何 信

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

抗滑樁對偏壓隧道洞口穩(wěn)定性的影響分析

何 信

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

為研究抗滑樁對偏壓隧道穩(wěn)定性的影響，結(jié)合某隧道工程項(xiàng)目，采用FLAC3D軟件，分析了不同間距的抗滑樁對隧道穩(wěn)定性的影響。分析結(jié)果表明：施作抗滑樁對限制右線隧道拱頂沉降作用較明顯，隨著抗滑樁間距增大，左、右線隧道拱頂上方地表縱向沉降值以及拱頂縱向沉降最大值都將增大；最佳抗滑樁間距為2～4 m。分析結(jié)果對偏壓隧道抗滑樁施工具有指導(dǎo)意義。

淺埋偏壓隧道；洞口預(yù)加固；穩(wěn)定性分析；不同工況

0 引言

由于公路選線中地形因素的制約，決定了隧道需要穿越山坡區(qū)域，使隧道處于偏壓狀態(tài)。這種偏壓地段給隧道進(jìn)洞施工帶來了不利因素，在隧道進(jìn)洞前需要對隧道的邊坡采取合理有效的輔助措施，保證邊坡的穩(wěn)定性。比如開挖前經(jīng)常會(huì)采取擋墻、抗滑樁、錨桿以及地表注漿的輔助施工方法。因此施工方法的合理選擇決定了隧道進(jìn)洞順利與否，同時(shí)也是工程經(jīng)濟(jì)和安全考慮的重要因素[1-4]。隧道洞口穿越山體表層、處于淺埋地段時(shí)，如果施工操作控制不合理，極易引發(fā)隧道坍塌事故[5-9]。基于此，結(jié)合某淺埋偏壓隧道工程，采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件，分析該洞口在不同間距抗滑樁下隧道開挖的穩(wěn)定性，為該隧道的安全進(jìn)洞提供了理論支持。

1 模型建立及參數(shù)選取

采用三維數(shù)值分析軟件FLAC3D分析隧道進(jìn)洞。隧道左洞埋深約3.8～32.5 m，右洞埋深約0.5～43.0 m，隧道襯砌結(jié)構(gòu)為采用C30混凝土的復(fù)合式襯砌。模擬隧道開挖方法為CRD工法，同時(shí)開挖兩側(cè)隧道。由于隧道開挖會(huì)對周邊邊坡產(chǎn)生影響，因此模型的建立需要遠(yuǎn)大于此影響作用的范圍，通常各方向上取隧道跨度的3～5倍距離。本次模型尺寸為95 m×30 m×(21.0～84.1)m，劃分網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)8 334個(gè)，單元38 995個(gè)，隧道模型如圖1所示。分別計(jì)算了自然狀態(tài)下隧道開挖的穩(wěn)定性和不同間距抗滑樁2種工況下隧道開挖的穩(wěn)定性。抗滑樁間距主要是指相鄰抗滑樁內(nèi)側(cè)邊緣之間的距離，抗滑樁的截面尺寸為1.5 m×2.0 m。土體的本構(gòu)關(guān)系采用Morh-Coulomb模型，圍巖力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

圖1 隧道模型

2 抗滑樁對隧道開挖穩(wěn)定性的影響

2.1 抗滑樁間距為2 m時(shí)

2.1.1 位移場分析

同時(shí)開挖2條隧道圍巖豎向位移、水平位移分別如圖2、圖3所示；同時(shí)開挖2條隧道襯砌豎向位移、水平位移分別如圖4、圖5所示。

從圖2～5中可以看出，從豎向(z方向)位移來看，抗滑樁間距為2 m時(shí)，開挖雙線隧道引起的豎向最大位移值為-32.01 mm，并且造成隧道襯砌產(chǎn)生豎向位移，最大為-37.09 mm，同時(shí)隧道底部向上凸最大變形值為32.43 mm；從沿水平(x方向)位移來看，隧道由于上方邊坡的擠壓作用產(chǎn)生較大的水平位移，其中開挖雙線隧道圍巖最大擠出位移值為-16.91 mm，由此引起的襯砌水平位移最大值為-17.96 mm，并形成較為明顯的滑移面。

