某偏壓連拱隧道分步開挖時(shí)邊坡位移響應(yīng)分析

汪志剛*，咸玉建，邱建國(guó)

(桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

某偏壓連拱隧道分步開挖時(shí)邊坡位移響應(yīng)分析

汪志剛*，咸玉建，邱建國(guó)

(桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬2種方法，對(duì)偏壓連拱隧道分步開挖過程的邊坡位移響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明:在隧道分步開挖過程中，1)隧道正上方位置邊坡沉降變化最為明顯，谷側(cè)隧道上臺(tái)階開挖步為對(duì)沉降影響最為明顯的開挖步;2)隧道正上方中間部位及邊坡下部水平位移較大，邊坡上部較小。谷側(cè)隧道上臺(tái)階開挖步為對(duì)水平位移影響最大開挖步;3)邊坡地表位移有增大趨勢(shì)。開挖對(duì)邊坡體位移的影響范圍從隧道向上直至邊坡自由面，在其他方面約為3倍隧道尺寸。其中，隧道正上方地表位移量遠(yuǎn)大于邊坡上部與下部位置，谷側(cè)隧道上臺(tái)階開挖步為邊坡中部地表位移影響最大的分析步。

邊坡位移;隧道分步開挖;監(jiān)測(cè);數(shù)值模擬

目前，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的分析，在定性或定量方面的研究都取得了一定的進(jìn)展［1-7］，但隧道開挖對(duì)邊坡的影響的研究較少，尤其對(duì)于連拱隧道，其寬度大，多次分步開挖、多期支護(hù)以及應(yīng)力的平衡轉(zhuǎn)換，必然會(huì)對(duì)原邊坡產(chǎn)生顯著影響［8-10］。本文針對(duì)某偏壓連拱隧道施工過程，應(yīng)用有限元分析軟件ABAQUS 10.0對(duì)該隧道分步開挖施工過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，并結(jié)合實(shí)際工程中邊坡位移的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析分步開挖時(shí)邊坡位移的響應(yīng)狀況。

1 工程概況

某連拱隧道進(jìn)洞口位于山體邊坡中，坡度50～60°，隧道總長(zhǎng)255 m，凈寬23 m。隧道洞口圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，可分為3層(如圖1所示)，其中:地表層為第四系殘坡積灰褐色碎石土或亞粘土，下層圍巖為上三疊統(tǒng)黃褐色、灰黃色砂巖，圍巖類別為Ⅴ類，穩(wěn)定性差。且邊坡走向與巖層、裂隙走向近平行，不利邊坡穩(wěn)定。隧道進(jìn)洞口段結(jié)合地形條件、地質(zhì)情況，擬采用直接進(jìn)洞的中導(dǎo)加上、下臺(tái)階開挖方式進(jìn)行分步開挖施工。

①亞粘土;②碎石;③中-厚層狀細(xì)砂巖夾粉砂巖薄層

2 洞口邊坡監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)布置方案

為了能使監(jiān)測(cè)工作很好地反映出隧道分步開挖時(shí)地表位移的響應(yīng)狀況，達(dá)到有效控制施工段地表位移監(jiān)測(cè)的目的，同時(shí)根據(jù)該段的地質(zhì)情況，在開挖隧道的正上方、邊坡的上部和邊坡下部布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。監(jiān)測(cè)頻率為 1次 /周，測(cè)取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值。通過分析邊坡的累積沉降曲線及累積位移曲線，分析分步開挖時(shí)邊坡的響應(yīng)狀況。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置圖

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

該偏壓連拱隧道分步開挖:先開挖中導(dǎo)洞，以上下臺(tái)階法分別開挖山側(cè)和谷側(cè)隧道。洞口段開挖共歷時(shí)70 d，邊坡中各測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)較大位移，考慮到隧道分步開挖對(duì)各測(cè)點(diǎn)的影響以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的完整性。本文以邊坡中測(cè)點(diǎn)P1，P3，P5為例，進(jìn)行位移響應(yīng)分析。其中:累積沉降(累積豎向位移)曲線如圖3所示;累積水平位移曲線如圖4所示;累積位移曲線如圖5所示。

