隧道洞口邊坡變形控制與數(shù)值分析

喻 軍，劉松玉

（1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310032；2.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210096）

隧道洞口邊坡變形控制與數(shù)值分析

喻 軍1，劉松玉2

（1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310032；2.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210096）

為了保證隧道洞口邊坡上建筑物的安全，必須控制邊坡變形值，以滿足產(chǎn)生的附加應(yīng)力小于建筑物的允許值.某隧道洞口位于居民區(qū)，由于拆遷的不徹底，某居民樓距離隧道邊界僅僅3m，所以洞口路塹開挖時要嚴(yán)格控制邊坡的變形，保證居民樓正常使用，根據(jù)邊坡上該建筑物的結(jié)構(gòu)特點和使用年限，確定該邊坡允許變形值為15 mm；在采用錨桿、噴混凝土聯(lián)合鋼筋網(wǎng)預(yù)加固的前提下，模擬了每步開挖路塹的長度和寬度，得到沿隧道方向每步長度開挖2 m且寬度3 m，邊坡變形滿足要求，并進行了跟蹤監(jiān)測.此結(jié)論可為類似工程的設(shè)計、施工提供借鑒和參考.

隧道洞口；邊坡；建筑物；變形；數(shù)值分析；跟蹤監(jiān)測

邊坡變形控制是一世界性難題，巖土工程技術(shù)人員尚未很好的解決，因為影響邊坡變形的因素很多.邊坡變形帶來的危害有：一方面因邊坡過大變形而失穩(wěn)，另一方面因邊坡變形而危及其上建筑物的正常使用［1］.路塹的開挖促使邊坡的應(yīng)力場和位移場重新調(diào)整，直到新的平衡狀態(tài)，由表及里產(chǎn)生一定的松動區(qū)，若不能達(dá)到新的平衡，則出現(xiàn)滑坡［2－7］.為了控制某邊坡變形，首先要優(yōu)化路塹開挖方式，使邊坡變形最?。煌瑫r采取預(yù)加固措施，松動區(qū)范圍的大小跟巖土體力學(xué)性質(zhì)、預(yù)加固方式和路塹的開挖方式和進度有關(guān)，只有確定松動區(qū)的范圍后才能準(zhǔn)確加固變形邊坡的面積和深度［8－12］.某隧道洞口邊坡位于峽谷，為沖積土層和強風(fēng)化巖層，在路塹開挖時邊坡容易失穩(wěn)，導(dǎo)致邊坡上建筑物的損害，所以首先從建筑物受力機理方面進行了研究，確定沉降控制要求，然后采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，優(yōu)化了路塹開挖方式，滿足了建筑物沉降控制和施工的要求.

1 建筑物允許差異沉降值

33號樓為一般磚混結(jié)構(gòu)，為1979年建設(shè)，使用時間較長，房屋結(jié)構(gòu)存在許多破損.在擋墻圍護下邊坡穩(wěn)定，水平位移較小，所以在此僅考慮豎向位移.首先確保房屋的安全，控制邊坡的豎向位移，由表1可知，最大許可沉降為60～80 mm；由表2可知，部分砌塊開裂，允許沉降為L／500或15 mm；由表3可知［13］，多層房屋側(cè)向位移L／1 000，L＝18 m，取18 mm；再因為房屋結(jié)構(gòu)存在許多破損，所以確定33號樓的差異沉降控制值為15 mm.

表1 建筑物最大許可沉降或差異沉降值Table 1 Allowance maximum or non-uniform settlement of building

表2 構(gòu)件許可變形Table 2 Allowance deformation of member

表3 構(gòu)件容許水平變形Table 3 Allowance horizontal deformation of member

2 邊坡預(yù)加固方式的確定

某隧道進口位于沖溝處，兩側(cè)高，中間低，巖性為殘積土，強度低，均勻性差，且位于居民區(qū)，雖然進行拆遷，仍保留部分房屋，最近的33號樓離隧道開挖線水平距離僅3 m，高程差為18 m.隧道明洞段下臺階開挖時，兩側(cè)邊坡陡，都接近80°，由于坡頂存在房屋，又不宜刷坡，所以一方面要控制邊坡穩(wěn)定，另一方面要控制坡頂?shù)淖冃危ＷC房屋基礎(chǔ)變形控制在安全范圍內(nèi)，需采取合理的加固方案和開挖方式，根據(jù)以上對建筑物差異沉降允許值的分析和經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，邊坡較陡，且離房屋很近，不宜采取抗滑樁加固，可采取錨噴網(wǎng)加固，預(yù)加固方式如下.

通過數(shù)值計算，發(fā)現(xiàn)邊坡的潛在滑動面如圖1中紅線，所以先固定一種加固方式為：噴射混凝土10 cm，強度C20，鋼筋網(wǎng)為150×150 mm，錨桿為φ25的螺紋鋼，水平和豎向布置為100×100 mm間距，偏離水平線向下15°，錨桿從第一段到第四段為18 m，15 m，12 m，10 m，穿過滑動面，從第二級擋墻開始加固，先加固至地表線，共12 m高，長6 m，地表以下加固4 m，如圖1所示，邊開挖邊加固，直到路塹施工完成.

