淺埋傍山隧道開(kāi)挖方式對(duì)邊坡擾動(dòng)數(shù)值分析

方攀

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安710064)

淺埋傍山隧道多采用施工工序較多的分步開(kāi)挖法，各工序相互影響且多次擾動(dòng)邊坡，導(dǎo)致圍巖施工過(guò)程中的力學(xué)行為難以掌控，尤其當(dāng)隧道穿越淺埋地段時(shí)，極易發(fā)生失穩(wěn)乃至滑坡。因此，對(duì)于傍山隧道的施工選擇合理的開(kāi)挖方法進(jìn)行研究是十分必要的。張毅等[1]總結(jié)分析了淺埋暗挖隧道開(kāi)挖方式對(duì)地層的擾動(dòng)，評(píng)估了各種開(kāi)挖方式對(duì)地層擾動(dòng)的控制效果；汪宏等[2]針對(duì)公路隧道進(jìn)洞時(shí)出現(xiàn)塌方的實(shí)際情況，運(yùn)用數(shù)值分析的手段獲得了有效的解決辦法；吳旭平等[3]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)含軟弱夾層淺埋隧道圍巖變形并運(yùn)用模擬計(jì)算得以驗(yàn)證，得出了圍巖變形分級(jí)控制指標(biāo)。施成華等[4]分析了桐油山連拱隧道淺埋段開(kāi)挖引起的沿隧道縱橫向的地表建筑物的移動(dòng)與變形，對(duì)隧道施工有一定意義。李麗民等[5]對(duì)大拱腳臺(tái)階法在淺埋高速鐵路隧道中的應(yīng)用進(jìn)行深入系統(tǒng)研究，表明基于理論分析和數(shù)值模擬提出的施工方法是科學(xué)合理的。

通過(guò)數(shù)值模擬手段分析常用的臺(tái)階法開(kāi)挖、CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法四種方法在軟弱圍巖淺埋傍山隧道開(kāi)挖時(shí)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響。通過(guò)對(duì)比分析，評(píng)價(jià)開(kāi)挖方案的優(yōu)缺點(diǎn)，提出推薦工法,以期為今后淺埋傍山隧道的設(shè)計(jì)、施工提供借鑒和參考。

1 工程概況

遵赤高速隧道傍山，某淺埋段長(zhǎng)320 m。洞身位于全強(qiáng)風(fēng)化軟弱圍巖帶內(nèi)，工程地質(zhì)件較差。由于該段受地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，頂板厚度較薄，易發(fā)生坍塌、滑坡，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。該段埋深較淺，平均埋深和最大埋深分別為11 m和15 m，且隧道緊臨邊坡，坡度較大，坡度接近1∶1。

2 數(shù)值模擬方案

2.1 計(jì)算模型

以單洞四車(chē)道淺埋傍山隧道為例分析淺埋傍山隧道開(kāi)挖引起的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和圍巖受力特征，采用模擬材料非線性、大變形效果較好的Midas Gts Nx軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，其采用顯式計(jì)算方法,能夠提供穩(wěn)定的數(shù)值解。隧道內(nèi)輪廓凈寬23.01 m,凈高19.21 m(包括仰拱),開(kāi)挖高度21.09 m，開(kāi)挖跨度25.01 m。襯砌和支護(hù)均采用彈性模型，模型選用地層—結(jié)構(gòu)法的受力模式。

2.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算采用二維地層—結(jié)構(gòu)法分析，圍巖采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則?；炷烈r砌、噴混凝土、中隔壁型鋼噴混凝土采用梁?jiǎn)卧炷?、圍巖、錨固具體計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算模型參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 邊坡縱向位移

對(duì)不同開(kāi)挖方案引起的邊坡縱向位移與監(jiān)測(cè)點(diǎn)(坡肩到坡趾如圖1所示)到隧道地表中線的水平距離之間的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并繪制成曲線如圖2所示。

由圖2可知：各開(kāi)挖工序引起邊坡縱向位移值由小到大依次為：雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法開(kāi)挖、CD法開(kāi)挖、臺(tái)階法開(kāi)挖，其中雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖引起的坡頂縱向位移值是臺(tái)階法開(kāi)挖的約50%，CD法和CRD法位移變化效果基本一致；但開(kāi)挖中可以明顯看出CRD法對(duì)坡頂和坡趾縱向位移控制效果更好。

3.2 邊坡橫向位移

由于各種開(kāi)挖方式位移云圖直觀規(guī)律相似，為方便起見(jiàn)，僅以臺(tái)階法開(kāi)挖位移云圖展示(見(jiàn)圖3)。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)不同開(kāi)挖方案引起的邊坡水平位移與監(jiān)測(cè)點(diǎn)到坡肩位置角平分線(此處位移具有對(duì)稱(chēng)性)的距離之間的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并繪制成曲線如圖4所示。

由最大地表沉陷值可知，地表位移值由大到小的施工工序依次為:臺(tái)階法、CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。臺(tái)階法開(kāi)挖的沉降值最大為28 mm，雙側(cè)壁導(dǎo)洞法最小為14 mm;不同開(kāi)挖方式的橫向影響范圍無(wú)明顯差異，距離坡肩位置角平分線15 m范圍內(nèi)，約為0.7D(D為隧道斷面最大跨度)。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法繪制的沉降曲線斜率最大，不難發(fā)現(xiàn)，地表影響范圍最小(約為0.3D～0.5D)。

3.3 坡頂沉降

對(duì)沿深度方向的位移分析，由于隧道埋深淺，壓力拱效應(yīng)不能在坡頂?shù)蕉粗苌疃确秶鷥?nèi)形成。因此，位移值較大且沿深度方向變化較小。

從圖5可看出，位移值最大的是臺(tái)階法。CD法與CRD法對(duì)地層位移擾動(dòng)位移值差異較小。隧道開(kāi)挖進(jìn)洞洞口頂部位置的位移最大。最大位移值的69%約為坡頂位移值。單側(cè)壁導(dǎo)坑法最大位移值僅約為臺(tái)階法開(kāi)挖最大位移值的40%。

4 結(jié)語(yǔ)

1)由于埋深淺,地層軟弱破碎，淺埋隧道段不能形成拱效應(yīng)。各開(kāi)挖工序下，洞口區(qū)段位置的坡頂沉降最大。對(duì)坡頂位移控制效果最好的是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，對(duì)洞周位移，CRD法與CD法控制效果相當(dāng)。2)從坡面縱向位移、坡頂沉降、坡肩橫向位移、邊坡穩(wěn)定系數(shù)等方面綜合分析得出：雙側(cè)壁導(dǎo)坑法適用于對(duì)變形控制要求嚴(yán)格的地區(qū)，允許較大變形時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益顯著的臺(tái)階法。