削坡法對地形偏壓隧道作用效果分析

侯晶石

（大連市市政設計研究院有限責任公司，遼寧 大連 116000）

1 數值模擬概述

1.1 計算模型選取

考慮到隧道的平面應變特性，該項模擬采用平面應變模型建模。模型采用abaqus 建模，然后轉換成FLAC3D 網格模型，并采用FLAC3D 進行分析計算[6-7]。在進行數值計算時，采取如下的計算條件進行模擬：

（1）將隧道圍巖考慮成均質、各向同性的連續Mohr-coulomb 本構模型，不考慮沿隧道縱深方向的應變，只考慮隧道的平面應變特性，故該項模擬采用平面應變模型建模，來對隧道圍巖進行模擬。

（2）原巖應力為隧道上覆巖體對隧道所產生的壓力，忽視其余力學效應所產生的影響。把約束施加在模型的X 方向和模型下邊界Z 方向。

（3）所建立的模型在X 方向上的寬度為140 m，Z 方向下部取距離隧道中心25 m 為邊界，上部以地形表面為分界線。計算模型如圖1～圖3 所示。（藍色部分為片麻巖，綠色部分為碎石土）

圖1 初始狀態計算模型

圖2 削坡5°計算模型

圖3 削坡10°計算模型

1.2 計算參數及控制點

數值模擬所需力學計算參數見表1 所列。

表1 FLAC3D 數值模擬材料參數表

圖4 為控制點示意圖。

圖4 控制點示意圖

因隧道受到偏壓作用，隧道的拱腳和拱肩處易出現應力集中現象，故選取2、4、5、7 作為計算點。為了反映隧道的拱頂變形和收斂變形，故選取1、3、6 作為計算點。

2 不同削坡角度對比分析

回頭溝隧道洞口淺埋偏壓段隧道周圍巖體的級別主要是V 級圍巖。現以回頭溝隧道工程為依托，選擇原始狀態、削坡5°、削坡10°后隧道周圍的巖體進行數值模擬，通過對三種不同情況的圍巖變化規律及應力分布規律進行對比分析，找到與回頭溝隧道最匹配的削坡角度。

2.1 圍巖變形對比分析

不同削坡角度下的隧道圍巖水平方向位移變化云圖見圖5～圖7 所示；不同削坡角度的隧道圍巖豎直方向的位移變化云圖見圖8～圖10 所示。其水平方向和豎直方向的位移變化見表2 和表3 所列。

圖5 初始狀態水平位移變化圖

圖6 削坡5°水平位移變化圖

圖7 削坡10°水平位移變化云圖

圖8 初始狀態豎直位移變化圖

圖9 削坡5°豎直位移變化圖

圖10 削坡10°豎直位移變化圖

表2 不同削坡角度下隧道圍巖水平方向位移變化一覽表 單位：mm

表3 不同削坡角度下隧道圍巖豎直方向位移變化一覽表 單位：mm

圍巖在不同削坡角度下的水平位移，以及豎直位移變形如圖5～圖10 所示。從圖中可以看出，雖然削坡角度不同，但圍巖的位移變化趨勢基本相同。最大變形位置均出現在右拱肩處。也就是說，削坡對隧道周圍圍巖的位移變化趨勢影響很小。但是，隨著削坡角度的增大，圍巖的變形量顯著降低。從表2 和表3 可以看出：

（1）以右拱肩為例，削坡5°與削坡前相比，水平位移僅為2.627mm，比之前降低了61%，豎直位移比之前降低了47.87%；削坡10°與削坡前相比，水平位移降低了92%，豎直位移比之前降低了77.3%。

（2）削坡前左、右拱肩位移差為18.621 mm，削坡5°左右拱肩位移差為8.857 mm，比削坡前降低了52.4%；削坡10°左右拱肩位移差為4.536 mm，比削坡前降低了75.6%。

由此可見，削坡法對改善地形偏壓隧道偏壓所產生的影響是隨著削坡角度的增大，偏壓減小。

2.2 圍巖應力對比分析

不同削坡角度的隧道圍巖豎向應力云圖見圖11～圖13 所示。表4 為不同削坡角度下隧道圍巖豎向應力一覽表。

圖11 初始狀態豎向應力圖

圖12 削坡5°豎向應力圖

圖13 削坡10°豎向應力圖

表4 不同削坡角度下隧道圍巖豎向應力一覽表 單位：kP a

從圖11～圖13 中可以看出：

由于左側相比于右側埋藏深度較高，致使臨近隧道左側有一區域應力較大，隨著削坡角度的增大，該區域的范圍明顯減小。

雖然削坡角度不同，但圍巖的應力分布基本相同。由于受到偏壓的影響，應力云圖表現出明顯的不對稱性，在隧道的左拱腳處均出現了不同程度的應力集中現象。但是，隨著削坡角度的增大，拱腳處的應力集中現象有了明顯的緩解。

從表4 可以看出：在削坡之后，拱腳處的應力隨著削坡角度的增加而逐漸減小；左、右兩側的壓力差逐漸減小；隧道拱頂處的應力逐漸減小。

2.3 圍巖塑性區對比分析

不同削坡角度的隧道圍巖最終塑性區分布圖見圖14～圖16 所示。

圖14 初始狀態塑性區分布圖

圖15 削坡5°塑性區分布圖

圖16 削坡10°塑性區分布圖

從圖14～圖16 中可以看出，雖然削坡角度不同，但圍巖的塑性區變化趨勢基本相同。在隧道周圍都分布著不同范圍的塑性區，除去隧道頂部外，在隧道的左拱腳處可以明顯的看到塑性區存在，這主要是由于左拱腳處的應力集中所造成的。但是，隨著削坡角度的增大，圍巖的塑性區分布范圍明顯減少。同時，隧道左拱腳處的應力集中現象已經得到了很大的改善，隧道周邊塑性區基本呈現出對稱性分布。

3 結論

削坡法通過減小隧道地表的坡角，降低埋深較大處的土層厚度，減小隧道的埋深，致使隧道周圍應力向著均勻性和對稱性的良性方向發展，從而減小偏壓所造成的危害[8]。本文通過使用FLAC3D 數值模擬軟件，對回頭溝隧道采用不同削坡角度時的作用效果進行模擬。通過對模擬數據的分析對比，得出如下結論：

（1）作用效果對比

a. 以右拱肩為例，削坡5°與削坡前相比，水平位移僅為2.627 mm，比之前降低了61%，豎直位移比之前降低了47.87%；削坡10°與削坡前相比，水平位移降低了92%，豎直位移比之前降低了77.3%。

b. 削坡前左、右拱肩位移差為18.621 mm，削坡5°左右拱肩位移差為8.857mm，比削坡前降低了52.4%；削坡10°左右拱肩位移差為4.536 mm，比削坡前降低了75.6%。

（2）削方量對比

a. 削坡5°時，削去斷面面積為429.092 2 m2；

b. 削坡10°時，削去斷面面積為774.451 5 m2。

（3）當使用削坡法對地形偏壓隧道進行處理時，隨著削坡角度的不斷增加，隧道圍巖的形變量漸漸減小，應力集中現象有所緩解，塑性區的區域逐漸減小，偏壓所產生的危害越來越小。

（4）削坡5°和削坡10°的作用效果相差較小，而工程量相差一倍。綜合考慮經濟性以及對環境的影響，對于回頭溝隧道來說，采用削坡5°較為合適。