隧道开挖回填对边坡影响分析

朱梓铭

(1. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆  )

摘要:在隧道工程建设中,隧道洞口边仰坡围岩破碎,自稳性较差,在润口施工时很容易发生局部失稳、塌方、甚至是整体坍塌,严重成胁施工安全。仰坡隧道开挖在隧道施工中具有典型性的代表,存在着较大的施工难度。隧道洞口段一般均穿过浅埋山体表层,而山体表层多由风化严重土体组成,稳定性差,且隧道洞口段开挖施工会破坏原山体坡面的平衡状态,极易造成隧道洞口段仰坡失稳,进而导致仰坡发生滑坡事故。从开挖围岩失稳机理以及开挖工法模拟分析两个方面进行了数值模拟，在数值模拟的过程中根据工程实例，从挖方填土和隧道开挖对仰坡边坡的影响进行分析。

关键词:仰坡稳定  抗滑桩  预应力锚杆

1. 引言

目前,隧道仰坡锚固中多采用抗滑桩加固,该方法大多采用人工方法开挖,桩基础很深,施工中对岩体扰动很大。倘若深度达不到设计要求,岩体则得不到加固,这样就会使得抗滑桩随着岩体的软弱面的下滑而移动,并不能得到加固的效果,即加固失效。即便可以达到设计规定的深度,但是随着工程的进展,仰坡也会随之延伸,潜在的滑动面的长度不达标,同样会导致失稳现象发生。因此,预应力锚索在岩土边坡工程治理中以其效果好、简单易行而被广泛应用国。本文通过对预应力锚杆和抗滑桩的联合使用进行有限元分析，展现了偏压隧道洞口仰坡的应力分布和位移大小。

2. 计算模型建立
   1. 计算工况及建模参数

一级挡墙高为8 m;二级挡墙高为10m；三级挡墙高为4m;进口处一级边坡坡角约为35°,二级边坡坡角约为26°;出口处边坡坡角约为47°,填土段一级边坡坡角约为40°,填土段二级边坡坡角约为23°；隧道拱顶据挡墙表面约为13m。考虑边坡渗水作用,坡体单元采用采用2D单元拓展为3D模型单元。坡体共划分40106个土体单元、49286个单元节点。在建立边坡有限元分析模型时,假定土体为理想弹塑性材料,且土体服从摩尔-库伦屈服准则，流动法则采用相关联的流动法则.建立有限元模型时,底部固定x、y两个方向的位移,将相对网格控制在0.5m~0.6m之间,以便在模拟过程中获取接近真实的计算结果.边坡的失稳状态选择特征点的位移增量发生突变和潜在的塑性区贯通作为失稳判据,其中选取边坡坡顶的左端点为特征点。

研究分别对隧道洞口开挖前和开挖后进行建模分析。隧道围岩、二次衬砌和初支衬砌采用实体单元模拟,锚杆采用Cable单元模拟,其中围岩采用摩尔–库伦模型,二次衬砌和初支衬砌采用弹性本构模型。

3. 隧道洞口稳定性分析
   1. 数值计算结果与分析

运用上述数值分析模型,采用强度折减法对该边坡的稳定性进行评估,获得其安全系数。强度折减法的基本原理为:材料的内摩擦角和粘聚力的逐渐降低导致单元的应力无法与强度配套或超出屈服面,不能承受的应力将逐渐转移到周围土体单元中﹐算出现连续滑动面(屈服点连成贯通面)后﹐土体将失点稳。当假定边坡内所有土体抗剪强度的发挥程度相位同时,抗剪强度折减系数相当于边坡整体稳定安全系数。midas没有内置强度折减法的分析方度法,但通过定义变化的材料参数,并通过midas大场变量的设置可计算出滑动面出现时的安全系数。滑动面贯通时对应的场变量(折减系数)即为边坡的稳定性安全系数。实际边坡在长期自重作用下已经达到自身平衡。在midas中,由于重力作用会对边坡产生竖向沉降,给滑动面观察造成困难,首先进行地应力平衡计算以消除重力的影响。自重应力作用下的应力云图见图3。从中可见在片石挡墙及护坡处存在应力集中现象。

3.2.安全系数

采用强度折减法,当强度折减到某一数值时,计算过程中将会出现位移拐点﹐将计算过程中边坡顶点出现位移突变视为边坡失稳。

应力对比图

可看出:该边坡安全系数为1.409。强度折减系数为0～1.4左右时,边坡顶点位移变化不大，但大于1.4后边坡位移急剧增加。观察塑性区在分析过程中的变化,了解边坡失稳过程。截取边坡坡脚出现塑性区直至塑性区贯通的过程,安全系数为1.4时的塑性区见图。

4. 结语

1)根据隧道边仰坡变形特征以及对监测数据的分析进行综合预测,及时提出边仰坡异常变形预警,可有效预防边仰坡失稳灾害的发生,确保工程安全,顺利开展。2)在全面分析、总结国内外隧道工程监测内容、方法的基础上,对隧道洞口边仰坡监测体系进行全面分析研究,得到综合考虑边仰坡地表测点监测和隧道洞内初支监测的预警方法及相应预警标准，综合评定洞口边仰坡的稳定性,可以有效地对边仰坡失稳灾害进行预警。

3)边仰坡失稳灾害预警的研究是一个复杂的系统工程,应从动态发展、变形机制分析﹑数值仿真模拟﹑优化设计,加固控制技术等多方面进行综合研究,建立完整,系统的边坡稳定性分析理论和方法。

4)隧道洞口边坡稳定性受洞口仰坡的加固方式的影响。可见随着隧道加固方式的增加，围岩、初支的应力有所增大，且塑性区范围也更大，但隧道开挖后的沉降减小，边坡的安全稳定系数更大。综合来看，喷射混凝土与锚杆锚索混合加固在满足边坡稳定的情况。

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