服準則，計算得到雙孔隧道開挖及支護后隧道的應力場及位移場分布規律。進而分析得到了雙孔隧道需要支護的關鍵位置及錨桿最小設計長度要求。結果表明：采用噴錨支護能夠有效阻止塑性區的擴大，對提高圍巖承載能力影響顯著。
關鍵詞：FLAC3D;噴錨支護;雙孔隧道;巖土工程;圍巖;
雙孔隧道作為現在主要的公路隧道形式，由于其獨特的構造以及復雜的受力形式，成為了現在隧道建設者研究的重點與難點，尤其當兩個隧道間距較小時，在圍巖上覆荷載與支護反力共同作用下就會形成更加復雜的應力場。
目前隧道穩定類的研究方法主要有解析法和數值模擬兩大類。對于隧道穩定類問題，有大量學者對此點進行了相關研究。趙明華等[1]基于有限元極限分析雙孔隧道的穩定性，得出影響隧道穩定的相關因素。李揚等[2]基于有限元軟件Midas對淺埋雙孔隧道開挖順序進行了相關研究。但是他們都是采用有限元軟件進行了相關研究工作。也有學者采用有限差分軟件[3,4,5,6,7,8]進行了相關研究，但是他們都是研究單孔隧道或者煤礦等，在開挖及支護后圍巖的應力及位移分布。采用有限差分軟件FLAC3D進行雙孔隧道開挖及支護研究的則相對更少。
因此本文采用有限差分軟件FLAC3D對雙孔隧道在開挖和支護兩種工況下，進行了相關的數值模擬，同時分析了開挖后以及采用錨噴支護后隧道塑性區分布特點，縱向應力場、位移場分布規律。
1 圓形隧道理論模型
關于圍巖塑性區發展理論，基于Mohr-Coulomb準則計算的Fenner公式比較經典，但其未考慮中間主應力對于巖石強度的影響。而中間主應力對巖石強度的影響程度為20%～50%[9],顯然不考慮中間主應力對于計算結果是有影響的。
展開 基于ABAQUS的隧洞圍巖裂隙擴展二次開發及研究
為避免巖石裂隙擴展引起興隆山隧道圍巖失穩,采用灌漿措施填充裂隙以提高巖石強度。同時,該方法能夠有效減小圍巖松動壓力。
文章來源：陜西水利
新手模擬隧道開挖的常用幾種方法
1.作為新手，在模擬隧道方面，最開始會受《ABAQUS在巖土工程中的應用》一書上的例子的影響，在模擬時會采取隧道圍巖和襯砌分別建立PART，然后分別定義屬性，在ASSENBLY中組裝，用TIE約束圍巖和襯砌變形。采用model change 控制圍巖開挖和襯砌加入。但由于TIE約束本身的缺陷，該方法劃分網格后，節點調整后，對于大的3D模型，求解和精度都有一些問題。
2、隨著認知的增加，漸漸你會發現，其實一般隧道的模擬不是這么做的，一般是在只建立一個part，partition出襯砌和開挖塊。對于單獨襯砌建立集合和小集合后。劃分網格，在job模塊，write input，然后在inp文件中用elcopy對襯砌集合生成另一個節點號相同但是單元號不同的集合。對該集合賦予襯砌性質。最后再采用生死單元model change。
3、采用field和temperature來變化材料性質。這個方法很明了，就是只能采用的本構模型比較簡單。實際模擬不好用。inp文件下次再傳。
4、采用input方法，直接導入模型節點，和各材料的單元。可以借鑒《ABAQUS在隧道與地下工程中的應用》一書。其實該書還是不錯的。雖然很多童鞋覺得不好、但是abaqus雖然作為CAE軟件，input文件的修改和書寫還是很關鍵的能力。還是要像ANSYS一樣啃命令流呀。查閱下自帶的幫助文件。
展開 11月11日項目懸賞
【單號7462】
預算范圍：1000
使用軟件：flac2d
需求描述：使用flac2d（8.0版本），求解不同降雨強度下的隧道圍巖及襯砌變形，和附件中的數值模擬相似。要求提供命令流和求解結果文件。
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【單號7489】
