基于FLAC3D的小徑距偏壓隧道及邊坡的力學(xué)特性及穩(wěn)定性分析

陳 行， 田明杰， 周鵬發(fā)， 陳文宇

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川成都 610031)

大量實(shí)例證實(shí)，圍巖的受力特性是影響小徑距偏壓隧道及邊坡穩(wěn)定性的關(guān)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(wěn)定性帶來風(fēng)險(xiǎn)和隱患。

近些年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)偏壓隧道的安全性問題進(jìn)行了的研究。邱業(yè)建等[3]根據(jù)虛功率原理推導(dǎo)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(duì)淺埋偏壓隧道圍巖壓力、襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和分布形式；王海軍[5]對(duì)偏壓隧道的影響因素、施工現(xiàn)狀和施工技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和展望。

基于強(qiáng)度折減法計(jì)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(wěn)定性，分析隧道圍巖和邊坡的應(yīng)力、位移以及剪應(yīng)變?cè)隽康淖兓匦?，從而為相關(guān)的設(shè)計(jì)和施工提供一定的理論依據(jù)。

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(qū)域不良地質(zhì)分布廣，在自重條件下會(huì)引起坡內(nèi)巖土側(cè)移導(dǎo)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(jì)算模型及參數(shù)取值

運(yùn)用有限差分軟件FLAC3D建立邊坡及隧道的數(shù)值計(jì)算模型，模型的相關(guān)尺寸為:左側(cè)邊界高60 m，右側(cè)邊界高120 m，底部邊界長220 m。根據(jù)現(xiàn)場勘測所獲取資料確定相關(guān)土層的物理參數(shù)(表1)。

表1 巖土體物理參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 應(yīng)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(yīng)力的分布云圖見圖1。

(a) 邊坡水平X方向應(yīng)力云

(b)隧道水平X方向應(yīng)力云圖1 水平X方向應(yīng)力云

由圖1可知，隧道襯砌的水平X方向應(yīng)力在量級(jí)上要大于邊坡的水平X方向的應(yīng)力。由圖1(a)可知，邊坡表面的水平X方向應(yīng)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?shù)乃絏方向應(yīng)力的低值區(qū)范圍遠(yuǎn)大于邊坡坡底。同時(shí)，由于小徑距隧道的存在，使得邊坡水平X方向的應(yīng)力在隧道頂部和拱底位置出現(xiàn)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(yīng)力越小。由圖1(b)可知，小徑距偏壓隧道中的左側(cè)隧道的水平X方向應(yīng)力主要集中在拱頂位置，其最大值達(dá)到了8.145 MPa,拱底處的水平X方向的應(yīng)力相對(duì)較小，左右側(cè)拱腰的水平X方向的應(yīng)力最小。與此相比，小徑距偏壓隧道中的右側(cè)隧道由于其埋深較左側(cè)隧道更深，同時(shí)受到來自坡頂傳來的土體壓力，其水平X方向應(yīng)力的最大值集中在拱頂和拱底區(qū)域，但其拱頂?shù)淖畲笾迪鄬?duì)與左側(cè)隧道較小，其最大值為7.764 MPa，右側(cè)隧道左右側(cè)拱腰位置的水平X方向的應(yīng)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(xiàn)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(nèi)。同時(shí)，左側(cè)隧道施工和開挖的影響，對(duì)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(cè)隧道施工和開挖的影響相對(duì)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(cè)隧道的水平X方向位移最大值集中在左右側(cè)拱腰的上部，其最大值為0.622 m，拱頂和拱底相對(duì)較小，左側(cè)拱腰下部的水平X方向位移最小，其值為0.401 m。右側(cè)隧道的水平X方向位移最大值集中在左右側(cè)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(cè)隧道，拱頂和拱底處的水平X方向位移相對(duì)較小。

4 結(jié)論

基于強(qiáng)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(shù)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(yīng)力、位移以及剪應(yīng)變?cè)隽康奶卣?，得出以下結(jié)論：

(1)小徑距偏壓隧道所在邊坡坡頂?shù)乃椒较驊?yīng)力的低值區(qū)范圍大于邊坡坡底；

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

(3)水平方向位移最大值出現(xiàn)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(nèi)。左側(cè)隧道施工和開挖對(duì)邊坡水平方向位移的影響較大，右側(cè)隧道對(duì)邊坡的影響相對(duì)較?。?/p>

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

[1] 杜飛. 小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性數(shù)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(zhì)雷達(dá)探測偏壓隧道圍巖松動(dòng)圈的研究與應(yīng)用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2011(S1):3009-3015.

[3] 邱業(yè)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(xué)報(bào), 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(jī)制試驗(yàn)研究[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013(8): 3316-3325.

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

[6] 鄭文棠. 基于FLAC3D的強(qiáng)度折減法和點(diǎn)安全系數(shù)法對(duì)比[J]. 水利與建筑工程學(xué)報(bào), 2010(4):54-57.