削坡法對地形偏壓隧道作用效果分析

侯晶石

（大連市市政設計研究院有限責任公司，遼寧 大連 116000）

1 數(shù)值模擬概述

1.1 計算模型選取

考慮到隧道的平面應變特性，該項模擬采用平面應變模型建模。模型采用abaqus 建模，然后轉(zhuǎn)換成FLAC3D 網(wǎng)格模型，并采用FLAC3D 進行分析計算[6-7]。在進行數(shù)值計算時，采取如下的計算條件進行模擬：

（1）將隧道圍巖考慮成均質(zhì)、各向同性的連續(xù)Mohr-coulomb 本構模型，不考慮沿隧道縱深方向的應變，只考慮隧道的平面應變特性，故該項模擬采用平面應變模型建模，來對隧道圍巖進行模擬。

（2）原巖應力為隧道上覆巖體對隧道所產(chǎn)生的壓力，忽視其余力學效應所產(chǎn)生的影響。把約束施加在模型的X 方向和模型下邊界Z 方向。

（3）所建立的模型在X 方向上的寬度為140 m，Z 方向下部取距離隧道中心25 m 為邊界，上部以地形表面為分界線。計算模型如圖1～圖3 所示。（藍色部分為片麻巖，綠色部分為碎石土）

圖1 初始狀態(tài)計算模型

圖2 削坡5°計算模型

圖3 削坡10°計算模型

1.2 計算參數(shù)及控制點

數(shù)值模擬所需力學計算參數(shù)見表1 所列。

表1 FLAC3D 數(shù)值模擬材料參數(shù)表

圖4 為控制點示意圖。

圖4 控制點示意圖

因隧道受到偏壓作用，隧道的拱腳和拱肩處易出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，故選取2、4、5、7 作為計算點。為了反映隧道的拱頂變形和收斂變形，故選取1、3、6 作為計算點。

2 不同削坡角度對比分析

回頭溝隧道洞口淺埋偏壓段隧道周圍巖體的級別主要是V 級圍巖。現(xiàn)以回頭溝隧道工程為依托，選擇原始狀態(tài)、削坡5°、削坡10°后隧道周圍的巖體進行數(shù)值模擬，通過對三種不同情況的圍巖變化規(guī)律及應力分布規(guī)律進行對比分析，找到與回頭溝隧道最匹配的削坡角度。

2.1 圍巖變形對比分析

不同削坡角度下的隧道圍巖水平方向位移變化云圖見圖5～圖7 所示；不同削坡角度的隧道圍巖豎直方向的位移變化云圖見圖8～圖10 所示。其水平方向和豎直方向的位移變化見表2 和表3 所列。

圖5 初始狀態(tài)水平位移變化圖

圖6 削坡5°水平位移變化圖

圖7 削坡10°水平位移變化云圖

圖8 初始狀態(tài)豎直位移變化圖

圖9 削坡5°豎直位移變化圖

圖10 削坡10°豎直位移變化圖

表2 不同削坡角度下隧道圍巖水平方向位移變化一覽表 單位：mm

表3 不同削坡角度下隧道圍巖豎直方向位移變化一覽表 單位：mm

圍巖在不同削坡角度下的水平位移，以及豎直位移變形如圖5～圖10 所示。從圖中可以看出，雖然削坡角度不同，但圍巖的位移變化趨勢基本相同。最大變形位置均出現(xiàn)在右拱肩處。也就是說，削坡對隧道周圍圍巖的位移變化趨勢影響很小。但是，隨著削坡角度的增大，圍巖的變形量顯著降低。從表2 和表3 可以看出：

（1）以右拱肩為例，削坡5°與削坡前相比，水平位移僅為2.627mm，比之前降低了61%，豎直位移比之前降低了47.87%；削坡10°與削坡前相比，水平位移降低了92%，豎直位移比之前降低了77.3%。

（2）削坡前左、右拱肩位移差為18.621 mm，削坡5°左右拱肩位移差為8.857 mm，比削坡前降低了52.4%；削坡10°左右拱肩位移差為4.536 mm，比削坡前降低了75.6%。

