董言斌，齐文斌

吉林省有色金属地质勘查局六〇五队，吉林 延吉 133001

坑探作为地质勘查工作的一种手段，已广泛的应用在勘查工作中。在开挖地下坑道的过程中，围岩稳定性问题已关系到施工安全、工程进度、材料的消耗和坑道的使用。因此，基于坑道围岩稳定性分析、监测，已经成为坑道正常施工和使用的重要组成部分[1]。成功的监测将及时揭露勘察阶段未发现的地质问题，及时采取应对措施，防范于未然。

本文首先采用FLAC3D对延吉市八道金矿深埋坑道的开挖过程进行模拟，从坑道围岩的应力、变形位移及塑性区等方面进行围岩稳定性分析，然后根据分析结果对坑道施工过程中围岩形变大的部位进行监测，为坑道施工安全及支护方案提供了一定的参考依据。

1 FLAC3D简介

FLAC3D（fast LaGrange analysis of continua in 3 dimension）是一款运用有显示限差分方法对岩土或其它材料的三维力学行为进行模拟的软件。由美国Itasca 软件公司编制开发,在20 世纪90 年代初期才引入中国，主要应用于工程地质和岩土力学分析,如矿体滑坡、浅基和深基工程 ,坑道围岩稳定性评价与支护、水利枢纽岩体稳定性等[1]。可以精确的模拟屈服、塑性流动、软化直至破坏的整个过程[2]。

2 工程概况

延吉八道金矿坑探工程的布置主要是为详查阶段探求首采区高级储量及为未来矿山开采所利用，坑道轴线大致呈近E-W 向展布，总长约5.88 km，设计断面为长方形。

矿区位于吉林省长白山脉北麓英额岭北部，中低山侵蚀剥蚀区。矿区山峦起伏，多呈尖棱角状，海拔标高300～-660 m，当地侵蚀基准面标高300 m。地形坡度20°～35°，局部山体陡峭，坡度角大于45°。区内发育的河流主要是小烟集河和朝阳河，自北西向南东流汇入布尔哈通河。地下水埋深一般为7.0～15.0 m 之间，根据年降水量的大小而有所变化。坑道围岩主要由燕山期细粒花岗岩和钾长花岗岩、侏罗系安山岩、无斑安山岩、石英安山岩、安山质角砾凝灰岩等构成。矿区断裂构造较发育，风化裂隙也较发育，工程地质环境质量属于中等。矿区开采必然会引发一些环境工程地质问题，尤其是露天开采边坡的稳定性和井巷开采井巷围岩稳固性问题。

3 计算模型

因坑道工程总长较大，本文仅对埋深400 m 的坑道进行模拟分析。岩性主要为侏罗系安山岩、石英安山岩、安山质角砾凝灰岩，开挖坑道长度80 m，宽度3 m，高度3.5 m。本次数值模拟为静力模拟，计算域边界采取静力边界条件下的位移约束。因此，计算模型的6 个面采取相应位移约束和地应力的施加。根据早期地质勘探报告和坑道实际情况，对实体单元模型施加等效的地应力作用，施加到模型上的垂直应力为岩体自重应力，水平应力的大小为岩体的垂直应力与侧压系数的乘积。屈服准则采用Mohr-Coulomb 准则。取水平向右为X 轴正向，竖直向上为Z 轴正向，沿洞室轴线方向为Y 轴。岩体数值模拟力学参数进行了综合评价，见表1。

表1 岩体物理力学参数表Table 1 Rock mass parameters of physical and mechanics

4 模拟结果与分析

本文利用FLAC3D对埋深400 m 坑道开挖过程进行模拟，掘进过程中不进行支护。对坑道受力云图及形变云图进行分析研究，结果如下：

图1 坑道X向应力云图Fig.1 The stress nephogram of the simulated tunnel in the X axis

（1）由图1、2 应力云图和3 剪力分布图4 的塑性区分布图可知： 在坑道开挖之前，围岩岩体处于原始的应力平衡状态，由于坑道的开挖，导致岩体初始应力场发生变化，洞周岩体发生卸荷回弹等应力重分布作用，卸荷后岩体质量降低，微裂隙扩大并贯通，在二次应力扰动下，洞周围岩进入塑性区，从而使围岩的强度降低，致使隧洞围岩稳定性下降。（图中负为压应力，正为拉应力,应力单位为Pa）。

（2）由图5、6 的位移图可知：坑道开挖后，使坑道的围岩失去了原有的支撑，围岩要向坑道内空间松胀位移[3]。左右两侧洞壁最大产生1.07 ㎝的位移，坑道顶的下沉位移略大于底板的回弹位移，此时顶拱位移达2.85 cm，底板的位移达2.50 cm。越远离坑道壁的地方，岩体内部受力越趋于自然应力状态，从而由开挖导致的变形就越小（图中位移单位为m）。

5 监测结果

通过利用FLAC3D软件对不支护坑道开挖过程模拟，可以很好的对围岩的受力部位和位移情况进行了解。这样就可以在关键部位设置观测点，对坑道施工过程中围岩稳定性进行观测。本工程我们在坑道顶拱、底板和腰线按5 m 间距均匀布设观测点。通过不间断的观测，对不支护坑道开挖过程中围岩径向位移变化情况总结如表2。

6 结论

图2 坑道Z向应力云图Fig. 2 The stress nephogram of the simulated tunnel in the Z axis

图3 坑道剪力分布图Fig. 3 The shear stress distribution diagram in the simulated tunnel

图4 坑道塑性区分布图Fig. 4 The distribution of plastic zone in the simulated tunnel

图5 坑道X向位移云图Fig. 5 The displacement nephogram of the simulated tunnel in the X axis

图6 坑道Z向位移云图Fig. 6 The displacement nephogram of the simulated tunnel in the Z axis

表2 无支护条件下围岩位移变化情况Table 2 Displacement change of surrounding rock without supporting

综上所述，在无支护状态下坑道开挖后引起了围岩应力、位移及塑性区的变化。结合《岩体基本质量分级标准》和监测结果可知，坑道所处的安山岩围岩中有裂隙发育，岩石饱和抗压强度指标较低，整体性较差。由于坑道开挖后围岩应力的不断释放导致径向位移的加大，致使坑道在无支护条件下不具有长期的自稳能力，必须进行合理可行的支护处理。

[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,2008.

[2] 尹清锋,白 冰. FLAC3D及其在地下空间开挖分析中的一些问题[J] .西部探矿工程，2005,11：1-4.

[3] 冯景伟. 深埋隧道围岩稳定性分析与支护研究[D].陕西：西安科技大学, 2009.