從圖3可知，隧道分步開挖過程中，邊坡沉降有較大響應(yīng)。其中:隧道正上方測(cè)點(diǎn)P3沉降增大最為明顯，累計(jì)變化量達(dá)50.1 mm;而谷側(cè)隧道上臺(tái)階開挖階段沉降約占總沉降量的51.1%，該開挖步對(duì)其測(cè)點(diǎn)沉降影響最為明顯。另外，隧道上方山側(cè)邊坡測(cè)點(diǎn)P5對(duì)開挖過程沉降也有明顯響應(yīng)，最大累積沉降量為12.8 mm，其中也以谷側(cè)隧道上臺(tái)階開挖階段影響最大，約占總沉降量的45.3%。而谷側(cè)邊坡上的測(cè)點(diǎn)P1，隧道開挖對(duì)其沉降影響很小，略向上部鼓起。

從圖4可知，隧道分步開挖過程中，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置水平位移均有增大趨勢(shì)，其中對(duì)測(cè)點(diǎn)P1、P3水平位移影響較大，而對(duì)測(cè)點(diǎn)P5影響較小。在谷側(cè)隧道上臺(tái)階開挖階段水平位移均快速增長(zhǎng)，約占總位移的50%以上。

從圖5可知，各測(cè)點(diǎn)地表位移隨開挖過程有增大趨勢(shì)。其中，測(cè)點(diǎn)P3的地表位移量遠(yuǎn)大于測(cè)點(diǎn)P1與P5，其最大位移量達(dá)55.5 mm，而測(cè)點(diǎn)P1最大位移量為17.3 mm，測(cè)點(diǎn) P5最大位移量為16.3 mm。在各開挖步中，谷側(cè)隧道上臺(tái)階開挖階段對(duì)測(cè)點(diǎn)P3的地表位移影響最大，約占總量的53.2%。

綜上所述，偏壓連拱隧道分步開挖對(duì)邊坡位移會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。其中:谷側(cè)隧道上臺(tái)階開挖步是對(duì)邊坡位移影響最為明顯的開挖步;隧道正上方邊坡是受開挖影響最為顯著的位置。因此，在施工過程中應(yīng)格外關(guān)注。

圖3 累積沉降曲線

圖4 累積水平位移曲線

圖5 累積位移曲線

3 模擬分析

3.1 有限元模型

考慮到邊界效應(yīng)的影響，本文模型左邊及底邊界取到隧道開挖3倍直徑長(zhǎng)度。模型尺寸水平向165 m，高為120 m(如圖6所示)。模型邊界條件為:底部約束豎向位移，左邊山側(cè)約束水平向位移。隧道圍巖取四結(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變四邊形單元，襯砌用梁?jiǎn)卧M(如圖7所示)，并假設(shè)所有材料為均質(zhì)彈塑性材料，屈服準(zhǔn)則采用D-P準(zhǔn)則［11-12］。初始應(yīng)力場(chǎng)采用自重應(yīng)力場(chǎng)。材料參數(shù)如表1所示。

圖6 連拱隧道模型

圖7 隧道初襯模型

表1 材料參數(shù)表

3.2 分步開挖施工步

以分步開挖模擬盡可能接近實(shí)際施工過程，同時(shí)便于在軟件模擬中實(shí)現(xiàn)的原則，本文對(duì)實(shí)際分步開挖過程進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化。可分為3步:首先進(jìn)行中導(dǎo)洞開挖及初襯與中隔墻支護(hù)，其次對(duì)山側(cè)隧道采用上下臺(tái)階法進(jìn)行分步開挖并及時(shí)施作襯砌，最后對(duì)山谷側(cè)隧道采用上下臺(tái)階法進(jìn)行分步開挖并及時(shí)施作襯砌。具體工況為:0)地應(yīng)力平衡分析步;1)開挖中導(dǎo)洞;2)施作中導(dǎo)洞初襯;3)澆注中隔墻;4)左洞(山側(cè))上臺(tái)階開挖;5)左洞上臺(tái)階初襯支護(hù);6)左洞下臺(tái)階開挖;7)左洞下臺(tái)階初襯支護(hù);8)左洞二襯支護(hù);9)右洞(谷側(cè))上臺(tái)階開挖;10)右洞上臺(tái)階初襯;11)右洞下臺(tái)階開挖;12)右洞下臺(tái)階初襯;13)右洞施作二襯;14)移除中導(dǎo)洞初襯。

