偏壓隧道頂部山體穩(wěn)定性數(shù)值分析

席建忠

(陜西省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，陜西西安 710054)

0 引言

在相應(yīng)國(guó)家“西部大開(kāi)發(fā)”政策的過(guò)程中，我國(guó)交通現(xiàn)代化建設(shè)事業(yè)迅猛發(fā)展，公路建設(shè)取得了舉世矚目的成就。然而由于西部山區(qū)面積幅員遼闊，使得公路建設(shè)也異常艱難。很多公路需要以隧道的形式貫穿山體，這就引發(fā)了一系列地質(zhì)問(wèn)題的產(chǎn)生［1-5］。例如，在山坡中開(kāi)挖隧道，就會(huì)破壞山體的穩(wěn)定性，從而引起隧道受偏壓，極易產(chǎn)生隧道塌陷，隧道塌陷又會(huì)進(jìn)一步引起山體垮塌或者滑坡，造成交通中斷和人民財(cái)產(chǎn)的巨大損失。因此，分析偏壓隧道頂部山體的穩(wěn)定性成為一個(gè)新的課題，具有極大的工程意義。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)情況

SHS特長(zhǎng)隧道位于陜西魚(yú)洞子鄉(xiāng)境內(nèi)，是十天高速(湖北十堰—甘肅天水)控制性工程。隧道左線長(zhǎng)5 431 m，右線長(zhǎng)5 434 m。隧道出口位于河流右岸山體斜坡處，地形坡度較陡，坡角40°。隧道穿越5個(gè)斷層破碎帶，巖石強(qiáng)度低，地下水豐富，地質(zhì)復(fù)雜，隧道地質(zhì)主要為微風(fēng)化薄層灰?guī)r、微風(fēng)化千枚巖、微風(fēng)化厚層灰?guī)r和微風(fēng)化片巖，裂隙雜亂，巖體呈碎石狀松散結(jié)構(gòu)。不良地質(zhì)占總長(zhǎng)度的54%。該隧道自2009年8月15日正式施工，一直是十天高速漢中西段能否按時(shí)通車的“咽喉”工程。隧道進(jìn)口實(shí)景圖見(jiàn)圖1。

1.2 開(kāi)挖加固措施及原理

在隧道掘進(jìn)過(guò)程中，防止災(zāi)害發(fā)生的方法是采用超前小導(dǎo)管注漿進(jìn)行隧道工作面的加固。

超前小導(dǎo)管在小管棚超前支護(hù)施工中主要起到錨桿作用、注漿通道作用和棚架作用。本次隧道掘進(jìn)中的塌方治理，正是這三種原理的綜合作用。

小導(dǎo)管與注漿的共同作用能夠在拱頂形成一種傘狀的超前支護(hù)體系，使支護(hù)抗力大大增強(qiáng)，可以有效抑制圍巖松弛變形。洞內(nèi)施工情形見(jiàn)圖2。

1.3 存在問(wèn)題

雖然在施工中堅(jiān)持“管超前、短開(kāi)挖、嚴(yán)注漿、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”的原則，也采取了一系列施工措施來(lái)加固工作面。然而由于SHS隧道所穿越的山體地質(zhì)情況惡劣，在施工過(guò)程中還是不斷會(huì)發(fā)生工作面塌陷的事故。

分析事故原因如下:

1)開(kāi)挖隧道處于Ⅳ，Ⅴ級(jí)圍巖交界帶，巖體被多組節(jié)理分割成碎石狀松散結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙間層面光滑。在隧道鉆爆開(kāi)挖擾動(dòng)影響下，圍巖失穩(wěn)導(dǎo)致塌方。

2)隧道塌方部位距離過(guò)溝處較近，圍巖埋深很小;而且偏壓情況嚴(yán)重。由于地下開(kāi)挖導(dǎo)致邊坡應(yīng)力場(chǎng)重分布，在邊坡和坡腳引起應(yīng)力集中，大大降低了邊坡的穩(wěn)定性。

