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)
在隧道建設(shè)過程中,會(huì)由于地理環(huán)境和設(shè)計(jì)不規(guī)范,導(dǎo)致洞口山體出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象[1]。針對(duì)這一問題,研究者們進(jìn)行了隧道洞口地段開挖對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的一系列研究工作,如王建秀[2]通過對(duì)小曼薩河隧道邊坡變形進(jìn)行了三維監(jiān)測(cè),確立了隧道滑坡變形的三維基本模式,并對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)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(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響;文獻(xiàn)[4][5]應(yīng)用有限元軟件法對(duì)洞口段隧道施工進(jìn)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(jìn)行逐漸減小;文獻(xiàn)[6][7]分別使用有限差分FLAC3D軟件對(duì)洞口邊坡在各種工況下的變形狀況和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析;文獻(xiàn)[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?!豆匪淼涝O(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,為地形偏壓隧道的設(shè)計(jì)與施工提供了有效指導(dǎo),但不同開挖深度對(duì)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(duì)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(duì)隧道洞口開挖過程中邊坡的位移變形規(guī)律進(jìn)行分析,以期為類似工程施工提供指導(dǎo)。
獅子山隧道位于貴州省普安縣,左線樁號(hào)為ZK117+830~ZK119+860,長(zhǎng) 2 030 m,右線樁號(hào)為YK117+860~YK119+840,長(zhǎng)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(jì)行車速度為80 km·h-1。隧道凈寬 10.25 m,凈高 5 m。初期支護(hù)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(zhǎng)3.5 m,間距為100 cm。隧道左右線均采用臺(tái)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(shí)洞口易坍塌,成洞困難。工程現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。
圖1 工程現(xiàn)場(chǎng)
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(jì)細(xì)則》(JTG/T D70—2010)的要求。圍巖材料的力學(xué)參數(shù)如表1所示。
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(jìn)行,隧道周圍的土體及邊坡有向左滑動(dòng)的傾向,對(duì)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于它們的抗剪強(qiáng)度。在整個(gè)土體中,離隧道最近的邊坡面上的土體發(fā)生的位移最大。
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(dòng)到了中部。坡頂最大下滑量約為2.73 cm,對(duì)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(dòng),在坡腳到坡頂出現(xiàn)了滑動(dòng)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(gè)主要因素。
圖4 隧道埋深15 m的位移云圖
由圖5(a)可知,邊坡最大水平位移為4.86 cm,相對(duì)于圖4和圖3,分別增長(zhǎng)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(lái)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(duì)邊坡的影響也越大。
圖6為隧道埋深為30 m時(shí)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(shí),隧道開挖對(duì)邊坡的影響最大,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量不要將隧道置于邊坡底部??拷履_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
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(shuō)明隧道位置會(huì)對(duì)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(zhǎng)不大,即隧道的開挖對(duì)邊坡的擾動(dòng)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(zhǎng)趨勢(shì),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(duì)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(zhǎng)。錨桿最大內(nèi)力隨開挖深度呈線性變化趨勢(shì)。
圖8 拱頂位移和錨桿最大軸力曲線
(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(zhǎng),對(duì)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(yuǎn)離坡腳處,并對(duì)邊坡進(jìn)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(duì)周邊土體和邊坡中上部土體的擾動(dòng)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(dòng)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(hù)的方法控制邊坡的下滑。
參考文獻(xiàn):
[1] CAUSE L,COJEAN R,F(xiàn)LEURISSON J A.Interaction Between Tunnel and Unstable Slope-Influence of Time-dependent Behavior of a Tunnel Excavation in a Deep-seated Gravitational Slope Deformation[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2015,50:270-281.
[2] 王建秀,唐益群,朱合華,等.連拱隧道邊坡變形的三維監(jiān)測(cè)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(11):2226-2232.
[3] 劉志偉.隧道開挖位置對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響研究[J].土工基礎(chǔ),2014,27(5):79-82.
[4] 朱合華,李新星,蔡永昌,等.隧道施工中洞口邊仰坡穩(wěn)定性三維有限元分析[J].公路交通科技,2005,22(6):119-122.
[5] 賴金星,王開運(yùn),侯丹丹,等.砂土地層頂管施工土體變形規(guī)律三維數(shù)值分析[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2015,35(4):450-457.
[6] 祁生文,伍法權(quán),蘭恒星.盤石頭水庫(kù)泄洪洞、導(dǎo)流洞進(jìn)出口高邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(3):353-359.
[7] 楊長(zhǎng)城.獅子山隧道開挖對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2007.
[8] 趙尚毅,鄭穎人,時(shí)衛(wèi)民,等.用有限元強(qiáng)度折減法求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)[J].巖土工程學(xué)報(bào),2002,24(3):343-346.
[9] 賴金星,樊浩博,來(lái)弘鵬,等.軟弱黃土隧道變形規(guī)律現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析[J].巖土力學(xué),2015,36(7):2003-2012.
[10] 賴金星,王開運(yùn),來(lái)弘鵬,等.軟弱黃土隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性測(cè)試[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2015,15(3):41-51.