廈蓉高速公路某隧道洞口段開挖對(duì)仰坡變形影響的數(shù)值分析

張永興，婁 勇，黃 達(dá)，劉小軍，楊 超

（1.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045；2.重慶大學(xué) 教育部山地城市建設(shè)與新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400045）

0 引言

隨著國(guó)家基建重心向西部轉(zhuǎn)移，山區(qū)高速公路的建設(shè)越來(lái)越多。在山區(qū)修建高速公路，隧道往往是投資最大的工程，同時(shí)也是高速公路全線的控制性工程。而在山區(qū)隧道進(jìn)洞施工過程中，洞口段邊仰坡的穩(wěn)定性問題在隧道施工階段往往處于突出的地位［1］。當(dāng)前，地表開挖和填土引起的邊坡變形，應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的重力重分布以及邊坡失穩(wěn)機(jī)理的三維數(shù)值分析的事例已有不少［2-6］，對(duì)于地形偏壓隧道進(jìn)口段隧道施工對(duì)仰坡變形影響已有一些研究［7-11］。在實(shí)際工程中，人們對(duì)洞口仰坡重視程度較高，但往往關(guān)心隧道未開挖之前的狀態(tài)，大多進(jìn)行刷坡之后再進(jìn)行隧道開挖，而對(duì)于洞口段隧道開挖過程中對(duì)仰坡變形的研究不夠重視。許多隧道在洞口段開挖過程中出現(xiàn)的仰坡坡面開裂失穩(wěn)、洞口垮塌等事故，關(guān)鍵問題就是忽視了洞口開挖對(duì)仰坡變形的影響。因此對(duì)于山區(qū)淺埋偏壓條件下隧道洞口段開挖對(duì)仰坡變形規(guī)律的影響的研究是有必要的。

文章結(jié)合廈蓉高速公路某隧道右洞洞口段的施工過程具體研究淺埋偏壓隧道洞口仰坡因隧道開挖引起的變形規(guī)律，可為類似隧道洞口段開挖方案的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，也為類似工程建設(shè)提供有益的借鑒。

1 工程概況

隧址區(qū)位于貴州省丹寨縣平寨溝，分為左、右線，分別位于公路測(cè)設(shè)里程 ZK173+776～ZK173+944，YK173+752～YK174+005，為短隧道。隧道洞室左線長(zhǎng)168m，右線長(zhǎng)253m，左線最大埋深44.2m，右線最大埋深60.5m。

隧道穿越區(qū)為構(gòu)造隆升低山工程地質(zhì)區(qū)，山脊與隧道近于直交，隧道進(jìn)口地形較陡，仰坡坡角約為45°。隧址區(qū)處于第四系全新統(tǒng)坡殘積（Qdl+el4）碎石土、中泥盆統(tǒng)泥質(zhì)灰?guī)r（D2），巖層產(chǎn)狀進(jìn)口段90°∠55°，出口段100°∠42°。進(jìn)口段典型斷面YK173+762斷面工程地質(zhì)橫斷面圖如圖1所示，此段圍巖下伏強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，呈松散結(jié)構(gòu)，圍巖穩(wěn)定性極差，隧道開挖易產(chǎn)生坍塌，地下水類型為基巖裂隙水，富水性強(qiáng)。雨季施工地表水沿裂隙入滲在洞壁形成面狀或線狀水流。隧道襯砌按新奧法原理設(shè)計(jì)和施工，支護(hù)體系結(jié)構(gòu)均為復(fù)合式襯砌，即以錨桿、噴射混凝土、鋼拱架等為初期支護(hù)型式，二次襯砌采用鋼筋混凝土。右洞左邊界處于山谷一側(cè)，覆蓋層比較薄，處于偏壓狀態(tài)，隧道進(jìn)洞口地形如圖2所示。

2 計(jì)算模型的建立

由于隧道地形偏壓嚴(yán)重，隧道埋深較淺，在X方向，模型的左邊界取至自然山谷線，為自由邊界；模型右邊界取至5倍單洞開挖跨度，施加X方向水平約束。在Y方向，上邊界取至實(shí)際埋深地面，為自由邊界；底部取至據(jù)開挖洞底4倍隧洞開挖高度，施加Y方向位移約束。在Z方向從進(jìn)洞洞口段向洞內(nèi)選取40m長(zhǎng)度，后邊界面（Z=-40的平面）取Z方向位移約束；而對(duì)于前邊界面（Z=0的平面），距洞底5m以下取Z方向位移約束。所取模型洞口埋深為2m，進(jìn)洞40m處埋深為40m。模型見圖3所示。

