基于FLAC3D的小徑距偏壓隧道及邊坡的力學特性及穩定性分析

陳 行， 田明杰， 周鵬發， 陳文宇

(西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

大量實例證實，圍巖的受力特性是影響小徑距偏壓隧道及邊坡穩定性的關鍵性研究問題[1-2]。在小徑距偏壓受力的條件下，給隧道的安全性和邊坡的穩定性帶來風險和隱患。

近些年來，國內外學者針對偏壓隧道的安全性問題進行了的研究。邱業建等[3]根據虛功率原理推導得到了淺埋偏壓隧道圍巖壓力的極限上限解;雷明鋒等[4]對淺埋偏壓隧道圍巖壓力、襯砌結構應力的動態變化規律和分布形式；王海軍[5]對偏壓隧道的影響因素、施工現狀和施工技術進行了總結和展望。

基于強度折減法計算方法，利用FLAC3D有限差分軟件，研究小徑距偏壓隧道安全性及邊坡的穩定性，分析隧道圍巖和邊坡的應力、位移以及剪應變增量的變化特性，從而為相關的設計和施工提供一定的理論依據。

1 工程概況

成蘭鐵路某高邊坡所在的巖堆大致呈扇形展布于斜坡上，該區域不良地質分布廣，在自重條件下會引起坡內巖土側移導致輕微滑坡。該隧道為雙線隧道，馬蹄形斷面，高11.7 m，寬13.92 m。二次襯砌厚度為0.6 m。左隧道距坡面距離為15.1 m，右隧道距坡面距離為23.2 m。

2 計算模型及參數取值

運用有限差分軟件FLAC3D建立邊坡及隧道的數值計算模型，模型的相關尺寸為:左側邊界高60 m，右側邊界高120 m，底部邊界長220 m。根據現場勘測所獲取資料確定相關土層的物理參數(表1)。

表1 巖土體物理參數

3 計算結果分析

3.1 應力分析

小徑距偏壓隧道襯砌及其邊坡在重力作用下的水平X方向應力的分布云圖見圖1。

(a) 邊坡水平X方向應力云

(b)隧道水平X方向應力云圖1 水平X方向應力云

由圖1可知，隧道襯砌的水平X方向應力在量級上要大于邊坡的水平X方向的應力。由圖1(a)可知，邊坡表面的水平X方向應力很小，由于邊坡坡頂未受到水平方向的荷載，且邊坡坡底收到來自邊坡坡面和邊坡坡腰的土體的荷載，邊坡坡頂的水平X方向應力的低值區范圍遠大于邊坡坡底。同時，由于小徑距隧道的存在，使得邊坡水平X方向的應力在隧道頂部和拱底位置出現了小范圍的突變，即在同一埋深處，越靠近隧道襯砌拱頂和拱底，水平應力越小。由圖1(b)可知，小徑距偏壓隧道中的左側隧道的水平X方向應力主要集中在拱頂位置，其最大值達到了8.145 MPa,拱底處的水平X方向的應力相對較小，左右側拱腰的水平X方向的應力最小。與此相比，小徑距偏壓隧道中的右側隧道由于其埋深較左側隧道更深，同時受到來自坡頂傳來的土體壓力，其水平X方向應力的最大值集中在拱頂和拱底區域，但其拱頂的最大值相對與左側隧道較小，其最大值為7.764 MPa，右側隧道左右側拱腰位置的水平X方向的應力較小。

3.2 位移分析

小徑距偏壓隧道襯砌及其邊坡在重力作用下的水平X方向位移的分布云圖見圖2。

(a) 邊坡水平X方向位移云

(b)隧道水平X方向位移云圖2 水平X方向位移云

由圖2(a)可知，邊坡在重力作用下，由于受到小徑距隧道施工和開挖的影響，水平X方向位移最大值出現在小徑距隧道的拱頂位置和邊坡下坡腰的坡面相互貫通位置范圍內。同時，左側隧道施工和開挖的影響，對邊坡水平X方向位移的影響最大，其水平X方向的位移最大值為0.651 m,受到右側隧道施工和開挖的影響相對較小，但其大于邊坡其他部位的水平X方向位移。由圖2(b)可知，小徑距偏壓隧道中的左側隧道的水平X方向位移最大值集中在左右側拱腰的上部，其最大值為0.622 m，拱頂和拱底相對較小，左側拱腰下部的水平X方向位移最小，其值為0.401 m。右側隧道的水平X方向位移最大值集中在左右側拱腰的上部，最大值為0.618 m，且其最大值分布的范圍大于左側隧道，拱頂和拱底處的水平X方向位移相對較小。

4 結論

基于強度折減理論，利用有限差分FLAC3D軟件，建立了小徑距偏壓隧道及邊坡的數值模型，研究了自重條件下，小徑距偏壓隧道及其所在邊坡應力、位移以及剪應變增量的特征，得出以下結論：

(1)小徑距偏壓隧道所在邊坡坡頂的水平方向應力的低值區范圍大于邊坡坡底；

(2)小徑距偏壓隧道中的左側隧道的水平方向應力主要集中在拱頂位置，拱底處相對較小，左右側拱腰位置最小。右側隧道則主要集中在拱頂和拱底區域，左右側拱腰較小；

(3)水平方向位移最大值出現在小徑距隧道的拱頂位置和邊坡下坡腰的坡面相互貫通位置范圍內。左側隧道施工和開挖對邊坡水平方向位移的影響較大，右側隧道對邊坡的影響相對較小；

(4)左側隧道的水平方向位移最大值集中在其左右側拱腰的上部，拱頂和拱底相對較小，左側拱腰下部最小。右側隧道則集中在左右側拱腰的上部，拱頂和拱底處相對較小。

[1] 杜飛. 小凈距隧道圍巖穩定性數值模擬分析[J]. 四川建筑, 2017(1):78-81.

[2] 郭亮, 李俊才, 張志鋮,等. 地質雷達探測偏壓隧道圍巖松動圈的研究與應用[J]. 巖石力學與工程學報, 2011(S1):3009-3015.

[3] 邱業建, 彭立敏, 雷明鋒. 淺埋偏壓隧道圍巖壓力上限法解析解[J]. 土木工程學報, 2015(6):106-113.

[4] 雷明鋒, 彭立敏, 施成華,等. 淺埋偏壓隧道襯砌受力特征及破壞機制試驗研究[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2013(8): 3316-3325.

[5] 王海軍. 偏壓隧道施工技術探討[J]. 建筑知識，2016(1):1-2.

[6] 鄭文棠. 基于FLAC3D的強度折減法和點安全系數法對比[J]. 水利與建筑工程學報, 2010(4):54-57.