拱肩覆蓋層厚度對(duì)偏壓隧道穩(wěn)定影響的數(shù)值分析

潘建勤，閆 帥

(中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

在隧道施工中，形式多樣的地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，其中隧道洞口滑坡、坍塌是最為常見(jiàn)的災(zāi)害[1-7]。因此，邊坡安全一直是隧道工程屆持續(xù)關(guān)注的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)如何尋找偏壓隧道邊坡加固的優(yōu)化、施工方案和數(shù)值模擬分析進(jìn)行了一系列的研究，如陳東瑞[8]在邊坡治理的設(shè)計(jì)與施工方面做出研究，提出采用常規(guī)施工方法進(jìn)行邊坡加固；王祥秋[9]在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)拱頂位移的同時(shí)，采用有限元模擬研究隧道邊坡穩(wěn)定性；楊小禮[10]對(duì)偏壓隧道的施工工序進(jìn)行了研究；王軍[11]在滑坡、泥石流和隧道施工方面，著重分析了邊坡潛在滑動(dòng)帶和破壞影響區(qū)；吳紅剛[12]在邊坡穩(wěn)定性的研究中，闡述了隧道與滑坡的相對(duì)空間位置關(guān)系是隧道滑坡體系形成的關(guān)鍵因素。

雖然《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70—2010)給出了各級(jí)圍巖下隧道拱肩最小覆蓋層厚度，為隧道設(shè)計(jì)與施工提供了有效指導(dǎo)，但不同地質(zhì)條件下隧道開(kāi)挖的拱肩覆蓋層厚度對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響不盡相同。因此，結(jié)合工程實(shí)際研究其厚度對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響具有實(shí)際應(yīng)用意義。鑒于此，本文以云南省木頭坡隧道為依托，建立二維數(shù)值模型，在隧道埋深一定的基礎(chǔ)上，以不同拱肩覆蓋層厚度為條件，對(duì)隧道洞口開(kāi)挖過(guò)程中邊坡的位移變形規(guī)律進(jìn)行分析，以期為同類(lèi)工程建設(shè)提供參考。

1 工程概況

本文依托工程為國(guó)家高速路網(wǎng)G56杭州—昆明—瑞麗(口岸)高速公路宣威至曲靖段木頭坡隧道(圖1)。隧道左線起訖樁號(hào)為K163+110～K164+105，路線長(zhǎng)1 027.986 m(含斷鏈32.986 m)，右線起訖樁號(hào)為K163+080～K164+070，路線長(zhǎng)1 018.108 m(含斷鏈28.108 m)；洞門(mén)形式均為削竹式洞門(mén)；隧道左、右幅縱面線型均為2.3‰上坡。隧道凈寬約10 m，凈高約7 m，進(jìn)口段圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，隧道全段圍巖級(jí)別及長(zhǎng)度見(jiàn)表1。隧道邊坡設(shè)計(jì)按1∶1刷坡，采用直徑25 cm、長(zhǎng)4.0 m中空注漿錨桿防護(hù)。

圖1 木頭坡隧道現(xiàn)場(chǎng)概況

隧道現(xiàn)場(chǎng)表層土呈淺黃色，主要由碎石土組成，碎石由強(qiáng)風(fēng)化片巖碎塊石組成，大多數(shù)呈稍濕、密實(shí)狀態(tài)，碎石粒徑較小，極少大于8 cm；土石比例較為均勻，約為3∶2，其中可塑狀粉質(zhì)黏土含量較高。該層厚度變化較為均勻，一般為3.5～7.6 m。基底片巖層呈淺紅色，石英、長(zhǎng)石、云母為其主要礦物成分。

表1 木頭坡隧道圍巖長(zhǎng)度 m

根據(jù)巖石風(fēng)化程度可分為強(qiáng)風(fēng)化巖層和弱風(fēng)化巖層。風(fēng)化巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度為5.22～17.64 MPa，平均值為11.53 MPa；其中強(qiáng)風(fēng)化巖層為隧道主要通過(guò)巖層。隧址地層表層為薄層第四系殘坡積層，基底巖層以片巖為主，縱剖面見(jiàn)圖2。

圖2 木頭坡隧道地質(zhì)剖面

2 數(shù)值模擬和參數(shù)確定

2.1 材料參數(shù)

建模過(guò)程中，各土層及材料物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 材料的物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模型建立

采用Midas-NX有限元軟件在實(shí)際工程的基礎(chǔ)上建立有限元計(jì)算模型。模擬分析時(shí)，整個(gè)模型中土層分為碎石土層、強(qiáng)風(fēng)化巖層和弱風(fēng)化巖層。表層碎石土層、強(qiáng)風(fēng)化及弱風(fēng)化巖層采用Mohr-coulomb模型，錨桿、初期支護(hù)采用elastic模型模擬。考慮到隧道開(kāi)挖影響范圍為洞徑的3～5倍，模型建立時(shí)選取了大約5倍洞徑的計(jì)算范圍，即整個(gè)計(jì)算模型高度取60 m、下部寬度取120 m、上部寬度取90 m、邊坡傾角為45° 。土體共分為3層，第1層為8 m的碎石土層，第2層為22 m的強(qiáng)風(fēng)化巖層，第3層為10 m的弱風(fēng)化巖層。下邊界距離隧道底部33 m，上邊界取至自由地表，隧道埋深約為20 m。整個(gè)模型共有2 607個(gè)單元和2 487個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型在進(jìn)行約束和施加荷載時(shí)，結(jié)合實(shí)際情況，邊坡不施加約束，模型左右兩面施加水平約束，底面同時(shí)施加水平和豎向約束；整個(gè)模型僅施加重力荷載。模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 拱肩覆蓋層厚度27 m