圖1 YK 173+762斷面剖面圖Fig.1 section of YK 173+762

圖2 隧道洞口段Fig.2 The portal of the tunnel

圖3 模型網(wǎng)格圖Fig.3 Mesh figure of the m ode

計(jì)算采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D，模型中二襯、巖體采用8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體等參單元模擬；初期支護(hù)采用殼單元模擬；計(jì)算模型中偏于最危險(xiǎn)的情況考慮，忽略了錨桿的作用。隧道圍巖和混凝土是彈塑性材料，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。初始荷載均為巖土體的自重荷載。模型所選材料參數(shù)見表1所示。

表1 物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical-m echanical parameters

數(shù)值模擬將模型所選段按一次開挖貫通進(jìn)行模擬，即開挖進(jìn)尺為所選隧道長(zhǎng)度40m。

平寨隧道開挖采用上下臺(tái)階開挖的方法，模擬整個(gè)施工開挖步驟分為5個(gè)步驟：第0步為圍巖自重作用下的初始狀態(tài)模擬；第 a步，開挖上臺(tái)階；第b步，支護(hù)上臺(tái)階；第c步，開挖下臺(tái)階；第 d步，支護(hù)下臺(tái)階；第e步，澆筑二次襯砌及仰拱。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 隧道開挖應(yīng)力特征分析

通過每隔4m取垂直隧道軸線（Z）方向的橫斷面分析發(fā)現(xiàn)，在施工步驟相同的條件下，各橫斷面的應(yīng)力分布位置基本一致，只是形狀和大小略有差異，因此僅取距洞口20m的斷面進(jìn)行分析，列出能基本反應(yīng)施工過程中應(yīng)力變化和遷移情況的施工步云圖。從圖4～圖7可見：

圖4 第a步應(yīng)力變化特征圖Fig.4 Distribution of m axim al and m inim al p rincipal stress under the condition a.

圖5 第c步應(yīng)力變化特征圖Fig.5 Distribution of maximal and minimal principal stress under the condition c.

圖6 第e步應(yīng)力變化特征圖Fig.6 Distribution of maximal and minimal principal stress under the condition e.

圖7 第 c、e步應(yīng)力（剪應(yīng)力 Sxy）變化特征圖Fig.7 Distribution of shear stress under the condition c and e.

（1）隨著各施工階段分步開挖的進(jìn)行，從主應(yīng)力云圖可以看出，在近山谷一側(cè)拱腳附近有主應(yīng)力集中，上臺(tái)階開挖后下臺(tái)階土體表層、下臺(tái)階開挖后拱底表層出現(xiàn)拉應(yīng)力；拱頂及仰拱中部圍巖主應(yīng)力較其他部位明顯減小，拱頂部分圍巖應(yīng)力σ3則出現(xiàn)拉應(yīng)力，隧道拱腳處圍巖主應(yīng)力較其他部位明顯偏大，拱腳形成較高應(yīng)力承載區(qū)；從最小主應(yīng)力云圖來(lái)看，坡體內(nèi)部形成一貫通的拉應(yīng)力帶，容易發(fā)展至滑移破壞。

（2）開挖下臺(tái)階后，隧道拱肩、拱腳腳趾部位剪應(yīng)力集中較為顯著，這一部位通常是洞身內(nèi)壁中最容易發(fā)生變形和破壞的部位。

（3）二次襯砌及仰拱施作后，隧道洞室內(nèi)圈應(yīng)力分布較為均勻，主應(yīng)力形成一個(gè)閉合圈，靠近閉合圈附近的圍巖應(yīng)力分布較均勻，洞身內(nèi)壁拱腳腳趾部位剪應(yīng)力集中得以顯著改善。

3.2 洞口開挖過程中仰坡變形分析

仰坡主軸向平行于Z軸方向（隧道軸線方向），坡體前緣Z坐標(biāo)值為0。豎向位移（Y方向位移）向上為正，向下為負(fù)。水平位移（Z方向位移）正直指向隧洞外，負(fù)值指向洞內(nèi)。

模型中平行于隧道軸線方向截取3個(gè)仰坡縱向斷面（左右側(cè)距離隧道中心線心7m各一個(gè)，過隧道中心線位置一個(gè)），在斷面與仰坡坡面的3條交線上選取若干監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀察仰坡坡面豎向位移（Y方向位移）和水平位移（Z方向位移）；垂直于隧洞軸線方向截取2個(gè)仰坡橫向斷面（坡體前緣距洞口2m一個(gè)，坡體后緣距洞口37m一個(gè)），在斷面與仰坡坡面的2條交線上選取若干監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀察豎向位移（Y方向位移）和坡面橫向水平位移（X方向位移）。斷面選取如圖8所示。

3.2.1 仰坡軸向位移分析

下面的位移消除了自重作用下的初始位移，為模擬實(shí)際開挖過程中的變形情況由圖9～圖11可以看出：

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.8 Position of monitoring points