圖2 同時(shí)開挖2條隧道圍巖豎向位移/m

圖3 同時(shí)開挖2條隧道圍巖水平位移/m

圖4 同時(shí)開挖2條隧道襯砌豎向位移/m

圖5 同時(shí)開挖2條隧道襯砌水平位移/m

2.1.2 應(yīng)力場分析

同時(shí)開挖2條隧道襯砌的最小主應(yīng)力和最大主應(yīng)力分別如圖6、圖7所示。

開挖雙線隧道時(shí)，從圖6～7襯砌結(jié)構(gòu)主應(yīng)力圖中可以看出：最大壓應(yīng)力為8.08 MPa，最大拉應(yīng)力為1.05MPa，由于受到隧道上部坡積體擠壓作用，襯砌局部承受較大應(yīng)力集中。

圖6 同時(shí)開挖2條隧道襯砌最小主應(yīng)力/MPa

圖7 同時(shí)開挖2條隧道襯砌最大主應(yīng)力/MPa

2.2 抗滑樁間距為4 m時(shí)

2.2.1 位移場分析

從豎向位移來看，抗滑樁間距為4 m時(shí)，開挖雙線隧道引起的豎向最大位移值為-32.96 mm，并且造成隧道襯砌產(chǎn)生豎向位移，最大為-38.05 m，同時(shí)隧道底部向上凸最大變形值為37.51 mm；從沿水平位移來看，隧道由于上方邊坡的擠壓作用產(chǎn)生較大的水平位移，其中開挖雙線隧道圍巖最大擠出位移值為-16.99 mm，由此引起的襯砌水平位移最大值為-18.03 mm，并形成較為明顯的滑移面。

2.2.2 應(yīng)力場分析

開挖雙線隧道時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力為8.16 MPa，最大拉應(yīng)力為1.26 MPa，由于受到隧道上部坡積體擠壓作用，襯砌局部承受較大應(yīng)力集中。

2.3 抗滑樁間距為6 m時(shí)

2.3.1 位移場分析

從豎向位移來看，抗滑樁間距為6 m時(shí)，開挖雙線隧道引起的豎向最大位移值為-33.33 mm，并且造成隧道襯砌產(chǎn)生豎向位移，最大為-39.05 m，同時(shí)隧道底部向上凸最大變形值為37.04 mm；從沿水平位移來看，隧道由于上方邊坡的擠壓作用產(chǎn)生較大的水平位移，其中開挖雙線隧道圍巖最大擠出位移值為-17.27 mm，由此引起的襯砌水平位移最大值為-18.19 mm，并形成較為明顯的滑移面。

2.3.2 應(yīng)力場分析

開挖雙線隧道時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力為8.50 MPa，最大拉應(yīng)力為1.36 MPa，由于受到隧道上部坡積體擠壓作用，襯砌局部承受較大應(yīng)力集中。

2.4 抗滑樁間距為8 m時(shí)

2.4.1 位移場分析

從豎向位移來看，抗滑樁間距為8 m時(shí)，開挖雙線隧道引起的豎向最大位移值為-35.91 mm，并且造成隧道襯砌產(chǎn)生豎向位移，最大為-42.19 m。同時(shí)隧道底部向上凸最大變形值為36.79 mm；從沿水平位移來看，隧道由于上方邊坡的擠壓作用產(chǎn)生較大的水平位移，其中開挖雙線隧道圍巖最大擠出位移值為-18.47 mm，由此引起的襯砌水平位移最大值為-19.29 mm，并形成較為明顯的滑移面。

2.4.2 應(yīng)力場分析

開挖雙線隧道時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力為8.93 MPa，最大拉應(yīng)力為1.95 MPa，由于受到隧道上部坡積體擠壓作用，襯砌局部承受較大應(yīng)力集中。

