隧道洞口邊坡變形控制與數值分析

喻 軍，劉松玉

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

隧道洞口邊坡變形控制與數值分析

喻 軍1，劉松玉2

（1.浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310032；2.東南大學 交通學院，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，以滿足產生的附加應力小于建筑物的允許值.某隧道洞口位于居民區，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格控制邊坡的變形，保證居民樓正常使用，根據邊坡上該建筑物的結構特點和使用年限，確定該邊坡允許變形值為15 mm；在采用錨桿、噴混凝土聯合鋼筋網預加固的前提下，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，并進行了跟蹤監測.此結論可為類似工程的設計、施工提供借鑒和參考.

隧道洞口；邊坡；建筑物；變形；數值分析；跟蹤監測

邊坡變形控制是一世界性難題，巖土工程技術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，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力場和位移場重新調整，直到新的平衡狀態，由表及里產生一定的松動區，若不能達到新的平衡，則出現滑坡［2－7］.為了控制某邊坡變形，首先要優化路塹開挖方式，使邊坡變形最小；同時采取預加固措施，松動區范圍的大小跟巖土體力學性質、預加固方式和路塹的開挖方式和進度有關，只有確定松動區的范圍后才能準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，為沖積土層和強風化巖層，在路塹開挖時邊坡容易失穩，導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、數值模擬和現場監測相結合的方法，優化了路塹開挖方式，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號樓為一般磚混結構，為1979年建設，使用時間較長，房屋結構存在許多破損.在擋墻圍護下邊坡穩定，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］，多層房屋側向位移L／1 000，L＝18 m，取18 mm；再因為房屋結構存在許多破損，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 構件許可變形Table 2 Allowance deformation of member

表3 構件容許水平變形Table 3 Allowance horizontal deformation of member

2 邊坡預加固方式的確定

某隧道進口位于沖溝處，兩側高，中間低，巖性為殘積土，強度低，均勻性差，且位于居民區，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定，另一方面要控制坡頂的變形，保證房屋基礎變形控制在安全范圍內，需采取合理的加固方案和開挖方式，根據以上對建筑物差異沉降允許值的分析和經現場調查，邊坡較陡，且離房屋很近，不宜采取抗滑樁加固，可采取錨噴網加固，預加固方式如下.

通過數值計算，發現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力場；激活上部12 m的shell單元和link單元，計算位移場和應力場；沿z軸方向，開挖1 m，激活下面shell單元和link單元，計算位移場和應力場；至開挖完成.

3.2 模型尺寸及巖土體物理力學參數

選用ANSYS軟件計算，采用三維模型和摩爾庫倫本構關系，由于與邊坡相連的明洞段為6 m，所以縱向長度為6 m，左側邊界為從坡腳向左20 m，右側邊界為從坡腳向右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，第三層為風化變粒巖，采用彈塑性本構模型，錨桿、噴混凝土（包括鋼筋網）、擋墻用彈性模型，其中鋼筋網用等效折算為混凝土的強度參數，力學參數見表4.

表4 模擬地層和結構力學參數Table 4 Mechanics parameters of simulation strata and structure

鋼筋網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分別為鋼筋網和噴射混凝土的橫截面面積；Eg為鋼筋網的彈性模量.

3.3 模擬結果分析

根據長度方向模擬結果，當每步開挖3 m時，坡頂沉降增大一倍，超過了房屋變形控制標準，大主應力也增加0.4 MPa，當每步開挖6 m時，坡頂沉降增加三倍，大主應力增加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，當每步開挖寬度為6 m時，邊坡出現了失穩，所以不合理；當每步開挖寬度為3 m時，發現路塹底部位移為0.01 mm，較開挖6 m時小很多，而且應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，符合要求.綜上所述，優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 監測數據分析

為了確保33號樓的安全，對該樓基礎進行了跟蹤監測，基準點設在離房子較遠的穩定區域，用水準儀進行量測.監測點的坐標為YLF1（3，18，1），YLF2（28，18，1），YLF3（3，18，6），YLF4（28，18，11），YLF5（3，18，11）.測點 YLF3布置在前側墻角靠外擋墻邊，測點YLF3-1和測點YLF3是同一個點，由于在監測過程中測點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6.12 mm；測點YLF1布置在前側墻角，累計沉降達3.2 mm；測點YLF2布置在前側墻中間，測點YLF4布置在后側墻中間，監測過程中都被破壞，沒有繼續監測；測點YLF5布置在后側墻角，累計沉降達0.74 mm.其布置見圖3.

