1、1工程概況研究此段為中條山隧道 K9+45曠K10+560段，此處隧道最大埋深約540m,主要由太古界涑水 群表殼巖組合解州片麻巖（Hgn）地層組成，構成中條山隧道分水嶺北側的主體；此段組成隧道的 圍巖巖性主要為變粒巖、花崗片麻巖等。該套地層巖性復雜，組合無規律。巖層產狀整體傾向南東， 傾角一般在50°70°間變化。在AK9+90曠AK10+000段為區域性斷層影響段，此斷層為破碎巖石 組成，將為基巖裂隙水下滲提供通道，隧道開挖必將引起涌水，同時此段圍巖稍差，施工時易引起坍塌。此段同時也是中條山北側泉水主要涌出段，水文情況復雜。總體評價，本段工程地質條件差。在此處，具體運用

2、FLA©。進行模擬的區段均取洞身 YK10+10CYK10+180段。該區段為V級圍 巖區域，埋深為505512m，為斷層，附近太古界涑水群花崗片麻巖、黑云斜長片麻巖、巖石破 碎。隧道斷面為SVc型，如圖2-2所示。圖2-2SVc型隧道斷面圖隧道襯砌按新奧法原理設計，采用SVc型復合式襯砌，該襯砌適用于隧道洞身V級斷層影響帶 及軟弱破碎圍巖段的初期支護及襯砌，超前支護各環采用42X4mm注漿小導管超前預加固圍巖，長4.5m，環向間距35cm，搭接長度1.3m，斜插角10°15°，每環37根；初襯以噴、錨、網為主 要支護手段：鋼拱架為120a型鋼，縱向間距75cm，

3、每榀鋼拱架之間采用© 22鋼筋連接，環形間距 1.0m ;錨桿采用D25中空注漿錨桿，長3.5m，間距75cm （縱）x 100cm （環），與鋼拱架交錯布 置；噴C25早強混凝土 26cm。二次襯砌和仰拱均為C30鋼筋混凝土結構，厚50cm。1.2數值計算模型 , I I ' I j根據中條山隧道工程的實際狀況，為提高計算速度，在保證計算精度的前提下，取樁號YK10+10CYK10+160段采用大型有限差分軟件 FLA©。進行建模分析。對于全斷面法、預留核心土法、臺階法，由于整個隧道模型左右對稱，為減少計算量，可取隧!道模型的一半計算，隧道的計算模型I如圖2-3所

4、示。圖2-3計算模型I示意圖x、y、z各方向的長度分別為60m、60m和140m。模型的表面為自由邊界，底部為固定邊界 條件，四周為法向位移約束邊界條件。模型共有10912個節點，9360個實體單元。對于單側壁導坑法，由于整個隧道模型左右不對稱，可取隧道模型的一半計算，隧道的計算模 型II如圖2-4所示。x、y、z各方向的長度分別為120m、60m和140m。模型的表面為自由邊界，底部為固定邊界 條件，四周為法向位移約束邊界條件。模型共有25637個節點，23220個實體單元。圖2-4計算模型II示意圖FLACd提供了豐富的單元庫供用戶選擇，這樣可以對各種材料進行模擬。計算中V級圍巖均采 用摩

5、爾一庫倫材料，初期支護體系中的噴層混凝土視為線彈性體，二次襯砌混凝土及仰拱均采用-來源網絡，僅供個人學習參考FLaCd軟件內置的殼單元（shelI）進行模擬，系統錨桿和鎖腳錨桿均分別采用錨索單元（cable）和 樁單元（pile）進行模擬，超前導管采用樁單元（pile）進行模擬。各材料參數見表 2-1。1.3數值計算說明需要說明的是，由于研究該段埋深很大，最大處達到540m。此處假設隧道埋深為 500m,假設地應力場僅考慮自重應力場，則按照等效方法在模型頂部豎直方向應施加的垂直向應力為6=2650 X 9.8 X 420=10.91MPa。地應力平衡后，模型底部垂直向應力二z =2650 X