預算范圍：3000
使用軟件：abaqus
需求描述：需要一個基于位錯演化的晶體塑性有限元umat，要基于huang子程序修改，因為需要做枳構研究。
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【單號7490】
預算范圍：2000
使用軟件：matlab
需求描述：還原一篇論文有限元程序，我這邊有部分代碼，計算切線剛度矩陣和內力，就下圖相關矩陣，預算可談。
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【單號7477】
預算范圍：50000
使用軟件：CAD
需求描述：根據參數要求 設計氣浮機組的整套的圖紙 并給予指導生產 安裝 調試
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展開 
COMSOL Multiphysics的巖土力學模塊(Geomechanics Module)
3 Comsol在巖土力學中的應用
Nasir(2014) 使用耦合的thermo-hydro-mechanical-chemical (THMC) 模型研究了氣候變化影響下核廢料場地沉積巖的孔隙度和滲透率變化；Zhou(2014) 模擬了水庫水和降雨對三峽邊坡滑動體的滲透；Zhang (2015)模擬了隧道圍巖塑性區的發展; Cao (2016)模擬了采礦引起的斷裂導致瓦斯遷移；Wang (2018) 模擬了各向異性巖體的邊坡損傷帶；Beya (2019) 模擬了在永久性凍土采礦中水泥漿充填加熱固化條件的過程；Liu (2020) 模擬了斷裂花崗巖中地熱的傳播。
展開 軟弱巖體中隧道支護設計的初步估算(Tunnel support in weak rock)
處在這個區域的隧道很少有穩定性問題，可以使用非常簡單的隧道支護設計方法,例如基于巖體分類RMR或Q方法的隧道支護建議；隧道施工條件非常簡單，通常使用巖石錨桿和噴射混凝土進行支護。
(B) 應變在1 to 2.5。處在這個區域的隧道使用收斂限定方法(Convergence Confinement Methods )預測隧道圍巖的塑性區，計算塑性區的漸進發展與不同支護類型之間的相互作用；這類隧道有輕微的擠壓問題，通常使用巖石錨桿和噴射混凝土來處理，有時會添加輕型的鋼支架或格子梁以增加安全性。
(C) 應變在2.5 to 5。處在這個區域的隧道使用二維數值分析，包括模擬結構元和和開挖順序，工作面的穩定性通常不是太大問題；此類隧道出現嚴重的擠壓，開挖后需要快速安裝支護，并仔細控制施工質量，一般需要在噴射混凝土中嵌入重型鋼支架。
(D) 應變在5 to 10。處在這個區域的隧道設計應以工作面的穩定性問題為主，應該進行二維或三維數值分析，估算工作面加固的影響; 此類隧道會出現非常嚴重的擠壓和工作面穩定性問題，通常需要在噴射混凝土中嵌入鋼支架對工作面進行加固。
(E) 應變>10。處在這個區域的隧道其工作面嚴重不穩定，圍巖對隧道的擠壓變成一個極其困難的三維問題，目前還沒有有效的設計方法, 大多數的解決方案都是基于經驗設計的; 對于這種極端的擠壓問題，通常需要對工作面進行支護，也可能需要使用屈服支護。
3 應用實例
在地表下60m深的巖體內擬開挖一條直徑為12m的隧道。巖體屬性由Hoek-Brown準則來定義：原巖強度σci=7 MPa，常數mi=10，GSI=15。巖體彈性模量E=353MPa, 泊松比v=0.3。
使用Duncan Fama方法計算的塑性區半徑為13.77m, 隧道收斂率為2.03%, 隧道壁位移為121.6mm。
