基于FLAC3D动态分析隧道开挖对边坡稳定性的影响.pdf

第 35 卷 第 4 期 2 0 1 0 年8 月 V o1 35 N o 4 A u g 2 0 1 0 基 于 FLA C 3D 动态分析 隧道 开挖对 边坡稳定性 的影 响 钟 浩 湖南省交通规 划勘察设计院 湖南 长沙410008 摘 要 隧道工程的开挖 在开挖区周 围岩土体 的应力 重新进行分布 开挖 区的应力 释放及变形 对边坡 的稳 定性造成影 响 基 于现场监控量测 的结 果 以关 口垭 隧道 Y K74 450 断面 为研 究对象 基 于 FLA C 动 态分析 隧道 开挖过程 中隧道开挖对边坡稳定性 的影响规律 关键词 隧道 边坡 FLA C 动态分析 中图分类号 U 416 1 4 文献标 识码 B 文章编 号 1674 0610 2010 04 0147 03 D yn a m i c A n alysi s on In fl u en ce of T u n n el E xcav ati o n o n S lop e S tab i li ty B a sed on F L A C D Z H o N G H ao H unan Provi nci al Com m uni cati ons Planni ng Survey Desi gne Insti tute Changsha H unan 410008 C hi na K ey w ords Tunnel Slope FLA C如 D ynam i c A nalysi s 当先开挖边坡或者存在 自然 的边坡 假定此时 边 坡是 稳定 的 由于 隧 道 工程 的开 挖 在 开 挖 区 周 围岩土体 的应力 重 新 进 行 分 布 开 挖 区 的变 形 也 还 没 有趋 于稳 定 因此 必 须 考 虑 开 挖 区 的应 力 释 放 及 变形 对边 坡 的 影 响 祁 生 文 提 出盘 石 头 水 库 泄 洪洞 导流洞进出口高边坡的破坏模式 利用定性定 量 多种方 法 对边 坡在 各种 工 况条 件下 的稳 定性 进 行 了评价 徐卫亚 利用 FLA C 模拟 了引水隧洞 大 坝生 成 以及水 库 蓄 水 等 对 高边 坡 的应 力 变形 状 况 和稳 定性 的影 响 缪 荣 辉 对 某 隧 道 口山体 蠕 滑 的 预应 力锚 索加 固进 行 了 三 维 弹塑 性 有 限元 分 析 朱 合华 利 用 三 维 有 限元 计 算 了隧 道 施 工 中洞 口边 仰坡的稳定性 分析了边坡 的破坏失稳机理 提出需 加 强 隧 道 口 边 坡 现 场 监 测 的 建 议 本 文 基 于 FLA C 结 合 现场 监 测 动态 地 分 析 地 下 开挖 过 程 中 边坡 变形 的规 律及 其 对边 坡稳 定性 的影 响 1 工 程 概 况 常德至张家界高速公路关 口垭隧道为常张高速 第 1OA 合 同段 主体工程之一 为双洞公路 隧道 左 洞位于常张高速公路左线 Zk73 580 Zk74 460 右 洞 位 于 右 线 Y k73 780 Y k74 480 本 隧 道 按 高速 公 路 平 原 微 丘 区 标 准 设 计 隧 道 建 筑 限 界 按 100 km h 确定 净宽 1 1 10 m 净高 7 10 m 行车 道 含 路缘 带 宽 8 5 m 检 修道 宽 0 75 m 关 口垭 隧道位 于桃 源 县热 市镇 夏家 坳村 姜家 湾 组 为 长期 风化 剥蚀 的丘 陵地貌 区 区内 冲沟发 育 冲沟走 向以北 西 向为 主 次 为 北 东 向 隧道 的常 德 方 向洞 口轴线 与地 形等 高线呈 20 30 斜 交 在 Zk74 050 Zk74 140 隧道上方南侧及 隧道 张家 界 方 向洞 口处地 形 切割 深度 较 大 地 形 陡 峻 为 V 字 型沟 谷 与 隧道轴 线 正交 或大 角度 斜交 左 线隧 道 在 右线 隧道 南 侧 洞 口轴 线 与地 形 等 高 线 正 交 场 地内山体总体延 向约 130 隧道轴线通过地段地面标 高为 198 80 258 84 m 相对 高 差 约 60 m 地 形 坡 度 约 15 45 山坡植被 发育 局 部可见基岩 出露 隧 道 围岩 为志 留 系下统 岩层 地 层 由新 至老 依 次 为 第 四 系全新 统 Q h 地 层 包 含 种植 土 填 筑土 亚粘土 含砾亚粘 土 志 留系下统 St 地 层 包含 页 岩 构 造 角砾 岩 压 碎 岩 2 地表 变形规律 隧道开挖过程地表沉降随开挖面 向前推进的时 空效 应 而变 化 对 浅 埋 深 复 