偏壓隧道頂部山體穩定性數值分析

席建忠

(陜西省核工業地質調查院，陜西西安 710054)

0 引言

在相應國家“西部大開發”政策的過程中，我國交通現代化建設事業迅猛發展，公路建設取得了舉世矚目的成就。然而由于西部山區面積幅員遼闊，使得公路建設也異常艱難。很多公路需要以隧道的形式貫穿山體，這就引發了一系列地質問題的產生［1-5］。例如，在山坡中開挖隧道，就會破壞山體的穩定性，從而引起隧道受偏壓，極易產生隧道塌陷，隧道塌陷又會進一步引起山體垮塌或者滑坡，造成交通中斷和人民財產的巨大損失。因此，分析偏壓隧道頂部山體的穩定性成為一個新的課題，具有極大的工程意義。

1 工程概況

1.1 地質情況

SHS特長隧道位于陜西魚洞子鄉境內，是十天高速(湖北十堰—甘肅天水)控制性工程。隧道左線長5 431 m，右線長5 434 m。隧道出口位于河流右岸山體斜坡處，地形坡度較陡，坡角40°。隧道穿越5個斷層破碎帶，巖石強度低，地下水豐富，地質復雜，隧道地質主要為微風化薄層灰巖、微風化千枚巖、微風化厚層灰巖和微風化片巖，裂隙雜亂，巖體呈碎石狀松散結構。不良地質占總長度的54%。該隧道自2009年8月15日正式施工，一直是十天高速漢中西段能否按時通車的“咽喉”工程。隧道進口實景圖見圖1。

1.2 開挖加固措施及原理

在隧道掘進過程中，防止災害發生的方法是采用超前小導管注漿進行隧道工作面的加固。

超前小導管在小管棚超前支護施工中主要起到錨桿作用、注漿通道作用和棚架作用。本次隧道掘進中的塌方治理，正是這三種原理的綜合作用。

小導管與注漿的共同作用能夠在拱頂形成一種傘狀的超前支護體系，使支護抗力大大增強，可以有效抑制圍巖松弛變形。洞內施工情形見圖2。

1.3 存在問題

雖然在施工中堅持“管超前、短開挖、嚴注漿、強支護、快封閉、勤量測”的原則，也采取了一系列施工措施來加固工作面。然而由于SHS隧道所穿越的山體地質情況惡劣，在施工過程中還是不斷會發生工作面塌陷的事故。

分析事故原因如下:

1)開挖隧道處于Ⅳ，Ⅴ級圍巖交界帶，巖體被多組節理分割成碎石狀松散結構，節理裂隙間層面光滑。在隧道鉆爆開挖擾動影響下，圍巖失穩導致塌方。

2)隧道塌方部位距離過溝處較近，圍巖埋深很小;而且偏壓情況嚴重。由于地下開挖導致邊坡應力場重分布，在邊坡和坡腳引起應力集中，大大降低了邊坡的穩定性。

3)地下(表)水豐富且隧道開挖使圍巖產生應力重分布，形成一定的塑性區，若初期支護不及時或強度不足時，塑性區就會擴大，形成不同方位的貫通裂隙，為地下水流動提供通道。使巖體強度急劇降低，使得塑性區進一步擴大，致使地下水繼續發育，二者相互促進，共同導致巖體失穩、塌落。

隧道上部的山體是否存在潛在的滑坡可能性，是否影響山坡上及山坡下的群主生命安全，需要進行分析研究才能確定。

2 數值分析

2.1 數值軟件

有限元法已成為求解復雜巖土工程問題的有力工具，本次數值模擬選用大型有限元軟件ANSYS來進行。

大多數巖土工程問題，都涉及無限域或半無限域，處理這些問題通常是在有限的區域內進行離散。為了使這些離散不會產生大的誤差，必須取足夠大的計算范圍，并應使假定的外邊界條件盡可能地接近真實狀態。

2.2 數值模型建立

為使數值模擬過程簡單化，在盡量不影響數值模擬結果的前提下，將地層進行一定程度上的簡化處理。簡化后的巖土物理力學參數見表1。

表1 數值模擬參數

建立的數值模型依據以往的經驗，在將模型的模擬范圍取為開挖洞徑3倍～4倍的基礎上，并且計算機性能滿足的情況下，盡可能地擴大數值模擬選取范圍，來進一步確保分析的正確性。模型的底部采取固端約束，右邊的切割面上采取法向約束。建立的數值模型見圖3。

2.3 數值分析結果

根據分析偏壓隧道頂部山體穩定性的需要，分別選取了X應力、Y應力和剪應力來進行研究。分析結果見圖4。

從圖4中可以看出，隧道結構受力很不對稱，在靠山側出現最大軸力，而靠山腳一側出現最大彎矩。隧道頂部成為應力集中區域，容易發生塌陷，在施工中要進一步加強工作面的支護方可保證山體的穩定性，從而避免造成更大的施工事故和社會、經濟損失。

3 結語

通過對偏壓隧道失穩原因分析和對頂部山體穩定性數值分析得到以下結論:

1)淺埋偏壓隧道結構受力不均勻，靠山側出現最大軸力，而靠山腳一側出現最大彎矩。若不采取超前支護措施而直接開挖，很容易導致巖體失穩坍塌。

2)有限元數值模擬結果表明，在隧道開挖過程中，進行預加固處理能夠最大可能保證開挖掘進工作安全進行。

3)在施工時應該采取信息化施工，勤測量，并將測量數據分析整理，及時反饋指導工程施工。

［1］張 琨，谷拴成，毛巨省，等.隧道塌方治理原理及其應用［J］.煤礦安全，2010(12):61-63.

［2］陳文俊，陳正元.那沙嶺隧道塌方原因與處理方案［J］.公路隧道，2010(2):29-31.

［3］魯榮鋼.超淺埋偏壓隧道加固前后施工力學分析［J］.巖土工程，2007(1):93-95.

［4］宋 剛.淺埋偏壓隧道洞口變形機理及治理措施研究［J］.山西建筑，2010，36(1):346-347.

［5］坪井直道.化學注漿法的實際應用［M］.北京:煤炭工業出版社，1980.