隧道開挖對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析

劉春波

(重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院交通與市政工程系，重慶 400072)

0 引言

在隧道建設(shè)過程中，會(huì)由于地理環(huán)境和設(shè)計(jì)不規(guī)范，導(dǎo)致洞口山體出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象［1］。針對(duì)這一問題，研究者們進(jìn)行了隧道洞口地段開挖對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的一系列研究工作，如王建秀［2］通過對(duì)小曼薩河隧道邊坡變形進(jìn)行了三維監(jiān)測(cè)，確立了隧道滑坡變形的三維基本模式，并對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析;劉志偉［3］通過有限元軟件分析了隧道不同開挖位置對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響;文獻(xiàn)［4］［5］應(yīng)用有限元軟件法對(duì)洞口段隧道施工進(jìn)行全過程三維彈塑性有限元模擬，得出坡體的安全系數(shù)隨施工的進(jìn)行逐漸減小;文獻(xiàn)［6］［7］分別使用有限差分FLAC3D軟件對(duì)洞口邊坡在各種工況下的變形狀況和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析;文獻(xiàn)［8］采用數(shù)值模擬方法分析了隧道洞口滑坡問題，得到了隧道施工與邊坡位移、變形的關(guān)系?！豆匪淼涝O(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70-2010)給出了各級(jí)圍巖下隧道拱肩最小覆蓋層厚度，為地形偏壓隧道的設(shè)計(jì)與施工提供了有效指導(dǎo)，但不同開挖深度對(duì)邊坡穩(wěn)定影響不盡相同［9-10］，因此研究隧道不同開挖深度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響十分必要。鑒于此，本文以貴州省獅子山隧道工程為依托，在確保滿足隧道拱肩最小覆蓋層厚度的情況下，借助有限元軟件Midas-NX，建立二維數(shù)值模型，對(duì)隧道洞口開挖過程中邊坡的位移變形規(guī)律進(jìn)行分析，以期為類似工程施工提供指導(dǎo)。

1 工程概況

獅子山隧道位于貴州省普安縣，左線樁號(hào)為ZK117+830～ZK119+860，長(zhǎng) 2 030 m，右線樁號(hào)為YK117+860～YK119+840，長(zhǎng)1 980 m。隧道巖層為風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，層理清晰，巖石完整，節(jié)理發(fā)育，節(jié)理面閉合。隧道為單心圓斷面，設(shè)計(jì)行車速度為80 km·h－1。隧道凈寬 10.25 m，凈高 5 m。初期支護(hù)噴射C25混凝土，厚24 cm，二次襯砌采用C25混凝土，厚50 cm，錨桿采用Φ22藥卷錨桿，長(zhǎng)3.5 m，間距為100 cm。隧道左右線均采用臺(tái)階法開挖。隧道洞身圍巖主要為泥質(zhì)砂巖，抗風(fēng)化能力較差，巖石較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。隧道出口坡角為30°～35°，且位于背斜核心部附近，易受降水天氣影響，且開挖時(shí)洞口易坍塌，成洞困難。工程現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

圖1 工程現(xiàn)場(chǎng)

2 隧道開挖數(shù)值模擬

隧道開挖影響范圍直徑為洞徑的3～5倍，模型取土體底邊100 m、右邊60 m，分析位置分別取距坡頂 5、10、15、20、25、26、27、28、29、30 m，建立的模型如圖2所示。隧道拱肩覆蓋層厚度符合《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70—2010)的要求。圍巖材料的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 隧道開挖深度為5 m

圖2 隧道模型

圖3 隧道埋深5 m位移云圖

由圖3可知，隨著隧道開挖的進(jìn)行，隧道周圍的土體及邊坡有向左滑動(dòng)的傾向，對(duì)邊坡造成了一定影響。最大邊坡水平位移約1.73 cm，豎向位移約1.44 cm，變化較小。另外，隧道開挖主要影響的范圍是周圍隧道土體和邊坡中上部，其受到的力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它們的抗剪強(qiáng)度。在整個(gè)土體中，離隧道最近的邊坡面上的土體發(fā)生的位移最大。

