某淺埋隧道開挖對側(cè)邊坡穩(wěn)定性影響分析

肖金科

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，交通建設(shè)也如火如荼的進行中。然而，在交通建設(shè)過程中，免不了對生態(tài)的破壞，高速鐵路隧道開挖雖然在地面以下進行，但是其開挖會影響周圍地層的穩(wěn)定性，若處置不恰當(dāng)，將會造成嚴(yán)重的生態(tài)破壞及經(jīng)濟損失，甚至造成人員傷亡。本文基于數(shù)值模擬軟件分析合福(合肥-福州)鐵路某淺埋段的隧道開挖對側(cè)邊坡穩(wěn)定性的影響，為相關(guān)工程邊坡治理提供參考依據(jù)。

1 工程背景

合福鐵路某段為雙向兩車道隧道，單洞設(shè)計時速250 km/h，隧道凈寬12.0 m，凈高10.4 m，隧道平均埋深22.5 m。隧道坡體地層為強風(fēng)化鈣質(zhì)頁巖，為Ⅳ級圍巖，隧道開挖采用三臺階開挖法。坡體地層情況如表1。

表1 坡體地層情況

2 Midas GTS數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

數(shù)值模擬軟件采用Midas GTS，地層分布及網(wǎng)格劃分情況如圖1。

圖1 地層分布及網(wǎng)格劃分

由于本次模擬只分析隧道斷面開挖對其側(cè)邊坡的影響，故可將模型簡化為二維平面應(yīng)變模型[1]。根據(jù)當(dāng)坡腳到右端邊界距離為坡高的1.5倍，坡頂?shù)阶蠖诉吔绲木嚯x為坡高的2.5倍，且上下邊界總高不低于2倍坡高時，計算精度最為理想的建議來建立模型邊界[2]。

隧道開挖采用三臺階分部開挖法，軟件根據(jù)劃分不同部位的網(wǎng)格進行相關(guān)施工階段的模擬來實現(xiàn)。隧道開挖流程如圖2。

圖2 隧道分部開挖流程

2.2 分析過程

采用軟件的施工階段模擬隧道開挖過程。采用強度折減法[3-4]計算隧道開挖每一施工步側(cè)邊坡安全系數(shù)(計算三組不同網(wǎng)格尺寸的模型)。在進行隧道開挖前，需計算初始地應(yīng)力場，并對位移清零，以模擬真實巖層應(yīng)力情況[5]。開挖時，需要進行圍巖應(yīng)力釋放，以模擬開挖后巖體的自然變形階段，應(yīng)力分為三個施工部釋放完成。

3 計算結(jié)果分析

分別計算三組不同網(wǎng)格尺寸的模型的安全系數(shù)(Safety Factor，后面簡稱SF)，其中SF1、SF2、SF3模型網(wǎng)格尺寸比例分別為0.5、1.0、1.5。計算結(jié)果如表2所示。

從表2 結(jié)果可以看出，隧道開挖會降低側(cè)邊坡的安全系數(shù)，在圍巖釋放應(yīng)力的過程中邊坡安全系數(shù)會繼續(xù)降低。

表2 施工階段坡體安全系數(shù)

中臺階和下臺階軟噴后，安全系數(shù)會一定程度增大，進一步說明隧道初期支護能為圍巖提供良好的支撐，從而維持圍巖穩(wěn)定。

下臺階噴射混凝土硬化后，由于隧道形成封閉的支護系統(tǒng)，具有較高的強度，從而為圍巖提供良好的支撐，同時由于前期圍巖發(fā)生了部分變形，進行了應(yīng)力的釋放，邊坡的穩(wěn)定性增加。

同時可以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格尺寸越小，計算得到的安全系數(shù)越低，所以進行數(shù)值模擬時，應(yīng)盡量采用較小的網(wǎng)格尺寸，以得到更精確、安全的結(jié)果。

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬結(jié)果分析可以得出以下結(jié)論：

(1)隧道開挖會降低側(cè)邊坡的安全系數(shù)，在圍巖釋放應(yīng)力的過程中邊坡安全系數(shù)會繼續(xù)降低，因此在隧道開挖時，應(yīng)對邊坡采取加固措施。

(2)噴射混凝土后邊坡安全系數(shù)會升高，因此隧道開挖后應(yīng)盡早支護。

(3)形成封閉的仰拱后施工，邊坡整體穩(wěn)定性會提升，因此施工時仰拱應(yīng)盡早封閉成環(huán)。

(4)數(shù)值模擬網(wǎng)格尺寸會影響計算結(jié)果，網(wǎng)格尺寸越小，計算安全系數(shù)越低，因此計算時應(yīng)盡量采用較小的網(wǎng)格尺寸，以得到較安全的結(jié)果。