隧道開挖對邊坡穩(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，會由于地理環(huán)境和設(shè)計不規(guī)范，導(dǎo)致洞口山體出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象［1］。針對這一問題，研究者們進行了隧道洞口地段開挖對邊坡穩(wěn)定性影響的一系列研究工作，如王建秀［2］通過對小曼薩河隧道邊坡變形進行了三維監(jiān)測，確立了隧道滑坡變形的三維基本模式，并對邊坡穩(wěn)定性進行了分析;劉志偉［3］通過有限元軟件分析了隧道不同開挖位置對邊坡穩(wěn)定性的影響;文獻［4］［5］應(yīng)用有限元軟件法對洞口段隧道施工進行全過程三維彈塑性有限元模擬，得出坡體的安全系數(shù)隨施工的進行逐漸減小;文獻［6］［7］分別使用有限差分FLAC3D軟件對洞口邊坡在各種工況下的變形狀況和穩(wěn)定性進行了分析;文獻［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。《公路隧道設(shè)計細則》(JTG/T D70-2010)給出了各級圍巖下隧道拱肩最小覆蓋層厚度，為地形偏壓隧道的設(shè)計與施工提供了有效指導(dǎo)，但不同開挖深度對邊坡穩(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，對隧道洞口開挖過程中邊坡的位移變形規(guī)律進行分析，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，左線樁號為ZK117+830～ZK119+860，長 2 030 m，右線樁號為YK117+860～YK119+840，長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)計行車速度為80 km·h－1。隧道凈寬 10.25 m，凈高 5 m。初期支護噴射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3.5 m，間距為100 cm。隧道左右線均采用臺階法開挖。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，且開挖時洞口易坍塌，成洞困難。工程現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 工程現(xiàn)場

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)計細則》(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，隨著隧道開挖的進行，隧道周圍的土體及邊坡有向左滑動的傾向，對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，其受到的力都遠遠大于它們的抗剪強度。在整個土體中，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到了中部。坡頂最大下滑量約為2.73 cm，對比圖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，在坡腳到坡頂出現(xiàn)了滑動帶，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，相對于圖4和圖3，分別增長了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，隧道開挖對邊坡的影響最大，設(shè)計時應(yīng)盡量不要將隧道置于邊坡底部。靠近坡腳附近的土體產(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，說明隧道位置會對邊坡產(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不大，即隧道的開挖對邊坡的擾動不明顯，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，且呈線性增長趨勢，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。錨桿最大內(nèi)力隨開挖深度呈線性變化趨勢。

圖8 拱頂位移和錨桿最大軸力曲線

4 結(jié)語

(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，對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)遠離坡腳處，并對邊坡進行合理加固。

(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)。隧道開挖對周邊土體和邊坡中上部土體的擾動最為明顯。

(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的方法控制邊坡的下滑。

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