3.2 隧道開挖深度為15 m

由圖4(a)可知，邊坡最大水平位移為2.55 cm，與圖3(a)相比增大了1.2倍，其位置隨著隧道開挖深度的增大從上部移動(dòng)到了中部。坡頂最大下滑量約為2.73 cm，對(duì)比圖4(b)可知，坡頂最大下滑位移增大近2倍。邊坡前沿的土體都向左出現(xiàn)移動(dòng)，在坡腳到坡頂出現(xiàn)了滑動(dòng)帶，易出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。因此，隧道開挖的位置是影響邊坡位移的一個(gè)主要因素。

圖4 隧道埋深15 m的位移云圖

3.3 隧道開挖深度為25 m

由圖5(a)可知，邊坡最大水平位移為4.86 cm，相對(duì)于圖4和圖3，分別增長(zhǎng)了2倍和2.5倍;坡頂最大沉降為5.13 cm，比圖4(b)增大1.9倍，比圖3(b)增大3.6倍。由此可見，隧道開挖位置越深，邊坡變形的水平位移和豎向位移都越來(lái)越大。在隧道拱腰處，靠近邊坡一側(cè)土體的水平位移最大。由此可見，隧道開挖越深對(duì)邊坡的影響也越大。

3.4 隧道開挖深度為30 m

圖6為隧道埋深為30 m時(shí)的位移云圖，即隧道置于坡底的情況。邊坡最大水平位移約為6.03 cm，與圖3(a)、圖4(a)和圖5(a)相比位移大大增加，尤其在25～30 m的開挖深度，位移變化突增，呈不收斂狀態(tài)，且位移量超過了邊坡位移變化的警戒值。另外，當(dāng)隧道位于邊坡的底部時(shí)，隧道開挖對(duì)邊坡的影響最大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量不要將隧道置于邊坡底部?？拷履_附近的土體產(chǎn)生約3 cm的向左位移量，邊坡頂部豎向位移量近7.3 cm，邊坡容易發(fā)生滑坡災(zāi)害。

圖5 隧道埋深25 m的位移云圖

圖6 隧道埋深30 m的位移云圖

圖7 邊坡最大位移曲線

3.5 邊坡位移綜合分析

邊坡最大沉降量和最大水平位移的關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可知，隨著隧道埋深增大，邊坡的最大豎向位移和水平位移都逐漸變大，說(shuō)明隧道位置會(huì)對(duì)邊坡產(chǎn)生影響。在5～15 m范圍內(nèi)，最大豎直位移和水平位移增長(zhǎng)不大，即隧道的開挖對(duì)邊坡的擾動(dòng)不明顯，影響不大。15～25 m范圍內(nèi)最大豎直位移和水平位移變化較平緩，且呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，但最大位移仍在可控制范圍內(nèi)。在25～30 m范圍內(nèi)最大豎直位移迅速增大，可能導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞。可以看出，15～25 m范圍為隧道開挖的合理位置，對(duì)邊坡的影響較小。

根據(jù)有限元的分析結(jié)果，得出隧道在10種工況下拱頂?shù)淖畲笪灰啤⑺淼厘^桿最大內(nèi)力的變化規(guī)律，如圖8所示。從圖8可知，隨著開挖深度的增加，拱頂位移逐漸增大，且基本呈線性增長(zhǎng)。錨桿最大內(nèi)力隨開挖深度呈線性變化趨勢(shì)。

圖8 拱頂位移和錨桿最大軸力曲線

4 結(jié)語(yǔ)

(1)由數(shù)值模擬可知，隧道埋深增大，邊坡的水平位移和豎向位移成倍增長(zhǎng)，對(duì)邊坡造成了很大影響，邊坡的穩(wěn)定性變差，在坡腳處最為明顯。隧道開挖應(yīng)遠(yuǎn)離坡腳處，并對(duì)邊坡進(jìn)行合理加固。

(2)15～25 m范圍為隧道開挖的合理位置，邊坡位移變化較平緩，在施工可控制范圍內(nèi)。隧道開挖對(duì)周邊土體和邊坡中上部土體的擾動(dòng)最為明顯。

(3)隧道開挖之后，隧道拱頂上方的土體發(fā)生沉降并向拱頂方向延伸，拱腳處土體位移沿邊坡頂部方向逐漸貫通，連接形成剪切滑動(dòng)帶，極易造成滑坡，應(yīng)在隧道施工之前采用坡角抗滑樁支護(hù)的方法控制邊坡的下滑。

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