隧道开挖对边坡稳定性影响的数值分析

刘春波

(重庆建筑工程职业学院交通与市政工程系，重庆 400072)

0 引言

在隧道建设过程中，会由于地理环境和设计不规范，导致洞口山体出现滑坡现象［1］。针对这一问题，研究者们进行了隧道洞口地段开挖对边坡稳定性影响的一系列研究工作，如王建秀［2］通过对小曼萨河隧道边坡变形进行了三维监测，确立了隧道滑坡变形的三维基本模式，并对边坡稳定性进行了分析;刘志伟［3］通过有限元软件分析了隧道不同开挖位置对边坡稳定性的影响;文献［4］［5］应用有限元软件法对洞口段隧道施工进行全过程三维弹塑性有限元模拟，得出坡体的安全系数随施工的进行逐渐减小;文献［6］［7］分别使用有限差分FLAC3D软件对洞口边坡在各种工况下的变形状况和稳定性进行了分析;文献［8］采用数值模拟方法分析了隧道洞口滑坡问题，得到了隧道施工与边坡位移、变形的关系。《公路隧道设计细则》(JTG/T D70-2010)给出了各级围岩下隧道拱肩最小覆盖层厚度，为地形偏压隧道的设计与施工提供了有效指导，但不同开挖深度对边坡稳定影响不尽相同［9-10］，因此研究隧道不同开挖深度对边坡稳定性的影响十分必要。鉴于此，本文以贵州省狮子山隧道工程为依托，在确保满足隧道拱肩最小覆盖层厚度的情况下，借助有限元软件Midas-NX，建立二维数值模型，对隧道洞口开挖过程中边坡的位移变形规律进行分析，以期为类似工程施工提供指导。

1 工程概况

狮子山隧道位于贵州省普安县，左线桩号为ZK117+830～ZK119+860，长 2 030 m，右线桩号为YK117+860～YK119+840，长1 980 m。隧道岩层为风化泥质砂岩，层理清晰，岩石完整，节理发育，节理面闭合。隧道为单心圆断面，设计行车速度为80 km·h－1。隧道净宽 10.25 m，净高 5 m。初期支护喷射C25混凝土，厚24 cm，二次衬砌采用C25混凝土，厚50 cm，锚杆采用Φ22药卷锚杆，长3.5 m，间距为100 cm。隧道左右线均采用台阶法开挖。隧道洞身围岩主要为泥质砂岩，抗风化能力较差，岩石较破碎，节理裂隙发育。隧道出口坡角为30°～35°，且位于背斜核心部附近，易受降水天气影响，且开挖时洞口易坍塌，成洞困难。工程现场如图1所示。

图1 工程现场

2 隧道开挖数值模拟

隧道开挖影响范围直径为洞径的3～5倍，模型取土体底边100 m、右边60 m，分析位置分别取距坡顶 5、10、15、20、25、26、27、28、29、30 m，建立的模型如图2所示。隧道拱肩覆盖层厚度符合《公路隧道设计细则》(JTG/T D70—2010)的要求。围岩材料的力学参数如表1所示。

3 计算结果及分析

3.1 隧道开挖深度为5 m

图2 隧道模型

图3 隧道埋深5 m位移云图

由图3可知，随着隧道开挖的进行，隧道周围的土体及边坡有向左滑动的倾向，对边坡造成了一定影响。最大边坡水平位移约1.73 cm，竖向位移约1.44 cm，变化较小。另外，隧道开挖主要影响的范围是周围隧道土体和边坡中上部，其受到的力都远远大于它们的抗剪强度。在整个土体中，离隧道最近的边坡面上的土体发生的位移最大。

3.2 隧道开挖深度为15 m

由图4(a)可知，边坡最大水平位移为2.55 cm，与图3(a)相比增大了1.2倍，其位置随着隧道开挖深度的增大从上部移动到了中部。坡顶最大下滑量约为2.73 cm，对比图4(b)可知，坡顶最大下滑位移增大近2倍。边坡前沿的土体都向左出现移动，在坡脚到坡顶出现了滑动带，易出现滑坡现象。因此，隧道开挖的位置是影响边坡位移的一个主要因素。

图4 隧道埋深15 m的位移云图

3.3 隧道开挖深度为25 m

由图5(a)可知，边坡最大水平位移为4.86 cm，相对于图4和图3，分别增长了2倍和2.5倍;坡顶最大沉降为5.13 cm，比图4(b)增大1.9倍，比图3(b)增大3.6倍。由此可见，隧道开挖位置越深，边坡变形的水平位移和竖向位移都越来越大。在隧道拱腰处，靠近边坡一侧土体的水平位移最大。由此可见，隧道开挖越深对边坡的影响也越大。

3.4 隧道开挖深度为30 m

图6为隧道埋深为30 m时的位移云图，即隧道置于坡底的情况。边坡最大水平位移约为6.03 cm，与图3(a)、图4(a)和图5(a)相比位移大大增加，尤其在25～30 m的开挖深度，位移变化突增，呈不收敛状态，且位移量超过了边坡位移变化的警戒值。另外，当隧道位于边坡的底部时，隧道开挖对边坡的影响最大，设计时应尽量不要将隧道置于边坡底部。靠近坡脚附近的土体产生约3 cm的向左位移量，边坡顶部竖向位移量近7.3 cm，边坡容易发生滑坡灾害。

图5 隧道埋深25 m的位移云图

图6 隧道埋深30 m的位移云图

图7 边坡最大位移曲线

3.5 边坡位移综合分析

边坡最大沉降量和最大水平位移的关系曲线如图7所示。由图7可知，随着隧道埋深增大，边坡的最大竖向位移和水平位移都逐渐变大，说明隧道位置会对边坡产生影响。在5～15 m范围内，最大竖直位移和水平位移增长不大，即隧道的开挖对边坡的扰动不明显，影响不大。15～25 m范围内最大竖直位移和水平位移变化较平缓，且呈线性增长趋势，但最大位移仍在可控制范围内。在25～30 m范围内最大竖直位移迅速增大，可能导致边坡失稳破坏。可以看出，15～25 m范围为隧道开挖的合理位置，对边坡的影响较小。

根据有限元的分析结果，得出隧道在10种工况下拱顶的最大位移、隧道锚杆最大内力的变化规律，如图8所示。从图8可知，随着开挖深度的增加，拱顶位移逐渐增大，且基本呈线性增长。锚杆最大内力随开挖深度呈线性变化趋势。

图8 拱顶位移和锚杆最大轴力曲线

4 结语

(1)由数值模拟可知，隧道埋深增大，边坡的水平位移和竖向位移成倍增长，对边坡造成了很大影响，边坡的稳定性变差，在坡脚处最为明显。隧道开挖应远离坡脚处，并对边坡进行合理加固。

(2)15～25 m范围为隧道开挖的合理位置，边坡位移变化较平缓，在施工可控制范围内。隧道开挖对周边土体和边坡中上部土体的扰动最为明显。

(3)隧道开挖之后，隧道拱顶上方的土体发生沉降并向拱顶方向延伸，拱脚处土体位移沿边坡顶部方向逐渐贯通，连接形成剪切滑动带，极易造成滑坡，应在隧道施工之前采用坡角抗滑桩支护的方法控制边坡的下滑。

参考文献:

［1］ CAUSE L，COJEAN R，FLEURISSON 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，朱合华，等.连拱隧道边坡变形的三维监测分析［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(11):2226-2232.

［3］ 刘志伟.隧道开挖位置对边坡稳定性的影响研究［J］.土工基础，2014，27(5):79-82.

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