特长隧道右线洞口稳定性分析

龙潭隧道右线洞口稳定性分析
中铁十四局集团有限公司
摘要：选取龙潭隧道右线出洞口的浅埋偏压地段为研究区域，采用有限差分法模拟了该段的开挖与支护，分析了开挖支护后围岩的应力场、位移场及塑性区特征，得出了一些有益的结论，对工程的后续施工具有指导意义。

关键词：隧道工程浅埋偏压开挖稳定性
STABILITY ANALYSIS OF THE OUTLET OF
LONGTAN TUNNEL RIGHT LINE
Abstract FLAC3D is used to simulate the excavation and supporting process of the exit section of Longtan tunnel under the condition of shallow cover and uneven pressure. Some conclusions are gained through analyzing the characters of stress, displacement vector and plastic zone of surrounding rock after excavation. It will be useful for the construction of the project.
Key words tunneling engineering ,shallow cover ,uneven pressure, excavation, stability
1概述
龙潭隧道位于沪蓉国道主干线湖北宜昌至恩施公路白氏坪至榔坪段，隧道全长8.695km，为上下行分离的双洞四车道隧道，隧道中线线间距为50m，为全线控制性工程。

左右线隧道内纵坡为-1.50％的单向坡，最大埋深为500m，计算行车速度为80Km/h，隧道内路面采用水泥砼路面。

本次模拟的是龙潭隧道右线出口段(YK74+085～YK74+035)，该段位于宜昌市长阳县榔坪镇长丰村青岩沟与龙潭沟交汇口处，埋深较浅，围岩地质条件较差，岩性较弱，节理、裂隙水发育，且呈明显的偏压地形。

本文模拟了该段的开挖支护全过程，通过对结算结果的全面分析，得到了一些有益的结论，对后续工程有一定的指导意义。

2 FLAC3D简述
FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 dimension )程序是由美国Itasca公司开发的三维显式有限差分程序，它可以模拟岩土或其他材料的三维力学行为。

FLAC3D将计算区域分为若干个六面体单元，每个单元在给定的边界条件遵循指定的线性或非线性流动，而单元网格及结构可以随着材料的变形而变形，这就是所谓的拉格朗日算法，这种算法非常适合于模拟大变形问题。

FLAC3D采用了显式有限差分格式来求解场的控制微分方程，并采用了混合单元离散模型，可以准确的模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，尤其在材料的弹塑性分析、大变形以及模拟施工过程等领域有独到的优点。

因此，FLAC3D现已被广泛应用于岩土工程的各个领域[1-10]。

3地质条件
龙潭隧道位于扬子淮地台上扬子台坪内的五级构造单元—长阳背斜的北翼，该背斜属秦昆构造体系，轴线近东西走向，为区内最大的构造形迹。

隧道穿越段地层呈单斜构造，产状较稳定，背斜东段地层产状较平缓，倾角在15º左右，两翼较陡，倾角一般在30º～45º，呈宽阔的箱形褶皱；背斜西段
作者简介：男，岁，现为，主要从事工作
则逐渐变窄，由北向南，核部倾角由20º～30º变为70º～80º，两翼倾角变化为20º～40º，形成伞状褶皱。

隧道线路大致与地层走向平行，局部斜交但夹角小于20º。

隧道出口段基本沿青岩沟沟底穿行，青岩沟为“V ”型窄谷，两侧山坡坡角约50º，沟底宽20～40m 。

出口段地层为奥陶系上统五峰组灰黑色薄层状炭质页岩与薄层硅质页岩互层，层理、裂隙发育，岩芯完整性较差，呈碎石及碎块状，地震纵波速度 V p ＝2500～2900m/s 。

隧道区构造应力场最大水平主应力值为6.67～15.27MPa ，最小主应力为4.87～10.17MPa ，属中等偏高地应力场区，最大主应力方向为105º～111º。

4 施工方法
本隧道拟采用“新奥法”施工，开挖方式采用台阶法，共分四步开挖，分步开挖示意图见图1。

具体分步开挖计算方法为：首先重力作用下的初始地应力场在未开挖的情况下让FLAC3D 计算至平衡状态，然后将位移置零，并将开挖单元置为空单元，继续计算，得到新的应力场和位移场，并继续下一步计算。

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图1 分层开挖示意图 Fig.1 Excavation blocks
5 数值模拟
计算时选取龙潭隧道右线出洞口段进行三维计算，里程号为YK74+085～YK74+035，该段包含监测断面YK74+082.5。

计算坐标系取水平方向为X 轴，Y 轴竖直向上为正,Z 轴取为沿隧道轴线方向。

计算范围为：-25.0≤X ≤25.0，Y 由-38.35到地表，
Z 向厚度均取50m ，共剖分了21050个单元，23192
个结点。

单元主要为八节点六面体单元及少量楔形单元。

根据实测地应力场，X 向侧压系数取1.1，Z 向侧压系数取1.2。

边界条件为四个侧面及一个底面加法向位移约束，顶面为自由面。

计算中所取岩体力学参数见表1。

支护方式为26cm 厚C20砼；18工字钢，间距为75 cm ；φ8双层钢筋网，间距为20 cm ×20 cm ；φ25中空注浆锚杆，间距为75cm ×100cm 。

材料屈服准则采用Mohr-Coulomb 准则，并采用程序提供的结构单元模拟锚杆和衬砌。

计算模型网格剖分情况如图2所示。

表1 岩体力学参数表
Table1 1 Mechanical parameters of rock mass
岩性
弹性模量(MPa) 泊松比
粘结力(MPa) 内摩擦角(°) 抗拉强度
(MPa) 容重KN/m 3
强风化页岩及土 35 0.40 0.01 20 0 19 炭质页岩夹 硅质岩
50
0.35 0.02
25
0.1
20
图2 网格剖分图
Fig.2 Mesh of model
6 计算成果与分析
从计算结果来看，开挖结束后的最大位移为隧道底板的竖向位移，量值为 6.518cm ，这是因为该段仰拱未及时跟进所致。

因该计算区域为浅埋偏压段，两侧边墙产生都远离山体一侧的同向位移，左边墙位移远大于右边墙位移，即靠近山体一侧的位移大。

最大水平位移发生在左侧拱脚处，量值为。