3)地下(表)水豐富且隧道開(kāi)挖使圍巖產(chǎn)生應(yīng)力重分布，形成一定的塑性區(qū)，若初期支護(hù)不及時(shí)或強(qiáng)度不足時(shí)，塑性區(qū)就會(huì)擴(kuò)大，形成不同方位的貫通裂隙，為地下水流動(dòng)提供通道。使巖體強(qiáng)度急劇降低，使得塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，致使地下水繼續(xù)發(fā)育，二者相互促進(jìn)，共同導(dǎo)致巖體失穩(wěn)、塌落。

隧道上部的山體是否存在潛在的滑坡可能性，是否影響山坡上及山坡下的群主生命安全，需要進(jìn)行分析研究才能確定。

2 數(shù)值分析

2.1 數(shù)值軟件

有限元法已成為求解復(fù)雜巖土工程問(wèn)題的有力工具，本次數(shù)值模擬選用大型有限元軟件ANSYS來(lái)進(jìn)行。

大多數(shù)巖土工程問(wèn)題，都涉及無(wú)限域或半無(wú)限域，處理這些問(wèn)題通常是在有限的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行離散。為了使這些離散不會(huì)產(chǎn)生大的誤差，必須取足夠大的計(jì)算范圍，并應(yīng)使假定的外邊界條件盡可能地接近真實(shí)狀態(tài)。

2.2 數(shù)值模型建立

為使數(shù)值模擬過(guò)程簡(jiǎn)單化，在盡量不影響數(shù)值模擬結(jié)果的前提下，將地層進(jìn)行一定程度上的簡(jiǎn)化處理。簡(jiǎn)化后的巖土物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)

建立的數(shù)值模型依據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，在將模型的模擬范圍取為開(kāi)挖洞徑3倍～4倍的基礎(chǔ)上，并且計(jì)算機(jī)性能滿足的情況下，盡可能地?cái)U(kuò)大數(shù)值模擬選取范圍，來(lái)進(jìn)一步確保分析的正確性。模型的底部采取固端約束，右邊的切割面上采取法向約束。建立的數(shù)值模型見(jiàn)圖3。

2.3 數(shù)值分析結(jié)果

根據(jù)分析偏壓隧道頂部山體穩(wěn)定性的需要，分別選取了X應(yīng)力、Y應(yīng)力和剪應(yīng)力來(lái)進(jìn)行研究。分析結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4中可以看出，隧道結(jié)構(gòu)受力很不對(duì)稱，在靠山側(cè)出現(xiàn)最大軸力，而靠山腳一側(cè)出現(xiàn)最大彎矩。隧道頂部成為應(yīng)力集中區(qū)域，容易發(fā)生塌陷，在施工中要進(jìn)一步加強(qiáng)工作面的支護(hù)方可保證山體的穩(wěn)定性，從而避免造成更大的施工事故和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)損失。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)偏壓隧道失穩(wěn)原因分析和對(duì)頂部山體穩(wěn)定性數(shù)值分析得到以下結(jié)論:

1)淺埋偏壓隧道結(jié)構(gòu)受力不均勻，靠山側(cè)出現(xiàn)最大軸力，而靠山腳一側(cè)出現(xiàn)最大彎矩。若不采取超前支護(hù)措施而直接開(kāi)挖，很容易導(dǎo)致巖體失穩(wěn)坍塌。

2)有限元數(shù)值模擬結(jié)果表明，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，進(jìn)行預(yù)加固處理能夠最大可能保證開(kāi)挖掘進(jìn)工作安全進(jìn)行。

3)在施工時(shí)應(yīng)該采取信息化施工，勤測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)分析整理，及時(shí)反饋指導(dǎo)工程施工。

［1］張 琨，谷拴成，毛巨省，等.隧道塌方治理原理及其應(yīng)用［J］.煤礦安全，2010(12):61-63.

［2］陳文俊，陳正元.那沙嶺隧道塌方原因與處理方案［J］.公路隧道，2010(2):29-31.

［3］魯榮鋼.超淺埋偏壓隧道加固前后施工力學(xué)分析［J］.巖土工程，2007(1):93-95.

［4］宋 剛.淺埋偏壓隧道洞口變形機(jī)理及治理措施研究［J］.山西建筑，2010，36(1):346-347.

［5］坪井直道.化學(xué)注漿法的實(shí)際應(yīng)用［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1980.