抗滑樁對(duì)偏壓隧道洞口穩(wěn)定性的影響分析

何 信

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

抗滑樁對(duì)偏壓隧道洞口穩(wěn)定性的影響分析

何 信

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

為研究抗滑樁對(duì)偏壓隧道穩(wěn)定性的影響，結(jié)合某隧道工程項(xiàng)目，采用FLAC3D軟件，分析了不同間距的抗滑樁對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響。分析結(jié)果表明：施作抗滑樁對(duì)限制右線(xiàn)隧道拱頂沉降作用較明顯，隨著抗滑樁間距增大，左、右線(xiàn)隧道拱頂上方地表縱向沉降值以及拱頂縱向沉降最大值都將增大；最佳抗滑樁間距為2～4 m。分析結(jié)果對(duì)偏壓隧道抗滑樁施工具有指導(dǎo)意義。

淺埋偏壓隧道；洞口預(yù)加固；穩(wěn)定性分析；不同工況

0 引言

由于公路選線(xiàn)中地形因素的制約，決定了隧道需要穿越山坡區(qū)域，使隧道處于偏壓狀態(tài)。這種偏壓地段給隧道進(jìn)洞施工帶來(lái)了不利因素，在隧道進(jìn)洞前需要對(duì)隧道的邊坡采取合理有效的輔助措施，保證邊坡的穩(wěn)定性。比如開(kāi)挖前經(jīng)常會(huì)采取擋墻、抗滑樁、錨桿以及地表注漿的輔助施工方法。因此施工方法的合理選擇決定了隧道進(jìn)洞順利與否，同時(shí)也是工程經(jīng)濟(jì)和安全考慮的重要因素[1-4]。隧道洞口穿越山體表層、處于淺埋地段時(shí)，如果施工操作控制不合理，極易引發(fā)隧道坍塌事故[5-9]?；诖?，結(jié)合某淺埋偏壓隧道工程，采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件，分析該洞口在不同間距抗滑樁下隧道開(kāi)挖的穩(wěn)定性，為該隧道的安全進(jìn)洞提供了理論支持。

1 模型建立及參數(shù)選取

采用三維數(shù)值分析軟件FLAC3D分析隧道進(jìn)洞。隧道左洞埋深約3.8～32.5 m，右洞埋深約0.5～43.0 m，隧道襯砌結(jié)構(gòu)為采用C30混凝土的復(fù)合式襯砌。模擬隧道開(kāi)挖方法為CRD工法，同時(shí)開(kāi)挖兩側(cè)隧道。由于隧道開(kāi)挖會(huì)對(duì)周邊邊坡產(chǎn)生影響，因此模型的建立需要遠(yuǎn)大于此影響作用的范圍，通常各方向上取隧道跨度的3～5倍距離。本次模型尺寸為95 m×30 m×(21.0～84.1)m，劃分網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)8 334個(gè)，單元38 995個(gè)，隧道模型如圖1所示。分別計(jì)算了自然狀態(tài)下隧道開(kāi)挖的穩(wěn)定性和不同間距抗滑樁2種工況下隧道開(kāi)挖的穩(wěn)定性?？够瑯堕g距主要是指相鄰抗滑樁內(nèi)側(cè)邊緣之間的距離，抗滑樁的截面尺寸為1.5 m×2.0 m。土體的本構(gòu)關(guān)系采用Morh-Coulomb模型，圍巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

圖1 隧道模型

2 抗滑樁對(duì)隧道開(kāi)挖穩(wěn)定性的影響

2.1 抗滑樁間距為2 m時(shí)

2.1.1 位移場(chǎng)分析

同時(shí)開(kāi)挖2條隧道圍巖豎向位移、水平位移分別如圖2、圖3所示；同時(shí)開(kāi)挖2條隧道襯砌豎向位移、水平位移分別如圖4、圖5所示。

從圖2～5中可以看出，從豎向(z方向)位移來(lái)看，抗滑樁間距為2 m時(shí)，開(kāi)挖雙線(xiàn)隧道引起的豎向最大位移值為-32.01 mm，并且造成隧道襯砌產(chǎn)生豎向位移，最大為-37.09 mm，同時(shí)隧道底部向上凸最大變形值為32.43 mm；從沿水平(x方向)位移來(lái)看，隧道由于上方邊坡的擠壓作用產(chǎn)生較大的水平位移，其中開(kāi)挖雙線(xiàn)隧道圍巖最大擠出位移值為-16.91 mm，由此引起的襯砌水平位移最大值為-17.96 mm，并形成較為明顯的滑移面。

