削竹式高速公路洞门稳定性数值研究

崔晋春

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

0 引言

洞门是各类隧道的咽喉，其附近的岩土体往往都比较破碎松散，易发生塌方、滑坡甚至崩塌现象。因此为保护洞口处岩土体的稳定性，使进入隧道的车辆不受崩塌、落石等的影响，确保行车安全，有必要对洞门结构的稳定性开展研究。在各种类型的洞门形式中，削竹式洞门具有洞口边仰坡开挖量小、造型优美、对地表植被破坏小等诸多优点，在高速公路和铁路隧道中得到了广泛应用。削竹式洞门适用于洞口仰坡相对比较平缓，洞口背后山体纵向推力较小的地形条件，且削竹式洞门背后大多采用回填土回填，所以适合在需要修建明洞的情况下采用。由于回填土力比较松散，力学性能较差，从而导致削竹式洞门的受力比较复杂，因此有必要对削竹式洞门的力学特征以及变形规律进行研究。

目前已有研究人员对各式隧道洞门结构的稳定性开展了研究，并取得了较丰硕的研究成果。宋波等[1]从削竹式洞门的特点出发，考虑防护设计与施工，运用科学的绿化技术达到缓解司机视觉疲劳的效果，同时保护了原始生态环境；舒春生等[2]运用三维有限元软件研究了斜交削竹式洞门的力学特征，通过研究发现折角处容易出现明显应力集中现象。丁长鑫等[3]以实际工程为依托，结合端墙式洞门的结构特征，建立了一套计算端墙结构受力及稳定性分析的方法，为端墙式洞门稳定性验算提供了新的思路。许才仗等[4]采用条带法分析柱式洞门各部分结构所到的作用力，并通过验算墙趾倾覆稳定性以确定了洞门各部分的尺寸。谢建华等[5]将翼墙式隧道洞门视为挡土墙，从验算主动土压力入手确定翼墙尺寸。在此基础上考虑洞门与翼墙的共同滑动稳定性，从而给出翼墙式洞门整体稳定性的评价。

本文考虑到洞口段土体的复杂性，合理采用有限差分软件FLAC3D，基于实际土层状况，构建了隧道削竹式洞门的三维模型。通过分析削竹式洞门在开挖过程中的施工力学特征，得到了该形式的洞门在施工过程中的变形规律，研究成果可以为今后类似工程的施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

吉县至河津高速公路西家塔隧道位于乡宁县昌宁乡门家沟村与西交口乡沟西村之间，隧道位于黄土低山区，由于剥蚀作用，中陡坡-陡坎较发育，山体总体呈东西走向，山势中部高，东西低，隧道两侧山坡冲沟发育，且沟谷深切，沟岸陡峻，呈“V”字型。

隧道左右线均属长隧道，呈北-南走向，两洞中轴线最大间距约35 m，最小间距约20 m。右线洞体全长2 120 m，吉县端洞口里程桩号K23+655，洞口底板设计高程1 115.022 m；河津端洞口里程桩号K25+775，洞口底板设计高程1 122.934 m，洞体最大埋深155.32 m，位于K24+940处；左线洞体全长2 137 m，吉县端洞口里程桩号ZK23+653，洞口底板设计高程1 114.154 m；河津端洞口里程桩号ZK25+790，洞口底板设计高程1 122.759 m，洞体最大埋深161.93 m，位于ZK24+890处。吉县端洞口位于门家沟东岸黄土山梁咀部，距现有乡村公路约500 m，农用车辆可到达洞口处；河津端洞口位于乌金沟北岸斜坡上，有简易土路可达洞口处，隧道两端洞口处交通相对较为便利。

本文吉县端右线段洞口地形比较对称不太陡峭，洞口段有一节明洞衬砌，山体的推滑力不大，因此根据洞口段的实际工程特点，采用削竹式洞门。

2 吉县端右线洞门三维数值模拟

2.1 整体模型

吉县端右线地形较缓，结合洞口地质条件设置15 m明洞，并根据地质和地形条件，采用了削竹式洞门这种洞门形式，整体模型如图1所示。

图1 吉县端右线洞门整体模型

建立模型时，为了保证模拟结果的可靠性，洞门尺寸严格参照工程实际情况来构建。为了避免边界效应对模拟结果的影响，所建立的模型总宽度取3倍洞径，高度取2倍洞径，模型长度取15 m。模型边界条件按照如下方式设置：地表边界设置为自由边界，其余边界均设置为法向约束边界。模型材料采用实体单元模拟二次衬砌、夯填土和围岩3个部分。模型中用到的力学参数如表1所示。

表1 模型力学参数

模拟过程如下：首先用CAD软件将洞门平面结构精确绘制出来并导入Ansys有限元分析软件中，在Ansys中将平面结构拉伸成体并划分好映射网格。最后将建好的模型利用转换软件导入到有限差分软件FLAC3D中，假设围岩服从摩尔-库伦本构关系，在此基础上进行运算，使得模型达到初始平衡状态；然后将弹性材料属性赋给混凝土材料进行洞门结构施工的模拟，达到力学平衡后，进行后处理，输出各种应力和应变云图，整理分析所得到的各种云图，总结并得出结论。

2.2 应力特征

图2为吉县端右线洞门位置的最小、最大主应力等值线分布图。从图中可以看出，二次衬砌、夯填土和围岩的主应力分布较为均匀，整个洞门和围岩均未出现拉应力。

图2 吉县端右线洞门主应力等值线分布图

2.3 位移特征

图3为吉县端右线洞门部分二次衬砌、回填土和围岩的竖向、横向位移分布云图。从竖向位移等值线图中可以看出，隧道顶部下沉，底部凸起。

图3 吉县端右线洞门位移等值线分布图

2.4 塑形应变特征

图4 吉县端右线洞门塑性区分布图

图4为吉县端右线洞口段的塑性区分布图。从图中可以看出，二次衬砌和夯填土始终处于弹性状态。有小部分周边围岩在模拟的过程中发生过塑性屈服，但运算完成后又退出塑性状态恢复了弹性状态，这说明洞口段在施工过程中的受力状态较好，没有出现塑性区。

3 结论

本文采用数值模拟技术，以西家塔隧道吉县端右线洞门为依托，分析了该洞门在开挖过程中的施工力学特征，得到以下结论：洞口段最大与最小主应力分布较为均匀，整体未出现拉应力分布。洞门处顶部下沉，底部有轻微隆起，最大位移均处于安全范围内。且整个洞口段在施工完成后无明显塑性区分布。数值模拟结果表明该隧道洞门在施工过程中稳定性较好，削竹式洞门是一种适用于西家塔隧道吉县端右线的洞门型式。