6、9.8 X 560=14.54MPa,隧道中心垂直向應力 二=2650X 9.8X 500=12.99MPa現按照上述方法進行平衡，得 到的豎向應力云圖如圖2-5及圖2-6所示。圖2-5模型I平衡地應力后垂直向應力分布云圖（單位：Pa）圖2-6模型n平衡地應力后垂直向應力分布云圖（單位：Pa）隧道開挖進尺為2m。縱向每個網格長為2m。縱向有30個網格，即不論哪種工法，開挖到30 步時，隧道模型即貫穿。表2-1材料參數匯總表密度彈性模量1內摩擦角材料泊松比黏聚力（MPa）(kg/m 3)GPa)(° )V級圍巖265050.40.08538初襯2438.730.110.2二次襯砌250

7、0300.2系統錨桿247992.1鎖腳錨桿254968.6超前導管254968.6對于初期支護中鋼拱架和鋼筋網的支護作用采用等效方法計算，即將鋼拱架和鋼筋網的彈性模量折算給混凝土，其計算方法為：E = E°+些（2-1） Ac式中：E折算后的混凝土彈性模量（Pa）;Eq原混凝土的彈性模量（Pa）;Ag初期支護鋼拱架的截面積（m2）;Eg初期支護鋼拱架的彈性模量（Pa）;Ac混凝土的截面積（m2）。對于系統錨桿及鎖腳錨桿的參數選取，亦同樣采用折算方法計算獲得，其計算方法如下：EA 語 A E2A2 （2-2）E折算后的錨桿彈性模量（Pa）;E1水泥砂漿彈性模量（Pa）;E2鋼管彈性模

8、量（Pa）;A錨桿截面積（m2）;Ai水泥砂漿截面積（m2）;A2鋼材截面積（m2）；對于隧道，實際開挖中，由于卸載打破了原來的平衡，圍巖內的各質點在地應力的作用下，將沿最短距離向消除阻力的自由表面方向移動， 引起圍巖內應力的重新分布，直至達到新的平衡，形 成所謂的“二次應力場”。開挖卸載之前，沿開挖邊界上的各點都處于一定的初始應力狀態，開挖 使這些邊界的應力解除，從而引起圍巖變形和應力場的變化。 從應力路徑上看，隧道的開挖過程中 應力場的變化是卸載的產物。因此，如何模擬出這種卸載作用顯得尤其重要。為更精確的計算出隧道圍巖變形及受力變化，Duncan和Dunlop （1969） i最早提出了

9、“反轉應力釋放法”，之后，國內 外學者對其展開了深入研究，孫鈞（1988）叩曾建議提出“反轉應力釋放法” ，Man a問曾提出由挖 去單元所產生的釋放荷載節點力向量提取等效釋放荷載向量的方法，這些都對隧道開挖模擬方面， 起到了指導作用。在此處開挖巖體應力釋放過程中，采用 Mana和Cloughf57提出的方法，即在每一步開挖之后， 開挖體邊界的節點將失去開挖體與之相連單元貢獻的力，故在這些節點處，不平衡力將不再為0，其為開挖掉的與之相連單元貢獻的力的矢量和， 指向開挖面。而其他位置的節點，由于未發生應力 增量，故其不平衡力仍然為0。此時再通過計算得出新的位移場和應力場。再進行下一步開挖計算。在

10、此處的三維模型模擬當中，由于考慮到隧道開挖的時空效應，同時考慮到其與支護的共同作 用。對應每一次開挖步，應力并不是一次釋放完全的，當剛剛開挖到隧道某個位置時，釋放這一部 分的80%的不平衡力，當初襯在這個位置成環時，再釋放這一部分的10%的不平衡力，當仰拱或二 襯到達這個位置時，最后釋放其 10%的不平衡力。此處運用不同工法進行施工時，具體的模擬過程如下：（1）在模型頂部施加等效應力，平衡地應力；（2）隧道開始開挖，每開挖一步，即計算 1時步，記錄此時開挖邊界節點處的不平衡力，即 原來開挖體對圍巖的支撐力，反向加載這 10%的支撐力，再計算3000時步，隧道最大不平衡力很 小，即可認為開挖一步后達到平衡。（3） 開挖繼續向前推進，當施作初襯時，反向加載此位置初始記錄時的開挖界面各節點的10% 的不平衡力；同時前方工作面繼續開挖，按照（2）釋放應力。計算