由此可見，削坡法對改善地形偏壓隧道偏壓所產(chǎn)生的影響是隨著削坡角度的增大，偏壓減小。

2.2 圍巖應力對比分析

不同削坡角度的隧道圍巖豎向應力云圖見圖11～圖13 所示。表4 為不同削坡角度下隧道圍巖豎向應力一覽表。

圖11 初始狀態(tài)豎向應力圖

圖12 削坡5°豎向應力圖

圖13 削坡10°豎向應力圖

表4 不同削坡角度下隧道圍巖豎向應力一覽表 單位：kP a

從圖11～圖13 中可以看出：

由于左側相比于右側埋藏深度較高，致使臨近隧道左側有一區(qū)域應力較大，隨著削坡角度的增大，該區(qū)域的范圍明顯減小。

雖然削坡角度不同，但圍巖的應力分布基本相同。由于受到偏壓的影響，應力云圖表現(xiàn)出明顯的不對稱性，在隧道的左拱腳處均出現(xiàn)了不同程度的應力集中現(xiàn)象。但是，隨著削坡角度的增大，拱腳處的應力集中現(xiàn)象有了明顯的緩解。

從表4 可以看出：在削坡之后，拱腳處的應力隨著削坡角度的增加而逐漸減小；左、右兩側的壓力差逐漸減小；隧道拱頂處的應力逐漸減小。

2.3 圍巖塑性區(qū)對比分析

不同削坡角度的隧道圍巖最終塑性區(qū)分布圖見圖14～圖16 所示。

圖14 初始狀態(tài)塑性區(qū)分布圖

圖15 削坡5°塑性區(qū)分布圖

圖16 削坡10°塑性區(qū)分布圖

從圖14～圖16 中可以看出，雖然削坡角度不同，但圍巖的塑性區(qū)變化趨勢基本相同。在隧道周圍都分布著不同范圍的塑性區(qū)，除去隧道頂部外，在隧道的左拱腳處可以明顯的看到塑性區(qū)存在，這主要是由于左拱腳處的應力集中所造成的。但是，隨著削坡角度的增大，圍巖的塑性區(qū)分布范圍明顯減少。同時，隧道左拱腳處的應力集中現(xiàn)象已經(jīng)得到了很大的改善，隧道周邊塑性區(qū)基本呈現(xiàn)出對稱性分布。

3 結論

削坡法通過減小隧道地表的坡角，降低埋深較大處的土層厚度，減小隧道的埋深，致使隧道周圍應力向著均勻性和對稱性的良性方向發(fā)展，從而減小偏壓所造成的危害[8]。本文通過使用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件，對回頭溝隧道采用不同削坡角度時的作用效果進行模擬。通過對模擬數(shù)據(jù)的分析對比，得出如下結論：

（1）作用效果對比

a. 以右拱肩為例，削坡5°與削坡前相比，水平位移僅為2.627 mm，比之前降低了61%，豎直位移比之前降低了47.87%；削坡10°與削坡前相比，水平位移降低了92%，豎直位移比之前降低了77.3%。

b. 削坡前左、右拱肩位移差為18.621 mm，削坡5°左右拱肩位移差為8.857mm，比削坡前降低了52.4%；削坡10°左右拱肩位移差為4.536 mm，比削坡前降低了75.6%。

（2）削方量對比

a. 削坡5°時，削去斷面面積為429.092 2 m2；

b. 削坡10°時，削去斷面面積為774.451 5 m2。

（3）當使用削坡法對地形偏壓隧道進行處理時，隨著削坡角度的不斷增加，隧道圍巖的形變量漸漸減小，應力集中現(xiàn)象有所緩解，塑性區(qū)的區(qū)域逐漸減小，偏壓所產(chǎn)生的危害越來越小。

（4）削坡5°和削坡10°的作用效果相差較小，而工程量相差一倍。綜合考慮經(jīng)濟性以及對環(huán)境的影響，對于回頭溝隧道來說，采用削坡5°較為合適。