（1）近山谷一側(cè)仰坡坡面豎向位移最大值在坡體后緣，最大值為1.56cm（向下），最大水平位移在坡坡體前緣，最大值為0.32cm；隧道洞頂上方仰坡坡面豎向位移最大值為2.49cm（向下），產(chǎn)生在坡體前緣，最大水平位移值為0.19cm，產(chǎn)生在坡體前緣；近山脊一側(cè)豎向最大位移值為1.6cm（向下），產(chǎn)生在靠近坡體后緣，最大水平位移值為0.45cm，產(chǎn)生在坡體前緣。

（2）近山谷一側(cè)與近山脊一側(cè)仰坡的豎向位移值體現(xiàn)為坡體后緣大，前緣小，而洞頂仰坡坡面豎向位移值體現(xiàn)為坡體前緣大，后緣??；坡面Z方向水平位移值表現(xiàn)為坡體前緣大，且均為向洞心外方向，后緣變化小，有向洞內(nèi)一側(cè)移動(dòng)的趨勢(shì)。洞身附近仰坡前緣下沉較后緣嚴(yán)重，而隧洞兩側(cè)仰坡后緣產(chǎn)生下沉大，前緣向洞外擠出，在仰坡坡面后緣容易出現(xiàn)拉裂裂縫。

圖9 隧道近山谷一側(cè)（距隧道中心線7m）仰坡坡面軸向豎向位移、水平位移曲線圖Fig.9 Curves of vertical and horizontal displacement along main slope axis near mountain vale（7m from the tunnel center）

圖10 隧道拱頂（過隧道中心線）仰坡坡面軸向豎向位移、水平位移曲線圖Fig.10 Curves of vertical and horizontal displacement along main slope axis on tunnel vault

圖11 隧道近山脊一側(cè)（距隧道中心線7m）仰坡坡面軸向豎向位移、水平位移曲線圖Fig.11 Curves of vertical and horizontal displacement along main slope axis near mountain ridge（7m from the tunnel center）

3.2.2 仰坡坡面橫向測(cè)點(diǎn)位移分析

圖中豎向位移為Y方向位移，正值朝向上，負(fù)值朝向下；水平位移為X方向水平位移，正值朝向山脊側(cè)，負(fù)值朝向山谷側(cè)。洞心橫坐標(biāo)為0。由圖12～圖13可以看出：

圖12 仰坡坡面下部豎向位移、水平位移曲線圖Fig.12 Curves of vertical and horizontal displacement along transverse slope axis near the mountain bottom

圖13 仰坡坡面上部豎向位移、水平位移曲線圖Fig.13 Curves of vertical and horizontal displacement along transverse slope axis near the mountain top

（1）仰坡坡面豎向位移值洞身范圍附近比較大，近山谷一側(cè)為逐漸減小的趨勢(shì)，山脊一側(cè)離洞身范圍越遠(yuǎn)，仰坡坡面豎向位移較小。

（2）仰坡橫向水平位移值在洞身范圍附近靠近山脊一側(cè)為負(fù)值，靠近山谷一側(cè)為正值。洞身兩側(cè)坡體向洞心擠壓，洞身范圍附近以上坡體在隧道開挖后沉降較大，可能出現(xiàn)塌落。

4 結(jié)論

（1）隧道洞口段開挖對(duì)仰坡影響表現(xiàn)為：仰坡后緣下沉，前緣向洞心外有移動(dòng)趨勢(shì)，洞口段洞身以上仰坡坡面發(fā)生豎向下沉，洞身兩側(cè)向洞內(nèi)擠出，隧道開挖可能會(huì)引起隧道洞身附近巖體坍塌，所以工程中洞口垮塌事故屢見不鮮。

（2）明確了洞口段開挖過程中仰坡變形規(guī)律，在隧道開挖之前，先進(jìn)行仰坡加固處理，同時(shí)在洞口段進(jìn)洞開挖過程中，要及時(shí)關(guān)注仰坡的變形，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)從隧道開挖的控制對(duì)仰坡變形進(jìn)行針對(duì)性的治理。例如隧道開挖過程中應(yīng)嚴(yán)格控制爆破藥量及進(jìn)尺尺度，并及時(shí)進(jìn)行有效的支護(hù)，防止洞頂巖體產(chǎn)生松弛破壞或冒頂而為上部巖體提供變形空間。

（3）對(duì)于淺埋隧道洞口圍巖段，拱頂圍巖自承能力往往較差，僅依靠初期支護(hù)達(dá)到隧道洞室圍巖完全穩(wěn)定是相當(dāng)困難的。因此，即時(shí)施作二次襯砌及仰拱，盡快封閉成環(huán)對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定性是十分關(guān)鍵的。

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