4 模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

4.1 地表沉降分析［13-14］

圖8 累積沉降曲線

圖8為隨分步開挖過程邊坡各測(cè)點(diǎn)位置的累積沉降曲線，可以看出:偏壓連拱隧道分步開挖，對(duì)隧道正上方邊坡(測(cè)點(diǎn)P3)的沉降影響遠(yuǎn)大于隧道上方左邊邊坡(測(cè)點(diǎn)P5)與右邊邊坡(測(cè)點(diǎn)P1)。與監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合。

測(cè)點(diǎn)P3累積沉降量為57.6 mm。在中導(dǎo)洞開挖(分析步2、3)、左洞上臺(tái)階開挖(分析步4、5)及右洞上臺(tái)階開挖(分析步9、10)時(shí)，沉降都有較大增長(zhǎng)。其中:中導(dǎo)洞開挖階段沉降量約占總沉降量的15.8%;左洞上臺(tái)階開挖階段沉降量約占總沉降量的23.4%;右洞上臺(tái)階開挖階段沉降量約占總沉降量的60.6%。

測(cè)點(diǎn)P5累積沉降量為14.4 mm。其沉降對(duì)于分步開挖的響應(yīng)與測(cè)點(diǎn)P3趨勢(shì)相同，但影響幅度較小。其中:中導(dǎo)洞開挖階段沉降量約占總沉降量的20.1%;左洞上臺(tái)階開挖階段沉降量約占總沉降量的27.8%;右洞上臺(tái)階開挖階段沉降約占總沉降量的41%。

對(duì)于測(cè)點(diǎn)P1的豎向沉降影響很小，最大沉降為2.6 mm。

以上3測(cè)點(diǎn)的模擬結(jié)果均與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果相近，數(shù)值略大于監(jiān)測(cè)值，這是邊坡響應(yīng)滯后的結(jié)果。

圖9 累積水平位移曲線

4.1.2 地表水平位移分析

圖9為分步開挖過程中地表3測(cè)點(diǎn)(P1、P3和P5)的累積水平位移曲線，可以看出:偏壓連拱隧道分步開挖時(shí)，對(duì)隧道正上方邊坡(測(cè)點(diǎn)P3)與隧道上方右邊(測(cè)點(diǎn)P1)邊坡的水平位移影響遠(yuǎn)大于隧道上方左邊邊坡(測(cè)點(diǎn)P5)。

測(cè)點(diǎn)P3累積水平位移量為21.5 mm。在中導(dǎo)洞開挖(分析步2、3)及左洞上臺(tái)階開挖(分析步4、5)水平位移值有微小變化;在右洞上臺(tái)階開挖(分析步9、10)時(shí)，水平位移值快速突變?cè)鲩L(zhǎng)。其中:中導(dǎo)洞開挖階段水平位移約占總水平位移的9.3%;左洞上臺(tái)階開挖階段水平位移沿相反方向發(fā)展，但其值較小，可忽略;右洞上臺(tái)階開挖階段水平位移約占總水平位移值的48%。

測(cè)點(diǎn)P5累積水平位移值為8.5 mm。其水平位移對(duì)于分步開挖的響應(yīng)與測(cè)點(diǎn)P3趨勢(shì)相同。其中:中導(dǎo)洞開挖階段水平位移約占總水平位移的16.5%;左洞上臺(tái)階開挖階段水平位移約占總水平位移的25.9%;右洞上臺(tái)階開挖階段水平位移約占總水平位移的52.9%。

測(cè)點(diǎn)P1累積水平位移值為18.6 mm。其水平位移對(duì)于分步開挖的響應(yīng)與測(cè)點(diǎn)P3趨勢(shì)相同，但影響幅度較小。其中:中導(dǎo)洞開挖階段水平位移約占總水平位移的7.5%;左洞上臺(tái)階開挖階段水平位移約占總水平位移的11.3%;右洞上臺(tái)階開挖階段水平位移約占總水平位移的74.2%。

