削竹式高速公路洞門穩(wěn)定性數(shù)值研究

崔晉春

（山西省交通規(guī)劃勘察設計院，山西 太原 030012）

0 引言

洞門是各類隧道的咽喉，其附近的巖土體往往都比較破碎松散，易發(fā)生塌方、滑坡甚至崩塌現(xiàn)象。因此為保護洞口處巖土體的穩(wěn)定性，使進入隧道的車輛不受崩塌、落石等的影響，確保行車安全，有必要對洞門結構的穩(wěn)定性開展研究。在各種類型的洞門形式中，削竹式洞門具有洞口邊仰坡開挖量小、造型優(yōu)美、對地表植被破壞小等諸多優(yōu)點，在高速公路和鐵路隧道中得到了廣泛應用。削竹式洞門適用于洞口仰坡相對比較平緩，洞口背后山體縱向推力較小的地形條件，且削竹式洞門背后大多采用回填土回填，所以適合在需要修建明洞的情況下采用。由于回填土力比較松散，力學性能較差，從而導致削竹式洞門的受力比較復雜，因此有必要對削竹式洞門的力學特征以及變形規(guī)律進行研究。

目前已有研究人員對各式隧道洞門結構的穩(wěn)定性開展了研究，并取得了較豐碩的研究成果。宋波等[1]從削竹式洞門的特點出發(fā)，考慮防護設計與施工，運用科學的綠化技術達到緩解司機視覺疲勞的效果，同時保護了原始生態(tài)環(huán)境；舒春生等[2]運用三維有限元軟件研究了斜交削竹式洞門的力學特征，通過研究發(fā)現(xiàn)折角處容易出現(xiàn)明顯應力集中現(xiàn)象。丁長鑫等[3]以實際工程為依托，結合端墻式洞門的結構特征，建立了一套計算端墻結構受力及穩(wěn)定性分析的方法，為端墻式洞門穩(wěn)定性驗算提供了新的思路。許才仗等[4]采用條帶法分析柱式洞門各部分結構所到的作用力，并通過驗算墻趾傾覆穩(wěn)定性以確定了洞門各部分的尺寸。謝建華等[5]將翼墻式隧道洞門視為擋土墻，從驗算主動土壓力入手確定翼墻尺寸。在此基礎上考慮洞門與翼墻的共同滑動穩(wěn)定性，從而給出翼墻式洞門整體穩(wěn)定性的評價。

本文考慮到洞口段土體的復雜性，合理采用有限差分軟件FLAC3D，基于實際土層狀況，構建了隧道削竹式洞門的三維模型。通過分析削竹式洞門在開挖過程中的施工力學特征，得到了該形式的洞門在施工過程中的變形規(guī)律，研究成果可以為今后類似工程的施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

吉縣至河津高速公路西家塔隧道位于鄉(xiāng)寧縣昌寧鄉(xiāng)門家溝村與西交口鄉(xiāng)溝西村之間，隧道位于黃土低山區(qū)，由于剝蝕作用，中陡坡-陡坎較發(fā)育，山體總體呈東西走向，山勢中部高，東西低，隧道兩側山坡沖溝發(fā)育，且溝谷深切，溝岸陡峻，呈“V”字型。

隧道左右線均屬長隧道，呈北-南走向，兩洞中軸線最大間距約35 m，最小間距約20 m。右線洞體全長2 120 m，吉縣端洞口里程樁號K23+655，洞口底板設計高程1 115.022 m；河津端洞口里程樁號K25+775，洞口底板設計高程1 122.934 m，洞體最大埋深155.32 m，位于K24+940處；左線洞體全長2 137 m，吉縣端洞口里程樁號ZK23+653，洞口底板設計高程1 114.154 m；河津端洞口里程樁號ZK25+790，洞口底板設計高程1 122.759 m，洞體最大埋深161.93 m，位于ZK24+890處。吉縣端洞口位于門家溝東岸黃土山梁咀部，距現(xiàn)有鄉(xiāng)村公路約500 m，農用車輛可到達洞口處；河津端洞口位于烏金溝北岸斜坡上，有簡易土路可達洞口處，隧道兩端洞口處交通相對較為便利。

本文吉縣端右線段洞口地形比較對稱不太陡峭，洞口段有一節(jié)明洞襯砌，山體的推滑力不大，因此根據(jù)洞口段的實際工程特點，采用削竹式洞門。

2 吉縣端右線洞門三維數(shù)值模擬

2.1 整體模型

吉縣端右線地形較緩，結合洞口地質條件設置15 m明洞，并根據(jù)地質和地形條件，采用了削竹式洞門這種洞門形式，整體模型如圖1所示。

圖1 吉縣端右線洞門整體模型

建立模型時，為了保證模擬結果的可靠性，洞門尺寸嚴格參照工程實際情況來構建。為了避免邊界效應對模擬結果的影響，所建立的模型總寬度取3倍洞徑，高度取2倍洞徑，模型長度取15 m。模型邊界條件按照如下方式設置：地表邊界設置為自由邊界，其余邊界均設置為法向約束邊界。模型材料采用實體單元模擬二次襯砌、夯填土和圍巖3個部分。模型中用到的力學參數(shù)如表1所示。

表1 模型力學參數(shù)

模擬過程如下：首先用CAD軟件將洞門平面結構精確繪制出來并導入Ansys有限元分析軟件中，在Ansys中將平面結構拉伸成體并劃分好映射網格。最后將建好的模型利用轉換軟件導入到有限差分軟件FLAC3D中，假設圍巖服從摩爾-庫倫本構關系，在此基礎上進行運算，使得模型達到初始平衡狀態(tài)；然后將彈性材料屬性賦給混凝土材料進行洞門結構施工的模擬，達到力學平衡后，進行后處理，輸出各種應力和應變云圖，整理分析所得到的各種云圖，總結并得出結論。

2.2 應力特征

圖2為吉縣端右線洞門位置的最小、最大主應力等值線分布圖。從圖中可以看出，二次襯砌、夯填土和圍巖的主應力分布較為均勻，整個洞門和圍巖均未出現(xiàn)拉應力。

圖2 吉縣端右線洞門主應力等值線分布圖

2.3 位移特征

圖3為吉縣端右線洞門部分二次襯砌、回填土和圍巖的豎向、橫向位移分布云圖。從豎向位移等值線圖中可以看出，隧道頂部下沉，底部凸起。

圖3 吉縣端右線洞門位移等值線分布圖

2.4 塑形應變特征

圖4 吉縣端右線洞門塑性區(qū)分布圖

圖4為吉縣端右線洞口段的塑性區(qū)分布圖。從圖中可以看出，二次襯砌和夯填土始終處于彈性狀態(tài)。有小部分周邊圍巖在模擬的過程中發(fā)生過塑性屈服，但運算完成后又退出塑性狀態(tài)恢復了彈性狀態(tài)，這說明洞口段在施工過程中的受力狀態(tài)較好，沒有出現(xiàn)塑性區(qū)。

3 結論

本文采用數(shù)值模擬技術，以西家塔隧道吉縣端右線洞門為依托，分析了該洞門在開挖過程中的施工力學特征，得到以下結論：洞口段最大與最小主應力分布較為均勻，整體未出現(xiàn)拉應力分布。洞門處頂部下沉，底部有輕微隆起，最大位移均處于安全范圍內。且整個洞口段在施工完成后無明顯塑性區(qū)分布。數(shù)值模擬結果表明該隧道洞門在施工過程中穩(wěn)定性較好，削竹式洞門是一種適用于西家塔隧道吉縣端右線的洞門型式。