2.5 不同抗滑樁間距對比分析

不同間距抗滑樁作用下右隧道拱頂上方地表縱向沉降如圖8所示，左隧道地表縱向沉降曲線如圖9所示。從圖8、圖9可看出：隨著抗滑樁間距增大，左、右線隧道拱頂上方地表縱向沉降值都將增大。其中，不施作抗滑樁時(shí)地表沉降最大值分別為-15.47 mm、-14.60 mm，而施作抗滑樁且間距為2 m時(shí)地表沉降最大值分別為-9.52 mm、-10.84 mm，使得沉降最大值分別降低了38.5%，25.6%?？梢娛┳鲹跬翂翱够瑯赌苡行У乜刂扑淼蓝纯诙伪浪逊e體堆積、地形偏壓、埋深較淺等不利的施工環(huán)境，達(dá)到“安全進(jìn)洞”的目的。

圖8 右隧道地表縱向沉降曲線

圖9 左隧道地表縱向沉降曲線

不同間距抗滑樁作用下左、右線隧道拱頂縱向沉降最大值如圖10所示。從圖10中可以看出：隨著抗滑樁間距增大，左、右線隧道拱頂上方縱向位移最大值都將增大。其中，左線隧道拱頂沉降最大值從-23.0 mm減至-21.4 mm，右線隧道拱頂沉降最大值從-37.9 mm減至-28.8 mm。可見，施作抗滑樁對限制右線隧道拱頂沉降作用較明顯，并由圖10可看出最佳抗滑樁間距大致為2～4 m。

圖10 左、右線隧道拱頂上方縱向沉降

3 結(jié)論

采用數(shù)值分析軟件FLAC3D分析了在施作抗滑樁間距分別為2 m、4 m、6 m、8 m時(shí)對隧道開挖穩(wěn)定性的影響，主要從圍巖及襯砌的位移、應(yīng)力、地表沉降、拱頂沉降及襯砌應(yīng)力等方面來進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明：施作抗滑樁對限制右線隧道拱頂沉降作用較明顯，隨著抗滑樁間距增大，左、右線隧道拱頂上方地表縱向沉降值以及拱頂縱向沉降最大值都將增大；綜合數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果認(rèn)為最佳抗滑樁間距大致為2～4 m。

[1] 鄧永杰.淺埋偏壓大跨度隧道洞口段進(jìn)洞技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

[2] 任永勝.地表注漿預(yù)加固技術(shù)在隧道淺埋破碎帶施工中的應(yīng)用[D].西安：長安大學(xué)，2009.

[3] 何小波.坡積體中隧道“零”開挖進(jìn)洞技術(shù)研究[D].長沙：中南大學(xué)，2012.

[4] 王建華.淺埋隧道洞口段施工技術(shù)[J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2007，4(2):62-65.

[5] 李曉俊.恒山隧道出口滑坡治理及分析[J].山西交通科技，2012(2)：51-53.

[6] 朱漢華,王迎超,祝江鴻.隧道預(yù)支護(hù)原理與施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2008：2-5.

[7] 陳海帆，傅鶴林，周明.淺埋偏壓隧道洞口段施工方案的數(shù)值模擬與分析[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)(學(xué)術(shù)版)，2014，33(31):11-14.

[8] 黃欣.淺埋偏壓小凈距隧道洞口段施工異常分析及處治[J].公路工程，2013，38(4):147-152.[9] 王傳智.新安嶺淺埋偏壓隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及襯砌技術(shù)研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2013.

(責(zé)任編輯 吳鴻霞)

Influence of Anti-slide Pile on Stability of Bias Tunnel Portal

HeXin

(Shanxi Traffic Science Research Institute,Taiyuan Shanxi 030006)

Taking a tunnel project as an example,FLAC3D software was used to calculate the influence of the anti-slide piles with different spacing on the stability of the tunnel.Research results show that the arch settlement of the restricted right line tunnel is obvious by the application of anti-slide pile. With the increase of space between anti-slide piles, the vertical settlement and the maximum vertical settlement of the upper surface of the left and right line tunnel will increase.It is considered that the best anti-slide pile space is 2-4m,and the results of the research have guiding significance for the anti-slide piles construction of the bias tunnel.

shallow buried bias tunnel;pre-reinforcement;stability analysis;different working conditions

2016-06-01

何信，工程師，碩士。

10.3969/j.issn.2095-4565.2016.06.008

U45

A

2095-4565(2016)06-0035-04