圖1 路塹邊坡加固設(shè)計圖Fig.1 Stretch of reinforced design of cut slope

3 路塹開挖方案及模擬

3.1 模擬施工工況

先固定x，y方向為3 m，分別模擬沿z方向（隧道軸向）一步開挖1 m，2 m，3 m，6 m的施工過程，得到一個最大的開挖長度；然后固定第一步得到的最大長度方向，分別模擬寬度方向每步開挖6 m，3 m，2 m，得到一個最大寬度方向的開挖尺寸，綜合兩部便得到每步開挖的長度和寬度，計算模型的側(cè)面邊界分別受到x軸和z軸的水平約束，模型的下邊界受到y(tǒng)方向的位移約束，地表為自由邊界，不受約束，房屋簡化為均布荷載，為60 k Pa.

開挖模擬過程為：施加邊界條件和荷載條件；殺死shell單元和link單元；計算重力下位移場和應(yīng)力場；激活上部12 m的shell單元和link單元，計算位移場和應(yīng)力場；沿z軸方向，開挖1 m，激活下面shell單元和link單元，計算位移場和應(yīng)力場；至開挖完成.

3.2 模型尺寸及巖土體物理力學(xué)參數(shù)

選用ANSYS軟件計算，采用三維模型和摩爾庫倫本構(gòu)關(guān)系，由于與邊坡相連的明洞段為6 m，所以縱向長度為6 m，左側(cè)邊界為從坡腳向左20 m，右側(cè)邊界為從坡腳向右50 m，底部邊界為坡腳向下20 m，上部邊界為地表，房屋用均布荷載代替，x軸為左右方向，y軸為上下方向，z軸為前后方向，如圖2所示.

圖2 路塹邊坡網(wǎng)格圖Fig.2 Web drawing of FEM of cut slope

巖性共為三層，第一層為雜填土，第二層為碎石土，第三層為風(fēng)化變粒巖，采用彈塑性本構(gòu)模型，錨桿、噴混凝土（包括鋼筋網(wǎng)）、擋墻用彈性模型，其中鋼筋網(wǎng)用等效折算為混凝土的強度參數(shù)，力學(xué)參數(shù)見表4.

表4 模擬地層和結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)Table 4 Mechanics parameters of simulation strata and structure

鋼筋網(wǎng)彈性模量折算給混凝土，計算公式為

式中：E和E0分別為折算后和折算前噴射混凝土的彈性模量；Sg和Sc分別為鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土的橫截面面積；Eg為鋼筋網(wǎng)的彈性模量.

3.3 模擬結(jié)果分析

根據(jù)長度方向模擬結(jié)果，當(dāng)每步開挖3 m時，坡頂沉降增大一倍，超過了房屋變形控制標(biāo)準(zhǔn)，大主應(yīng)力也增加0.4 MPa，當(dāng)每步開挖6 m時，坡頂沉降增加三倍，大主應(yīng)力增加0.5 MPa，所以為了施工和房屋安全起見，沿長度方向每步開挖控制在2 m.

在長度方向每步控制在2 m，模擬寬度方向（垂直隧道軸線）每步開挖6 m，3 m，當(dāng)每步開挖寬度為6 m時，邊坡出現(xiàn)了失穩(wěn)，所以不合理；當(dāng)每步開挖寬度為3 m時，發(fā)現(xiàn)路塹底部位移為0.01 mm，較開挖6 m時小很多，而且應(yīng)力和坡頂沉降也較小，坡頂沉降為5.3 mm，小于15 mm.在控制范圍內(nèi)，符合要求.綜上所述，優(yōu)先采用長度方向開挖2 m，寬度方向開挖3 m的施工方案.

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為了確保33號樓的安全，對該樓基礎(chǔ)進行了跟蹤監(jiān)測，基準(zhǔn)點設(shè)在離房子較遠(yuǎn)的穩(wěn)定區(qū)域，用水準(zhǔn)儀進行量測.監(jiān)測點的坐標(biāo)為YLF1（3，18，1），YLF2（28，18，1），YLF3（3，18，6），YLF4（28，18，11），YLF5（3，18，11）.測點 YLF3布置在前側(cè)墻角靠外擋墻邊，測點YLF3-1和測點YLF3是同一個點，由于在監(jiān)測過程中測點YLF3被破壞，所以又在測點YLF3上布置了測點YLF3-1測點，該點的累計沉降是二者之和，總沉降達(dá)6.12 mm；測點YLF1布置在前側(cè)墻角，累計沉降達(dá)3.2 mm；測點YLF2布置在前側(cè)墻中間，測點YLF4布置在后側(cè)墻中間，監(jiān)測過程中都被破壞，沒有繼續(xù)監(jiān)測；測點YLF5布置在后側(cè)墻角，累計沉降達(dá)0.74 mm.其布置見圖3.