展開 歷時800余天，香山隧道出口順利貫通
隧道圍巖變化快，且多次出現掌子面溜塌等現象，現場管理人員通過技術攻關、工藝創新、工法應用等途徑，第一時間采取超前大管棚注漿等一系列措施加固圍巖，保障施工生產安全可控平穩推進。
離散元pfc、3dec
離散元PFC-3DEC.pdf
【pfc離散元】
巖土工程數值模擬方法、FISH、PYTHON語言及COMMAND命令
復雜顆粒形狀模擬、三軸剪切、顆粒破碎
巖石（膠結顆粒）材料的剪切
接觸模型選擇與參數標定、
活動門試驗、盾構隧道掌子面穩定性、
節理巖體中的硐室開挖穩定性、二維殼結構單元耦合、
PFC3D與FLAC3D耦合、PFC-CFD耦合模擬、
孔隙介質中Darcy流模擬
【3Dec離散元】
巖層/地下空間開挖/掘進、FISH語言編程、
3DEC節理/接觸面/結構單元、靜力學分析、
巷道錨桿支護模擬、初始地應力場反演技術、
地面注漿/水力壓裂、地下空間開挖巖層運移分析、
隧道掘進圍巖力學響應分析、邊坡開挖
流固耦合、滲流、非線性動力模擬、3DEC后處理。
3月離散元專題，下周六開課，在線直播，提供視頻回放及案例代碼
詳情請查閱：
https://mp.weixin.qq.com/s/ZSsNK-JJM89ybUAsYq8r7Q
展開 工程勘察中常用巖土工程參數及選用（表格整理超清晰）
勘察手段與方法
土的物理性質試驗及獲取參數一覽表
土的力學性質試驗及獲取參數一覽表
其他常用
巖石風化程度分類表
巖土施工工程分級
隧道圍巖分級
幾內亞最長隧道貫通 全部采用中國標準
2月18日，中鐵十四局承建的幾內亞最長隧道——贏聯盟幾內亞達圣鐵路古拉高導隧道正式貫通，填補了幾內亞現代化隧道建設的空白。
古拉高導隧道全長2833米，又稱為“一號隧道”，地質構造復雜，淺埋偏壓、地質軟弱、巖層富水、巖質堅硬等特殊地質條件多。建設者群策群力，邀請多名專家進行現場咨詢，在淺埋偏壓、地質軟弱地段，始終堅持“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、快封閉、勤量測”的隧道施工方針，謹慎施工。由于隧道內圍巖巖質堅硬，巖石最大軸心抗壓強度達到156MPa，將近花崗巖的堅硬度，建設者根據圍巖情況采用多種型號鉆頭、鉆桿，優化爆破施工設計，單端日開挖進尺最高達12.4米。
幾內亞所在地區屬熱帶季風氣候，旱雨兩季分明，年降雨量高達2142毫米，地層含水量大，隧道施工中在軟弱地層和巖層段落多次出現大量涌水現象。針對洞內涌水問題，建設者投入多級水泵，專人專崗負責排水，單洞口日排水量高達1500方。
面對工期緊、任務重的難題，項目部積極響應業主號召開展隧道施工勞動競賽，遵循“保開挖、拼仰拱、搶二襯”的總體思路，統籌規劃，細化施組，加大過程管控力度。為按期完成施工任務，項目部采取多種技術和管理措施，24小時流水作業；洞內設置兩幅棧橋，減小洞內施工交通干擾，提高施工效率；加設會車洞，加快自卸車出渣速度；二襯地泵接頭改直管等。多種措施大大提高了施工生產效率，隧道施工進度達到單線鐵路隧道施工國內頂尖水平，古拉高導隧道單端開挖月進尺最高達216.2米，仰拱施工、二襯施工最高均達到276米。
疫情期間，項目部高度重視，第一時間布置疫情防控緊急預案，現場以“只進不出”為原則，對幾方員工實行分班組、全封閉管理。
展開 樂業“9·10”隧道坍塌事故報告公布：現有技術難以完全查明的特殊不良地質災害
2020年12月28日，百色市安全生產委員會辦公室公布《關于百色市樂業縣樂業大道道路工程（含隧道工程）一期工程“9·10”較大隧道坍塌事故結案的通知》，該事故造成9人死亡，事故報告的直接原因以及責任認定如下：