杂 围岩 段 的 地 表沉 降 收稿 日期 20 10 0 3 29 作者简介 钟浩 1968一 男 湖南醴陵人 高级工程师 主要从事公路勘察设计科研工作 g 程 e e 工 工 路 町 w rt 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 4 期 钟 浩 基于 FLAC 动态分析隧道开挖对边坡稳定性 的影响 149 分别在 Y k74 450 监测断面的地表设置 7 个跟 踪点 其 位置 与现 场 监测 点一 致 用于 监测 隧道 开 挖 过程 中地表的沉降和水平位移 另外在 Y k74 460 Y k74 440 两 个监 测 断面 中桩 点位 置设 置 发 了 2 个 跟 踪点 主要 用 于监 测地 表 的水平 位 移 3 4 计 算模 型 考 虑先 有 边 坡 再 进 行 隧 道 的 开 挖 所 建 立 的 FLA C 计算模型是三维 的 FLA C 软件计 算 的单元 网格为六面体单元 由 FLA C 自动剖分 在图 5 16 的计 算 模 型 中共 有 45 641 个 节 点 42 912 个 单 元 选择摩尔一 库伦 弹塑性模 型进行计算 将被 开挖掉 的部 分 赋予零 模 型 3 5 计 算 结果及 分析 3 5 1 Y k74 450 监测断面地表沉降分布 经计算 隧道 开挖到 Y k74 435 Y k74 4 10 等 2 个 断 面 时 Y k74 450 断 面 的 地 表 沉 降 分 别 见 图 3 图 4 图 3 隧 道 开 挖 到 Y k74 4 435 位 置 时 Y k74 4 450 断面 的沉 降分布 图 4 隧道开 挖到 Y k74 4 410 位置时 Y k74 450 断 面 的沉 降分 布 3 5 2 计 算位 移 与实测 位 移 的对 比 在 FLA C 计算 中 在 Y k74 450 断 面 设置 了 7 个地 表沉 降 跟 踪 点 分 别 选 取 隧 道 开 挖 到 Y k74 435 Y k74 410 等 2 个 断 面 为 计 算 的工 况 将 地 表 沉降计算值与实测值进行对比得出图5 和图 6 从 图 5 图 6 可以看出 计算位移与实测位移很 吻合 因此在 隧道 开挖 过程 中 可 以利 用计 算 的位移 进行 预测 并 对施 工进 行指 导 以便 较好 地 进行 信息 化施 工 3 5 3 开 挖过 程 中安全 系 数 的变化 规律 昌 皇 j鹫 逝 嚣 距中桩 距离 m 12 10 8 6 4 2 0 2 4 6 8 l0 12 一d 一 6 8 图 S 隧道开挖 到 Y k74 4 435 位 置时 地表沉 降计 算值与实测值对 比 距 中桩距离 m 一1 2 一 l0 8 6 4 2 0 2 4 6 8 10 12 暑 吕 世 娉 士 噼 薰 一 5 1O 图 6 隧 遭 开 挖 到 Y k7 4 4 10 位 置 时 地表沉 降计 算值 与实测值对 比 分 别选 取 隧 道 开 挖 到 Y k74 480 Y k74 460 Y k74 435 Yk74 410 Y k74 305 等 5 个断 面时 为计 算 的工 况 得 出 各个 工 况 时边 坡 的安 全 系 数 见 表 2 表 2 各工况边坡的安全 系数 隧道开挖 面的位置 安全 系数 隧道 开挖 面的位置 安全系数 Y k7 4 4 8 0 2 5 7 Y k 74 4 l0 1 3 0 Y k7 4 4 6 0 1 54 Y k 74 4 0 5 1 3 O Y k7 4 4 3 5 1 3 l 从 表 2 可 以看 出 隧道 开挖 对 边 坡 的影 响 主要 集 中在 开 口浅埋 段 Y k74 480 Y k74 440 在 隧 道 开挖 到 Y k74 480 位 置 即 隧道 口时 由于 对 隧 道 口进行 了加 固 实 际上就 是对 边 坡进 行 了加 固 这 时 边坡很安全 其安全 系数达到 2 57 随着隧道 的开 挖 引起 了较大 的地 表变形 边坡 的安 全系数在变 小 特别 是 当隧 道 开挖 到 Y k74 460 和 Yk74 435 断面时 从监测数据和计算数据都可看出 这一段是 地表位移速率最大 的一段 边坡安全系数也降低很 快 由于一些隧道施工的加固措施得力 隧道开挖引 起的地表变形还是在允许范围内 这时边坡的安全 系数为 1 31 边坡 较为 安 全 而 隧 道 开挖 过 了浅埋 段 以后对 边 坡稳 定 性 的影 响 就 较 小 了 边 坡 的 安全 系数 基本 维 持在 1 30 左 右 下 转 第 153 