淺埋傍山隧道開挖方式對邊坡擾動數值分析

方攀

(長安大學公路學院，陜西西安710064)

淺埋傍山隧道多采用施工工序較多的分步開挖法，各工序相互影響且多次擾動邊坡，導致圍巖施工過程中的力學行為難以掌控，尤其當隧道穿越淺埋地段時，極易發(fā)生失穩(wěn)乃至滑坡。因此，對于傍山隧道的施工選擇合理的開挖方法進行研究是十分必要的。張毅等[1]總結分析了淺埋暗挖隧道開挖方式對地層的擾動，評估了各種開挖方式對地層擾動的控制效果；汪宏等[2]針對公路隧道進洞時出現塌方的實際情況，運用數值分析的手段獲得了有效的解決辦法；吳旭平等[3]通過現場實測含軟弱夾層淺埋隧道圍巖變形并運用模擬計算得以驗證，得出了圍巖變形分級控制指標。施成華等[4]分析了桐油山連拱隧道淺埋段開挖引起的沿隧道縱橫向的地表建筑物的移動與變形，對隧道施工有一定意義。李麗民等[5]對大拱腳臺階法在淺埋高速鐵路隧道中的應用進行深入系統(tǒng)研究，表明基于理論分析和數值模擬提出的施工方法是科學合理的。

通過數值模擬手段分析常用的臺階法開挖、CD法、CRD法、雙側壁導坑法四種方法在軟弱圍巖淺埋傍山隧道開挖時對邊坡穩(wěn)定性影響。通過對比分析，評價開挖方案的優(yōu)缺點，提出推薦工法,以期為今后淺埋傍山隧道的設計、施工提供借鑒和參考。

1 工程概況

遵赤高速隧道傍山，某淺埋段長320 m。洞身位于全強風化軟弱圍巖帶內，工程地質件較差。由于該段受地質構造復雜，頂板厚度較薄，易發(fā)生坍塌、滑坡，圍巖級別為Ⅴ級。該段埋深較淺，平均埋深和最大埋深分別為11 m和15 m，且隧道緊臨邊坡，坡度較大，坡度接近1∶1。

2 數值模擬方案

2.1 計算模型

以單洞四車道淺埋傍山隧道為例分析淺埋傍山隧道開挖引起的支護結構變形和圍巖受力特征，采用模擬材料非線性、大變形效果較好的Midas Gts Nx軟件進行數值計算，其采用顯式計算方法,能夠提供穩(wěn)定的數值解。隧道內輪廓凈寬23.01 m,凈高19.21 m(包括仰拱),開挖高度21.09 m，開挖跨度25.01 m。襯砌和支護均采用彈性模型，模型選用地層—結構法的受力模式。

2.2 計算參數

計算采用二維地層—結構法分析，圍巖采用Mohr-Coulomb準則。混凝土襯砌、噴混凝土、中隔壁型鋼噴混凝土采用梁單元，混凝土、圍巖、錨固具體計算參數見表1。

表1 計算模型參數

3 計算結果分析

3.1 邊坡縱向位移

對不同開挖方案引起的邊坡縱向位移與監(jiān)測點(坡肩到坡趾如圖1所示)到隧道地表中線的水平距離之間的關系進行統(tǒng)計，并繪制成曲線如圖2所示。

由圖2可知：各開挖工序引起邊坡縱向位移值由小到大依次為：雙側壁導坑法、CRD法開挖、CD法開挖、臺階法開挖，其中雙側壁導坑法開挖引起的坡頂縱向位移值是臺階法開挖的約50%，CD法和CRD法位移變化效果基本一致；但開挖中可以明顯看出CRD法對坡頂和坡趾縱向位移控制效果更好。

3.2 邊坡橫向位移

由于各種開挖方式位移云圖直觀規(guī)律相似，為方便起見，僅以臺階法開挖位移云圖展示(見圖3)。根據數值模擬結果，對不同開挖方案引起的邊坡水平位移與監(jiān)測點到坡肩位置角平分線(此處位移具有對稱性)的距離之間的關系進行統(tǒng)計，并繪制成曲線如圖4所示。

由最大地表沉陷值可知，地表位移值由大到小的施工工序依次為:臺階法、CD法、CRD法、雙側壁導坑法。臺階法開挖的沉降值最大為28 mm，雙側壁導洞法最小為14 mm;不同開挖方式的橫向影響范圍無明顯差異，距離坡肩位置角平分線15 m范圍內，約為0.7D(D為隧道斷面最大跨度)。雙側壁導坑法繪制的沉降曲線斜率最大，不難發(fā)現，地表影響范圍最小(約為0.3D～0.5D)。

3.3 坡頂沉降

對沿深度方向的位移分析，由于隧道埋深淺，壓力拱效應不能在坡頂到洞周深度范圍內形成。因此，位移值較大且沿深度方向變化較小。

從圖5可看出，位移值最大的是臺階法。CD法與CRD法對地層位移擾動位移值差異較小。隧道開挖進洞洞口頂部位置的位移最大。最大位移值的69%約為坡頂位移值。單側壁導坑法最大位移值僅約為臺階法開挖最大位移值的40%。

4 結語

1)由于埋深淺,地層軟弱破碎，淺埋隧道段不能形成拱效應。各開挖工序下，洞口區(qū)段位置的坡頂沉降最大。對坡頂位移控制效果最好的是雙側壁導坑法，對洞周位移，CRD法與CD法控制效果相當。2)從坡面縱向位移、坡頂沉降、坡肩橫向位移、邊坡穩(wěn)定系數等方面綜合分析得出：雙側壁導坑法適用于對變形控制要求嚴格的地區(qū)，允許較大變形時，應優(yōu)先采用技術、經濟效益顯著的臺階法。