圖2 同時(shí)開(kāi)挖2條隧道圍巖豎向位移/m

圖3 同時(shí)開(kāi)挖2條隧道圍巖水平位移/m

圖4 同時(shí)開(kāi)挖2條隧道襯砌豎向位移/m

圖5 同時(shí)開(kāi)挖2條隧道襯砌水平位移/m

2.1.2 應(yīng)力場(chǎng)分析

同時(shí)開(kāi)挖2條隧道襯砌的最小主應(yīng)力和最大主應(yīng)力分別如圖6、圖7所示。

開(kāi)挖雙線(xiàn)隧道時(shí)，從圖6～7襯砌結(jié)構(gòu)主應(yīng)力圖中可以看出：最大壓應(yīng)力為8.08 MPa，最大拉應(yīng)力為1.05MPa，由于受到隧道上部坡積體擠壓作用，襯砌局部承受較大應(yīng)力集中。

圖6 同時(shí)開(kāi)挖2條隧道襯砌最小主應(yīng)力/MPa

圖7 同時(shí)開(kāi)挖2條隧道襯砌最大主應(yīng)力/MPa

2.2 抗滑樁間距為4 m時(shí)

2.2.1 位移場(chǎng)分析

從豎向位移來(lái)看，抗滑樁間距為4 m時(shí)，開(kāi)挖雙線(xiàn)隧道引起的豎向最大位移值為-32.96 mm，并且造成隧道襯砌產(chǎn)生豎向位移，最大為-38.05 m，同時(shí)隧道底部向上凸最大變形值為37.51 mm；從沿水平位移來(lái)看，隧道由于上方邊坡的擠壓作用產(chǎn)生較大的水平位移，其中開(kāi)挖雙線(xiàn)隧道圍巖最大擠出位移值為-16.99 mm，由此引起的襯砌水平位移最大值為-18.03 mm，并形成較為明顯的滑移面。

2.2.2 應(yīng)力場(chǎng)分析

開(kāi)挖雙線(xiàn)隧道時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力為8.16 MPa，最大拉應(yīng)力為1.26 MPa，由于受到隧道上部坡積體擠壓作用，襯砌局部承受較大應(yīng)力集中。

2.3 抗滑樁間距為6 m時(shí)

2.3.1 位移場(chǎng)分析

從豎向位移來(lái)看，抗滑樁間距為6 m時(shí)，開(kāi)挖雙線(xiàn)隧道引起的豎向最大位移值為-33.33 mm，并且造成隧道襯砌產(chǎn)生豎向位移，最大為-39.05 m，同時(shí)隧道底部向上凸最大變形值為37.04 mm；從沿水平位移來(lái)看，隧道由于上方邊坡的擠壓作用產(chǎn)生較大的水平位移，其中開(kāi)挖雙線(xiàn)隧道圍巖最大擠出位移值為-17.27 mm，由此引起的襯砌水平位移最大值為-18.19 mm，并形成較為明顯的滑移面。

2.3.2 應(yīng)力場(chǎng)分析

開(kāi)挖雙線(xiàn)隧道時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力為8.50 MPa，最大拉應(yīng)力為1.36 MPa，由于受到隧道上部坡積體擠壓作用，襯砌局部承受較大應(yīng)力集中。

2.4 抗滑樁間距為8 m時(shí)

2.4.1 位移場(chǎng)分析

從豎向位移來(lái)看，抗滑樁間距為8 m時(shí)，開(kāi)挖雙線(xiàn)隧道引起的豎向最大位移值為-35.91 mm，并且造成隧道襯砌產(chǎn)生豎向位移，最大為-42.19 m。同時(shí)隧道底部向上凸最大變形值為36.79 mm；從沿水平位移來(lái)看，隧道由于上方邊坡的擠壓作用產(chǎn)生較大的水平位移，其中開(kāi)挖雙線(xiàn)隧道圍巖最大擠出位移值為-18.47 mm，由此引起的襯砌水平位移最大值為-19.29 mm，并形成較為明顯的滑移面。

2.4.2 應(yīng)力場(chǎng)分析

開(kāi)挖雙線(xiàn)隧道時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力為8.93 MPa，最大拉應(yīng)力為1.95 MPa，由于受到隧道上部坡積體擠壓作用，襯砌局部承受較大應(yīng)力集中。

