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
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]。
FLAC模拟隧道开挖支护的实例
end
set E_mod1=0.6e9 p_ratio1=0.27 E_mod2=0.8e9 p_ratio2=0.26
derive
prop bulk b_mod1 shear s_mod1 cohe 1.8e6 tens 0.8e6 fric 30 range z 4.5 20
; mohr-coulomb model
model mohr
def derive
s_mod1=E_mod1/(2.0*(1.0+p_ratio1))
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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
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;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：
new
set log on
set logfile yang.log
gen zon radcyl p0 0 0 0 pamp;
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 0 0 -3.0 p2 0 50 0 p3 6.0 0 0 &
基于FLAC3D的高速铁路隧道开挖变形规律研究
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
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的大断面巷道掘进技术数值模拟研究
件下 巷道 围岩应 力 的扩散状 态 ，模型大小 应在各方
向均大于巷道 开挖 的影 响半径 （ 一般为 巷道直径 的 ３ ～ ５倍 范 围 ）。 同时 ，考 虑到计算 机 的运算速 度 ， 特将模 拟范 围设定 为长 ×宽 × 高 ＝６ ０ ×５× ３ ５ ． ５ ｍ 的 区 域， 划 分 网 格 为 ９ ０ ×２ ０ ×６ １ 个 ， 共 生 成 １ ０ ９ ８ ０ ０个 区域 以及 １ １ ８ ４ ８ ２个节点 。
Ｄｕ ａ ｎ Ｙｏ ｕ — ｄ ｏ ｎ ｇ
（ Ｓ ｈ ａ ｎ ｘ ｉ Ｌ ｕ ’ ａ ｎ ｅ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｌ ｉ ｍｉ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ Ｓ ｈ ａ ｒ ｅ Ｌ ｔ ｄ ｏ ｆ Ｗｕ ｙ ａ ｎ ｇ Ｃ ｏ ａ ｌ Ｍｉ ｎ ｅ ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｘ ｉ
掘进作业 以及维 修方面有难度 ，巷道掘进的成本高 、 工 程量大 、不 够安全 。如今 煤矿掘进 已经实现 ３ ３ ％
的机械化作 业 ，大 幅增 加 了巷道 的掘进量 、月进尺
预测可 能发生 的情 况。 由于模拟 的结果精确有 效 ， 该模 型已经应用 到了包 括采矿业 在 内的各种 岩土工
７ ２
童 堪晨 斜技
２ ０ １ ７ 年 第 １ 期
基于 Ｆ Ｌ ＡＣ ３ Ｄ 的大 断 面 巷道 掘进 技术数值模 拟研 究
段有东
（ 山西潞安环保 能源开发股份有 限公 司五阳煤矿 ，山西 长治 ０ ４ ６ ２ ０ ５）
摘 要 本 文针 对大断 面煤矿巷 道快速掘进 ，在保 障作业安全性 的基 础上 ，通过评价 干扰 掘进 进度的各项原 因，针 对影
abaqus、flac3d 对不同工况隧道开挖的分析过程-岩土工程数值方法
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。
某隧道在锚喷支护下的FLAC3D数值分析
[1]陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2013.6
[2]刘波，韩彦辉编著FLAC原理实例与应用指南[M]北京：人民交通出版社2005
[3]王钜白石河2号隧道围岩分级与稳定性分析[D]，[硕士学位论文].南昌：华东交通大学2008
作者简介：
（3）为防止拱底围岩底鼓，应即时进行支护。在选择支护措施上要根据围岩类别合理使用，尽量发挥不同支护措施的优势，在较低的成本下保证围岩的稳定性。
数值计算表明：在隧道开挖后应力场发生调整，围岩向隧道内收敛发生一定的变形，围岩发生适度的变形以释放部分应力，不致支护结构上的应力水平大幅度提高。软质岩体，隧道开挖后即使在支护条件下围岩都有不同程度的塑性变形出现。。计算分析表明，锚杆对限制围岩发生大变形效果显著，喷层对限制围岩张性破坏效果明显。随着支护措施的加强，塑性破坏区的范围明显减小；围岩整体上保持稳定。
其中：E为弹性模量、μ为泊松比。如表1所示。
2.4支护材料参数的确定
根据该隧道施工设计图纸提供的隧道支护方式：初期支护为锚喷支护，二次衬砌为模筑混凝土衬砌。在数值计算中，采用衬砌单元（shell）模拟喷射混凝土，衬砌厚为10cm。用锚索单元（cable）模拟锚杆的支护，锚杆长3.0m，锚杆间距为1.5m。锚杆及衬砌的力学参数见下表2。
3.1开挖支护后的计算结果
4.总结
（1）从图中可以看到，支护后塑性区明显比未支护的情况小了很多，支护后围岩的受力情况得到改善，竖直位移和水平位移都减少了。在位移曲线中可以明显的看到一个转折点，这是在施加初期支护后对围岩变形的限制，阻止了围岩的进一步变形所致。
（2）对软弱破碎围岩开挖后必须及时支护，如果支护不及时则使围岩物理力学性质恶化、松弛范围扩大，将造成围岩大变形、塌方等严重后果。从隧道开挖初期后的整体安全情况来看，拱肩处为最不稳定区域，其次为拱脚和拱顶[3]。
FLAC在隧道开挖建造过程数值仿真模拟
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。