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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尤潭隧道右线.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STABILITYANALYSISOFTHEOUTLETOFLONGTANTUNNELRIGHTLINEAbstractFLACnisusedtosimulatetheexcavationandsupportingprocessoftheexitsectionofLongtantunnelundertheconditionofshallowcoverandunevenpressure.Someconclusionsaregainedthroughanalyzingthecharactersofstressdisplacementvectorandplasticzoneofsurroundingrockafterexcavation.Itwillbeusefulfortheconstructionoftheproject.Keywordstunnelingengineering.shallowcover.unevenpressureexcavationstability1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玲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-■定的指导意义FLAC3D简述FLACDFastLagrangianAnalysisofContinuaindimension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口算法,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叫3地质条件龙潭隧道位于扬了淮地台上扬了台坪内的五级构造单元一长阳背斜的北翼,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15°左右,两翼较陡,倾角一般在30°〜45°呈宽阔的箱形褶皱;背斜西段则逐渐变窄,由北向南,核部倾角由20〜30°变为70°〜80°两翼倾角变化为20°〜40°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20°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50°沟底宽20〜40mo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Vp=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105°〜111°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
1.1Z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役18工字钢,间距为75cm巾8双层钢筋网,间距为20cmX2cm;425中空注浆锚杆,间距为75cniX100cm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/Ko表1岩体力学参数表Table!1Mechanicalparametersofrockmass4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Io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,并继续下一步计算图1分层开挖示意图Fig.1Excavationblocks5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I为正Z轴取为沿隧道轴线方向计算范围为-
25.0WXW
25.0Y由-
38.35到地表图2网格剖分图Fig.2Meshofmodel6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
1.936cm拱顶水平位移为
1.117cm竖向位移为
0.841cm水平位移大于竖向位移,也说明了该段偏压的存在拱顶及边墙等部位的最大位移值均在允许的范围之内,满足施工、安全等要求图3给出了YK74+
082.5剖面的位移矢量图图4YK74+
082.5制面最大主庄力等值线困Fig.4MaximumprincipalstresscontourofsectionYK74+
082.5图3YK74+
082.5刮面位移矢量困Fig.3DisplacementvectorofprofileYK74+
082.5经开挖卸载以后,隧道周围应力进行二次重分步,最终应力场表明,隧道周围法向应力减小,切向应力增大,在隧道底板小范围内出现拉应力,量值为
26.68KPa在两侧边墙底部与底板相交处最大主应力为一
0.15MPa隧道周围其他部位最大主应力为一
0.
10.05MPa最小主应力在左边墙底部较大,主压应力值达到最大值为一
0.4MPa其余部位的最大压应力多为一
0.3MPa左右YK74+
082.5剖面最大主应力图和最小主应力图分别见图4和图5隧道开挖后,在底板、左边墙以及拱顶小范围内产生了塑性区塑性区主要集中在底板以及左边墙附近,拱顶处塑性区较小边墙及拱顶处塑性区宽度约为Im底板塑性区宽度约4m塑性破坏均为剪切破坏从总的分析结果来看,采用这种台阶法施工方案是合理可行的7现场监控量测资料分析YK74+
082.5断面拱脚水平收敛量测结果见图6供顶下沉结果见图7iX«e.CC534汝TBAXOH®4“・网切1炊心加1细*i.sart.cc5».四»caCornnrflxaHHAC3D
2.00网岫tiO!«SrDec252Xil图5YK74+
082.5剧面最小主应力等值转图Fig.5MinimumprincipalstresscontourofsectionYK74+
082.58/611/95n/11•116o/52/-25YK74+
082.5断而水平收敛与时间关系曲线图6YK74+
082.5监测断而周边收纹Fig.6PeripheralconvergenceofsectionYK74+
082.5GcMCaiDJttnFIAC3D
2.0069/1U_2W基6o/511/n11YK74-
082.5断血拱顶下沉与时间关系曲线图7YK74+
082.5遂测断而拱顶下沉Fig.7ArchsettlementofsectionYK74+
082.5由水平收敛及拱顶下沉量测结果可知,YK74+
082.5监测断面拱脚收敛值为
23.453mm拱顶下沉值为
23.65mm从数据特征结合现场实际施工情况分析,隧道变形分为三个阶段当分别开挖完上断面、左导坑、右导坑后,随之都会产生一个急剧变形阶段总的急剧变形段约为30天,变形量占总量的50%〜80%因为本次模拟没有考虑流固耦合、爆破震动对隧道的影响,故计算值比监测值较小8结论通过对龙潭隧道右线出洞口浅埋偏压段的数值模拟计算,可以得到如下结论隧道按照“图1分层开挖示意图”开挖施工后,YK74+
082.5剖面底板变形量最大,为
6.518cm施工时应注意及时施做仰拱拱顶水平位移大于竖向位移,支护时支护参数不应对称于隧道轴线布置,隧道左侧即靠近山体一侧支护参数要适当加强拱脚附近以及边墙底部也是注意加强支护的部位开挖后在隧道底板产生了小范围的拉应力,量值较小,若及时施做仰拱应不会对隧道的稳定性产拱顶小范围内,底板塑性区宽度约为4m在隧道施工前,采用FLAC3D软件对隧道变形进行数值模拟计算,在技术、安全、经济等方面,都具有一定的指导意义本次数值模拟中没有考虑渗流及爆破震动对隧道稳定性的影响,今后施工中应综合考虑这些因素进行计算,以确保支护的安全与经济参考文献
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2002.21增2061〜2064黄正加,盛诛,吴相超.江口水电沌地下厂房洞室囤岩弹塑性数值分析[J].岩石力学与工程学报,
2002.21增2098〜2102周玉宏,赵燕明,程崇国.偏压连拱隧道施工过程的优化研光[J].岩石力学与工程学报,2002215679〜683寇晓东,周雄短,杨若琼等.应用三抵快速拉格朗日法进行三峡船闸高边坡锚固德定与机理研完[J].土木工程学报,200235168~73李仲奎,我荣,姜逸明.FLAC”分析中的初始应力场生成及在地下大型洞室群计算中的庞用[J].宕石力学与工程学报,200221赠22387〜2392生很大影响塑性区主要分布在底板、左边墙以及岩性弹性模量MPa牯结力内州角抗拉强度容重KN/kMPaMPa强风化页岩及土
350.
400.0120019炭质页岩夹硅质岩
500.
350.
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