圖3 33號樓監(jiān)測點布置示意圖Fig.3 Stretch of monitoring point configure of building No.33

為了確保擋墻的穩(wěn)定性，也監(jiān)測離開挖邊界不同水平距離處沉降變化情況，在擋墻上布置了7個監(jiān)測點，基準(zhǔn)點與33號樓相同，用水準(zhǔn)儀進行了監(jiān)測，監(jiān)測點的坐標(biāo)為 DQ1（0.5，14，0），DQ2（1.5，14，0），DQ3（1.5，14，3），DQ4（1，14，2），DQ5（1，14，4），DQ6（0.5，14，6），DQ7（1.5，14，6）.監(jiān)測點 DQ1布置在外擋墻的前側(cè)，累計沉降達(dá)14.2 mm，監(jiān)測點DQ6布置在外擋墻的后側(cè)，累計沉降達(dá)12.2 mm，監(jiān)測點DQ2，監(jiān)測點DQ3和監(jiān)測點DQ7布置在內(nèi)墻墻腳，累計沉降在10.5 mm左右，監(jiān)測點DQ4和監(jiān)測點DQ5布置在內(nèi)外墻中間，監(jiān)測中被破壞，沒有繼續(xù)監(jiān)測，其布置見圖4.

圖4 擋墻監(jiān)測點布置示意圖Fig.4 Stretch of monitoring point configure of retaining wall

從對擋墻和房屋基礎(chǔ)監(jiān)測可以看出，離開挖邊界水平距離不同，其沉降不同，隨著距離增加，沉降并不是線性增加，而是離開挖邊界越近沉降增加的速率越大，前側(cè)從33樓基礎(chǔ)的3.2 mm，到內(nèi)側(cè)擋墻的6.12 mm，10.5 mm，到外墻的14.2 mm；后側(cè)從33樓基礎(chǔ)的0.74 mm到外墻的12.2 mm，其包括上下臺階開挖引起的沉降之和.如果僅考慮路塹開挖引起的沉降，則路塹施工從2008年5月到6月和完成邊坡加固，房屋基礎(chǔ)和擋墻沉降都在5.4 mm，且以后趨于穩(wěn)定，如圖5，6所示.跟數(shù)值模擬的結(jié)果很接近.施工結(jié)束后，未發(fā)現(xiàn)擋墻和房屋有任何破壞的現(xiàn)象.

圖5 某隧道進口右線33號樓基礎(chǔ)沉降隨時間變化曲線圖Fig.5 Curve between settlement and time of the basis of building No.33 at the right entrance of tunnel

圖6 某隧道進口右線擋墻沉降隨時間變化曲線圖Fig.6 Curve between settlement and time of retaining wall at the right entrance of tunnel

5 結(jié) 論

根據(jù)33號樓結(jié)構(gòu)和建造年代，對其所承受能力進行了折減，保證樓房的安全，確定該房屋的差異沉降值為15 mm；在路塹邊坡允許的變形值和經(jīng)濟允許的情況下，對邊坡進行預(yù)加固；然后對路塹邊坡開挖次序和進尺進行的模擬，得出該隧道洞口路塹開挖方案為：路塹的每一步開挖的長度為2 m，開挖寬度為3 m，符合施工空間的需要和滿足進度要求.通過對施工過程進行了跟蹤監(jiān)測，在路塹開挖時，房屋基礎(chǔ)沉降為5.4 mm，滿足房屋差異沉降控制要求.

本文得到了浙江工業(yè)大學(xué)校科研基金項目（2011XY0024）的資助.

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Numerical analysis and control of the deformation of the slope at the entrance of tunnel

YU Jun1，LIU Song－yu2
（1.College of Civil Engineering and Architecture，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310032，China；2.College of Transportation，Southeast University，Nanjing 210096，China）

The safety of building on the slope is proved under the premise of the allowance deformation of the slope during cutting at the dense-building area.It is necessary to meet extra stress beyond the allowance of the building to keep the building safe.The entrance of tunnel is located on the resident area and the building is three meters from the tunnel boundary for the halfway removal.In the paper，the permitted value of slope deformation was determined as 15 millimeters considering building structure and its used time.And then pre-reinforced measure of slope was designed under the permission of economy，including anchors and shot concrete and steel net on the surface.At last，excavation length and width of each step of cut was simulated.The result shows that it is feasible to excavate two meters along the length and three meters along the width to meet the need of slope deformation.And the track monitoring was conducted during the construction to meet the requirement.The conclusions can provide the reference for design and construction of similar engineering.

the entrance of tunnel；slope；building；deformation；numerical analysis；following monitoring

TU457.2

A

1006-4303（2012）01-0101-05

2010-10-09

喻 軍（1978—），男，湖南邵陽人，講師，博士，研究方向為隧道及地下工程，E-mail：yujunsunny＠163.com.

（

劉 巖）