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

為了確保擋墻的穩定性，也監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個監測點，基準點與33號樓相同，用水準儀進行了監測，監測點的坐標為 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）.監測點 DQ1布置在外擋墻的前側，累計沉降達14.2 mm，監測點DQ6布置在外擋墻的后側，累計沉降達12.2 mm，監測點DQ2，監測點DQ3和監測點DQ7布置在內墻墻腳，累計沉降在10.5 mm左右，監測點DQ4和監測點DQ5布置在內外墻中間，監測中被破壞，沒有繼續監測，其布置見圖4.

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

從對擋墻和房屋基礎監測可以看出，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，前側從33樓基礎的3.2 mm，到內側擋墻的6.12 mm，10.5 mm，到外墻的14.2 mm；后側從33樓基礎的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，房屋基礎和擋墻沉降都在5.4 mm，且以后趨于穩定，如圖5，6所示.跟數值模擬的結果很接近.施工結束后，未發現擋墻和房屋有任何破壞的現象.

圖5 某隧道進口右線33號樓基礎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 論

根據33號樓結構和建造年代，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濟允許的情況下，對邊坡進行預加固；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測，在路塹開挖時，房屋基礎沉降為5.4 mm，滿足房屋差異沉降控制要求.

本文得到了浙江工業大學校科研基金項目（2011XY0024）的資助.

［1］高長勝，魏汝龍，陳生水.抗滑樁加固邊坡變形破壞特性離心模型試驗研究［J］.巖土工程學報，2009，31（1）：145-148.

［2］宋從軍.路塹高邊坡開挖變形機理及控制措施研究［D］.成都：西南交通大學，2004.

［3］肖世國.巖石高邊坡開挖松弛區及加固支擋結構研究［D］.成都：西南交通大學，2003.

［4］鄧建輝，王浩，姜清輝.利用滑動變形計監測巖石邊坡松動區［J］.巖石力學與工程學報，2002，21（2）：180-184.

［5］SATO T，KIKUCHI T，SUGIHARA K.In-situ experiments on an excavation disturbed zone induced by mechanical excavation in Neogene sedimentary rock at Tono mine central Japan［J］.Engineering Geology，2000，56（1）：97-108.

［6］徐平，周火明.高邊坡巖體開挖卸荷效應流變數值分析［J］.巖石力學與工程學報，2000，19（4）：481-485.

［7］章根德，剡公瑞.巖體高邊坡流變學性狀有限元分析［J］.巖土工程學報，1999，21（2）：166-170.

［8］朱大勇，周早生，錢七虎.土體主動滑動場及主動土壓力的計算［J］.計算力學學報，2000，17（1）：98-104.

［9］張國祥，劉寶琛.潛在滑移線法分析邊坡滑動面及穩定性［J］.土木工程學報，2002，35（6）：82-85.

［10］周德培，李安洪.軟巖高邊坡噴錨擋護的試驗研究［J］.巖土力學，1997，18（4）：48-53.

［11］連鎮營.強度折減有限元法研究開挖邊坡的穩定性［J］.巖土工程學報，2001，23（4）：407-411.

［12］楊明，胡厚田，盧才金.路塹土質邊坡加固中預應力錨索框架的內力計算［J］.巖石力學與工程學報，2002，21（9）：1383-1386.

［13］楊國偉.深基坑及鄰近建筑保護研究［D］.上海：同濟大學，2000.

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）