页 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 4 期 张元 天 高支架上超宽 Pc 箱 梁节段拼装施工 的质 量控制 153 差 较小 达 到设 计期 望 其 次 应 注 意接 合 面环 氧胶 的涂 抹和 养 护质量 接缝 采用 Si ka 环 氧 树脂 胶 作 为粘 结 剂 根 据 不 同的 使用环境温度选用不 同型号的环氧树脂胶 观察其 使用 时 的流 动性 及 时 予 以 调 整 确 保 端 面 的 环 氧树 脂胶 的饱 满 度 梁段 的结 合 面必 须干燥 洁净 混凝 土表 面温 度 不 低 于 5 环 氧 胶 在 45 m i n 内涂 抹 完毕 梁 体 在 90 m i n 内 完 成 拼 接 梁 体 拼 装 完 毕 后 顶 板接 合 面处 的环 氧胶 应 注意 养护 最后 保证 预应力 的张拉质 量 完成拼 接后 1 h 内张拉 部分 预 应 力 使 接 缝 间压 应 力 控 制 在 0 3 0 4 M Pa 此 时预应 力 张拉 至 50 直 至 环 氧胶 固 化 完成 即约 12 h 后 二 次 张 拉 预 应 力 至 设 计 荷 载 张 拉前 对油 表 油泵 进 行 校 核 张拉 过 程 中 以张 拉 力 控 制为 主 的张拉 力 与伸 长量 双控 荆 岳大 桥 南 边跨 PC 箱 梁 拼装 线 形 误 差均 控 制 在 1 0 em 以 内 实 现 了高 精 度 拼 装 取 得 了 理 想 的效 果 5 结 语 本 文 以荆 岳长 江公 路 大桥南 边 跨预 应力 混凝 土 箱 梁施 工 为背 景 介 绍 了 国 内 首例 在 高 支 架 上 采用 节段 拼 装 法 进 行 超 宽 预 应 力 混 凝 土 箱 梁 施 工 的工 艺 重 点 阐述 了箱 梁预 制施 工工 艺各 环节 的控制要 点 提 出 了超 宽 PC 箱 梁 预 制 移 梁 和 拼装 等 关 键工 序的施工质量控制方法 最终有效地控制 了裂纹的 出现 并 实 现 了超 宽 PC 箱 梁 的顺 利 移 梁 拼 梁 达 到 了预期 的设 计 目标 参 考文 献 1 J rJ o4 1 2000 公路 桥涵施工技 术规范 s 2 余泽 方志 裴 炳志 荆 岳长 江公路 大桥 主桥南边 跨混凝 土箱梁水化热试验研究 J 中外公路 2O lO 29 86 93 95 3 颜江平 节段 预制 箱梁 预应 力施 工质 量控制 J 中外 公路 2O lo 29 86 224 226 上 接 第 149 页 4 结 语 以关 口垭 隧 道 为 工 程 实例 在 隧道 开 挖 过程 中 进行 了现 场监 控量 测 通 过 数 据 处 理 得 出 地表 变 形 的规律 以 Y K74 450 为研究对象 利用 FLA C 动 态分 析 了 当 隧 道 开 挖 到 Y k74 480 Y k74 460 Yk74 435 Y k74 410 Yk74 305 等 5 个 断 面 时 Yk74 450 监测 断 面各 监 测 点 位 移 变 化 规 律 并 分 别计算 5 个工况下边坡 的安全系数 进 而分析隧道 开挖对 山体边坡稳定性 的影响规律 主要结论如下 地 表 的变 形 包 括地 表 沉 降和 中桩 点 的水 平 位 移 与隧 道 开 挖 面 的 位 置 有 很 大 关 系 当 隧 道 开 挖 面 与量测 断 面相 距较 远 时 地 表 的变形 速率 小 当 隧道开挖面与量测断面相距较近时 地表变形的速 率 大 一般 来说 地 表 变 形 随着 隧 道 开 挖 有 4 个 发 展 阶段 即 微 小 变 形 阶段 变 形 剧 增 阶段 变 形 缓 慢 阶段 和变 形基 本稳 定 阶段 建 立 FLA C 模 型 对 隧 道开 挖 过 程 中引 起 的 岩体 及地 表 位移 进 行 计 算 计 算 结 果 与 实 测 结 果很 吻合 因此在 隧道 开挖 过程 中 可 以利 用计 算 的位移 进行预测 并对施工进行指导 以便较好地进行信息 化施 工 在 开 口浅埋 段 隧 道 开挖 引起 了地表 较 大 的 位移 造成 边 坡 的安全 系数 降低 一 旦 隧道 开挖 过 了 浅埋段 以后 其 对 边 坡 稳 定 性 的影 响 就 不 大 了 因 此 在 隧道 浅埋 段 必须 对 隧道 口进行 加 固 并 对 隧道 及 时进 行支 护 如 果 这 时 边坡 安 全 系数 还 是 达 不 到 工 程要 求 时 就 必须 对 边坡 进行 加 固 参考文献 1 祁生文 伍 法权 兰恒星 盘石头水库泄 洪洞 导流洞进 出