事故性質
經調查認定，該起事故是一起隧道工程建設中因不良地質致災引發的較大隧道坍塌事故。
直接原因
樂業大道道路工程一期上崗隧道左洞ZK0+651～+675段坍塌是隧道圍巖局部微地質構造組合突變與裂隙面強烈溶蝕作用疊加產生的不良效應，具有隱伏性和不可預見性，在開挖條件下，被切斷巖層受貫通斜層理與節理組合控制且溶蝕裂隙面弱化分離作用強烈，造成臨空巖層多方向同時失去束縛，突然脫離母巖產生重力式順層下滑，造成該段隧道洞身周邊圍巖、初支遭受嚴重破壞。
責任認定
該事故是按現行公路勘察、設計、施工技術規范規程和現有地質勘察技術和手段難以完全查明的特殊不良地質致災引發的暗挖隧道坍塌事故。
勘察建議
在隧道地質勘察過程中，當存在可溶性巖層走向與開挖軸線夾角較小即順層問題時，要分析巖溶特征及其裂隙溶蝕對層理面粘結力產生弱化可能形成貫通性分離面。
展開 
“離散元數值模擬仿真技術與應用”系列專題
包括巷道錨桿支護模擬、初始地應力場反演技術、地面注漿/水力壓裂模擬、地下空間開挖巖層運移分析、隧道掘進圍巖力學響應分析、邊坡開挖安全性分析等超多3DEC實例分析。PFC中包含了常規/真三軸剪切試驗、不排水/循環三軸剪切模擬、離散元模擬與彈塑性本構模型等多個土體單元試驗模擬案例和活動門試驗、盾構隧道掌子面穩定性、節理巖體中的硐室開挖穩定性、二維殼結構單元耦合、孔隙介質中Darcy流模擬等多個實例。案例貫穿整個課程一步步帶領大家操作，對于學員自己關心工程問題實踐具有重大意義。
【巖土工程pfc、3dec】案例多
包括巷道錨桿支護模擬、初始地應力場反演技術、地面注漿/水力壓裂模擬、地下空間開挖巖層運移分析、隧道掘進圍巖力學響應分析、邊坡開挖安全性分析等超多3DEC實例分析。PFC中包含了常規/真三軸剪切試驗、不排水/循環三軸剪切模擬、離散元模擬與彈塑性本構模型等多個土體單元試驗模擬案例和活動門試驗、盾構隧道掌子面穩定性、節理巖體中的硐室開挖穩定性、二維殼結構單元耦合、孔隙介質中Darcy流模擬等多個實例。案例貫穿整個課程一步步帶領大家操作，對于學員自己關心工程問題實踐具有重大意義。
工程勘察中常用巖土參數、勘察手段與方法
巖土施工工程分級
隧道圍巖分級
LSDYNA 不同爆破方式對人工防護道的動態響應分析
模型計算域內包括輸圍巖，空氣，炸藥。其中炸藥為2#巖石乳化炸藥，隧道圍巖為中等風化砂巖。根據所依托工程設計資料及相關規范選取巖土體物理參數如表1所示，結合巖體特性及其在爆炸過程中的受力狀態，數值模型中圍巖選用能反應巖體塑性變形特征的MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料本構；
表1 圍巖物理力學參數
Table 1 physical and mechanical parameters of rock
密度/ kg·m-3
泊松比
彈性模量力/MPa
屈服強度/MPa
切線模量/MPa
2430
0.26
4830
30
113
炸藥采用JWL狀態方程來模擬炸藥爆轟過程中壓力和比容的關系
炸藥材料的主要輸入參數見表2.
表2 炸藥參數
密度
/kg·m-3
爆速/m·s-1
爆壓/GPa
A
/GPa
B
/GPa
R1
R2
ω
E
/GPa
1100
3500
4
214
0.182
4.15
0.95
0.3
4.192
模型中三種材料均采用Soild164單元劃分，其中圍巖采用Lagrange單元算法，空氣和炸藥采用ale單元算法。
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