拱肩覆蓋層厚度27 m的隧道及邊坡位移云圖如圖4所示。從圖4(a)中可以看出，隧道上方土體在水平方向上出現(xiàn)向中部“合攏”的趨勢(shì)，但是位移較小，雙向最大水平位移分別為5.14 mm和4.72 mm。圖4(b)中，隧道底部最大隆起位移為8.48 mm，最大沉降位移為13.77 mm，滿足隧道安全性的要求。此時(shí)的邊坡穩(wěn)定安全性系數(shù)為1.285，處于較平衡狀態(tài)。從圖4(c)、(d)邊坡位移云圖中可以看出，邊坡底部的水平位移較大，最大達(dá)164.1 mm；邊坡頂部和底部的豎向位移相對(duì)較大，頂部以沉降現(xiàn)象為主，而底部則是以隆起現(xiàn)象為主，頂部至底部之間形成“滑動(dòng)帶”。

圖4 拱肩覆蓋層厚度27 m隧道及邊坡位移云圖

3.2 拱肩覆蓋層厚度20 m

拱肩覆蓋層厚度20 m的隧道及邊坡位移云圖如圖5所示。從圖5(a)、(b)中可以看出，隨拱肩覆蓋層厚度的減小，隧道的水平和豎直方向的位移變化不大，其安全性未受影響；但是，在圖5(c)、(d)的水平方向上，位移由坡頂至坡底，呈斜倒“U”形增大，增幅較為顯著；圖5(d)中，豎直方向上的位移增量相對(duì)較小，變化不明顯，但此時(shí)的邊坡穩(wěn)定安全性系數(shù)為1.085，邊坡處于極限平衡狀態(tài)。

圖5 拱肩覆蓋層厚度20 m隧道及邊坡位移云圖

3.3 拱肩覆蓋層厚度15 m

拱肩覆蓋層厚度15 m的隧道及邊坡位移云圖如圖6所示。由圖6可知，厚度減小后，邊坡穩(wěn)定安全性系數(shù)再次降低，為0.872，邊坡破壞情況進(jìn)一步惡化。從圖6(a)、(b)中可以看出，隧道開(kāi)挖影響范圍進(jìn)一步轉(zhuǎn)移，“滑動(dòng)帶”已經(jīng)非常接近邊坡，相對(duì)于圖4(a)、(b)，水平和豎向位移顯著增大，最大水平位移增大近30倍，最大豎向位移增大近5倍。隧道沉降和隆起已超出可控范圍，影響隧道的安全性。從圖4(c)、(d)，圖5(c)、(d)和圖6(c)、(d)的對(duì)比中可以看出，隨拱肩覆蓋層厚度的減小，邊坡水平和豎向位移程度更加劇烈，相同位移大小的“滑動(dòng)帶”也逐漸向土體深部延伸，隧道所受影響更加顯著，土體破壞范圍進(jìn)一步增大。

3.4 邊坡位移總體分析

為分析邊坡總體變形規(guī)律，由邊坡坡頂至坡底選取15個(gè)變形點(diǎn)，各點(diǎn)均勻分布，間距為3 m(圖7)，得到邊坡各點(diǎn)的水平和豎向位移變化見(jiàn)圖8、9。

從圖8中可以看出，邊坡水平變形出現(xiàn)2個(gè)“凸”形，第1個(gè)“凸”形出現(xiàn)在坡頂至坡底約1/4處，該處左右側(cè)變形量變化率較為接近，差別不明顯；第2個(gè)“凸”形出現(xiàn)在坡頂至坡底約3/4處，此處左側(cè)變形量變化較為平緩，而右側(cè)，即接近坡底部分時(shí)位移減小率明顯劇增。

由圖9可知，不同覆蓋層厚度下的邊坡豎向位移在坡頂差別不明顯，而在坡底時(shí)的差別較大。隨著覆蓋層厚度的增大，坡體未變形點(diǎn)出現(xiàn)了向坡體中下部偏移的現(xiàn)象。同時(shí)，可以看出，坡體變形量均呈現(xiàn)出由坡頂和坡底向坡體中部減小的趨勢(shì)，坡體中上部表現(xiàn)為下沉，坡體中下部表現(xiàn)為隆起。

圖6 拱肩覆蓋層厚度15 m隧道及邊坡位移云圖

圖7 變形點(diǎn)分布

圖8 不同拱肩覆蓋層厚度下的邊坡水平位移

圖9 不同拱肩覆蓋層厚度下的邊坡豎向位移

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)拱肩覆蓋層厚度在20～27 m時(shí)，隧道的沉降和隆起量及范圍較小，不影響正常的隧道使用，而且邊坡的穩(wěn)定性也有一定的保障。

(2)對(duì)比拱肩覆蓋層厚度分別為15、20、27 m的3種工況點(diǎn)可以看出，隨著覆蓋層厚度的減少，隧道開(kāi)挖的影響范圍逐漸向邊坡轉(zhuǎn)移，且隧道的沉降與隆起也顯著增大，變形現(xiàn)象更加明顯。

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