4.1.3 地表等效位移影響分析

圖10 中隔墻開挖步地表等效位移云圖

圖11 左洞上臺(tái)階開挖步地表等效位移云圖

圖12 右洞上臺(tái)階開挖步地表等效位移云圖

圖13 累積地表等效位移曲線

從監(jiān)測(cè)過程可知，隨著分步開挖進(jìn)行，對(duì)邊坡地表等效位移具有明顯影響。而在各分析步中，尤以中導(dǎo)洞開挖步、左洞上臺(tái)階開挖步及右洞上臺(tái)階開挖步對(duì)其影響最顯著。圖10～13顯示了中導(dǎo)洞開挖步、左洞上臺(tái)階開挖步及右洞上臺(tái)階開挖步的地表等效位移云圖。由圖可知，開挖隧道對(duì)坡體的影響范圍向上直至邊坡自由面，在其他方面約為3倍隧道尺寸;同時(shí)，右洞上臺(tái)階開挖步時(shí)，對(duì)邊坡體等效位移影響值達(dá)到最大。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)偏壓連拱隧道分步開挖過程中邊坡位移響應(yīng)狀況進(jìn)行了分析［15］，結(jié)果表明:1)邊坡沉降響應(yīng)較大。其中，隧道正上方位置沉降增大最為明顯，谷側(cè)隧道上臺(tái)階開挖為對(duì)沉降影響最為明顯的開挖步，該步產(chǎn)生的沉降量約占總量的45.3%。2)邊坡水平位移均有增大趨勢(shì)。其中，隧道正上方中間部位及邊坡下部水平位移較大，邊坡上部較小。谷側(cè)隧道上臺(tái)階開挖為對(duì)水平位移影響最大開挖步，該步產(chǎn)生的水平位移量占總量的50%以上。3)邊坡地表等效位移有增大趨勢(shì)。其影響范圍從隧道向上直至邊坡自由面，在其他方面約為3倍隧道尺寸。其中，隧道正上方地表等效位移量遠(yuǎn)大于邊坡上部與下部位置。谷側(cè)隧道上臺(tái)階開挖為隧道正上方地表等效位移影響最大的分析步，該步產(chǎn)生的等效位移約占總量的53.2%。

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The Analysis of Slope Displacement Response for Bias Multi-arch Tunnel Staged Excavation

WANG Zhigang* ，XIAN Yujian，QIU Jianguo
(College of Civil Engineering and Architectural，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China)

In this paper，combining with monitoring data of an actual project and the results of numerical simulation in the process of bias multi-arch tunnel staged excavation，the authors analyze the response condition of slope displacement.It is concluded that:1)in the process of tunnel staged excavation，settlement of the most obvious position of slope is above the tunnel;2)Above the tunnel and lower part of slope horizontal displacement is larger，the upper slope horizontal displacement is smaller.The excavation step of upper steps excavation of the valley side tunnel has the biggest influence on horizontal displacement in all excavation steps;3)Surface displacement of slope has increasing trend.Tunnel excavation on the influence of the moved slope position to move upward from the tunnel until the free surface of slope，is about three times the tunnel in the other direction.Among them，the slope surface displacement of directly above the tunnel is greater than the upper and lower position of the surface displacement，the excavation step of upper steps excavation of the valley side tunnel has the biggest influence on surface displacement of the middle part of slope in all excavation steps.

displacement of slope;tunnel excavation step by step;monitoring;numerical simulation

TV223.3

A

2095-5383(2014)02-0069-04

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2014.02.023

2014-01-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“采礦振動(dòng)擾動(dòng)下巖溶塌陷的動(dòng)力學(xué)機(jī)制”(41262011);廣西重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目“強(qiáng)降雨條件下廣西紅粘土山體滑坡臨滑機(jī)理及監(jiān)控措施研究”(11-CX-01)

汪志剛(1988-)，男(漢族)，江西貴溪人，在讀碩士研究生，研究方向:巖土工程研究，通信作者郵箱:wzg08lt@163.com。

咸玉建(1986-)，男(漢族)，江蘇宿遷人，在讀碩士研究生，研究方向:巖土工程研究。.