2.5 不同抗滑樁間距對(duì)比分析

不同間距抗滑樁作用下右隧道拱頂上方地表縱向沉降如圖8所示，左隧道地表縱向沉降曲線(xiàn)如圖9所示。從圖8、圖9可看出：隨著抗滑樁間距增大，左、右線(xiàn)隧道拱頂上方地表縱向沉降值都將增大。其中，不施作抗滑樁時(shí)地表沉降最大值分別為-15.47 mm、-14.60 mm，而施作抗滑樁且間距為2 m時(shí)地表沉降最大值分別為-9.52 mm、-10.84 mm，使得沉降最大值分別降低了38.5%，25.6%。可見(jiàn)施作擋土墻及抗滑樁能有效地控制隧道洞口段崩塌堆積體堆積、地形偏壓、埋深較淺等不利的施工環(huán)境，達(dá)到“安全進(jìn)洞”的目的。

圖8 右隧道地表縱向沉降曲線(xiàn)

圖9 左隧道地表縱向沉降曲線(xiàn)

不同間距抗滑樁作用下左、右線(xiàn)隧道拱頂縱向沉降最大值如圖10所示。從圖10中可以看出：隨著抗滑樁間距增大，左、右線(xiàn)隧道拱頂上方縱向位移最大值都將增大。其中，左線(xiàn)隧道拱頂沉降最大值從-23.0 mm減至-21.4 mm，右線(xiàn)隧道拱頂沉降最大值從-37.9 mm減至-28.8 mm?？梢?jiàn)，施作抗滑樁對(duì)限制右線(xiàn)隧道拱頂沉降作用較明顯，并由圖10可看出最佳抗滑樁間距大致為2～4 m。

圖10 左、右線(xiàn)隧道拱頂上方縱向沉降

3 結(jié)論

采用數(shù)值分析軟件FLAC3D分析了在施作抗滑樁間距分別為2 m、4 m、6 m、8 m時(shí)對(duì)隧道開(kāi)挖穩(wěn)定性的影響，主要從圍巖及襯砌的位移、應(yīng)力、地表沉降、拱頂沉降及襯砌應(yīng)力等方面來(lái)進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明：施作抗滑樁對(duì)限制右線(xiàn)隧道拱頂沉降作用較明顯，隨著抗滑樁間距增大，左、右線(xiàn)隧道拱頂上方地表縱向沉降值以及拱頂縱向沉降最大值都將增大；綜合數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果認(rèn)為最佳抗滑樁間距大致為2～4 m。

[1] 鄧永杰.淺埋偏壓大跨度隧道洞口段進(jìn)洞技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

[2] 任永勝.地表注漿預(yù)加固技術(shù)在隧道淺埋破碎帶施工中的應(yīng)用[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2009.

[3] 何小波.坡積體中隧道“零”開(kāi)挖進(jìn)洞技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2012.

[4] 王建華.淺埋隧道洞口段施工技術(shù)[J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2007，4(2):62-65.

[5] 李曉俊.恒山隧道出口滑坡治理及分析[J].山西交通科技，2012(2)：51-53.

[6] 朱漢華,王迎超,祝江鴻.隧道預(yù)支護(hù)原理與施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2008：2-5.

[7] 陳海帆，傅鶴林，周明.淺埋偏壓隧道洞口段施工方案的數(shù)值模擬與分析[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)(學(xué)術(shù)版)，2014，33(31):11-14.

[8] 黃欣.淺埋偏壓小凈距隧道洞口段施工異常分析及處治[J].公路工程，2013，38(4):147-152.[9] 王傳智.新安嶺淺埋偏壓隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及襯砌技術(shù)研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2013.

(責(zé)任編輯 吳鴻霞)

Influence of Anti-slide Pile on Stability of Bias Tunnel Portal

HeXin

(Shanxi Traffic Science Research Institute,Taiyuan Shanxi 030006)

Taking a tunnel project as an example,FLAC3D software was used to calculate the influence of the anti-slide piles with different spacing on the stability of the tunnel.Research results show that the arch settlement of the restricted right line tunnel is obvious by the application of anti-slide pile. With the increase of space between anti-slide piles, the vertical settlement and the maximum vertical settlement of the upper surface of the left and right line tunnel will increase.It is considered that the best anti-slide pile space is 2-4m,and the results of the research have guiding significance for the anti-slide piles construction of the bias tunnel.

shallow buried bias tunnel;pre-reinforcement;stability analysis;different working conditions

2016-06-01

何信，工程師，碩士。

10.3969/j.issn.2095-4565.2016.06.008

U45

A

2095-4565(2016)06-0035-04