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        坡積土隧道洞口邊、仰坡穩(wěn)定性分析與治理

        2018-03-06 02:03:10賀小強(qiáng)王子英
        建材與裝飾 2018年6期
        關(guān)鍵詞:有限元施工

        賀小強(qiáng) 王子英

        (中交一公局土木工程建筑研究院有限公司)

        引文

        在隧道建設(shè)過程中,因受到施工的影響,使得隧道頂部坡體厚度較薄,應(yīng)力狀態(tài)較差,難以承受較大應(yīng)力,從而引起隧道洞口邊仰坡穩(wěn)定性變差,發(fā)生滑移破壞,既影響隧道工程的正常進(jìn)行,又使施工人員人身安全受到威脅,因此對隧道洞口邊仰坡的穩(wěn)定性分析及所采用隧道洞口施工方案合理性研究顯得尤為重要。

        在隧道施工對隧道洞口邊仰坡穩(wěn)定性影響方面,朱合華等模擬了上下臺階法施工過程對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律[1]。在洞口邊仰坡穩(wěn)定性的判斷方面,馮樹仁結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)通過三維極限平衡法對可能的滑移面進(jìn)行判斷,并對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析[2]。張均鋒等將二維Janbu條分法進(jìn)行拓展,利用三維極限平衡法分析坡體穩(wěn)定性系數(shù)以及潛在滑動方向,從而對其穩(wěn)定性進(jìn)行分析[3]。本文依托麻竹高速公路香山隧道工程,采用MidasGTS有限元軟件分析隧道洞口邊、仰坡開挖以及隧道施工對邊仰坡最大剪應(yīng)變的影響作用。

        1 工程概況

        麻竹高速公路香山隧道位于湖北省襄陽市保康縣,洞口段偏壓較大,坡積土覆蓋層較厚,隧道仰坡上部存在一個天然埡口,隧道進(jìn)口邊坡覆蓋層主要為碎石土,邊、仰坡開挖及其隧道掘進(jìn)中極易出現(xiàn)局部崩塌、滑坡體等地質(zhì)災(zāi)害。隧道準(zhǔn)備進(jìn)洞時,發(fā)現(xiàn)邊坡噴護(hù)混凝土出現(xiàn)裂縫,甚至出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。

        2 有限元分析

        2.1 計算模型的建立

        根據(jù)地質(zhì)勘查報告及隧址區(qū)地形圖,將巖土體由外向里劃分為三層,分別為坡積碎石土,V類圍巖,IV類圍巖,故有限元模型如圖1所示。

        圖1 有限元模型

        表1 模型材料計算參數(shù)表

        模型選取理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系,參數(shù)如表1所示。上邊界取至地表,其余均取距離隧道5倍洞徑處。根據(jù)設(shè)計方案,模擬時分為32個開挖步,隧道每個開挖步進(jìn)尺為2m,開挖采用鈍化單元,噴護(hù)襯砌則采用激活單元。

        2.2 數(shù)值結(jié)果分析

        當(dāng)采用原設(shè)計方案開挖第四級邊坡時,如圖2所示。邊坡開始處于不穩(wěn)定狀態(tài),剪應(yīng)變最大值產(chǎn)生于坡體前部,且有向坡體內(nèi)部發(fā)展的趨勢。隨著第五級邊坡的開挖,其剪應(yīng)變最大值已經(jīng)出現(xiàn)在上部坡體。同時隨著隧道開挖,最大剪應(yīng)變大小和范圍還有一定程度的增加。

        圖2 原方案開挖第四級邊坡后最大剪應(yīng)變

        當(dāng)仰坡開挖時,最大剪應(yīng)變值較小,也沒有出現(xiàn)潛在的貫通滑移面。而隨著隧道開挖2m后,如圖3所示、剪應(yīng)變值驟增,同時剪應(yīng)變較大值的范圍也在增加。當(dāng)隧道開挖10m后,出現(xiàn)明顯的貫通面,剪應(yīng)變最大值加劇,說明坡體已經(jīng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

        圖3 原方案隧道掘進(jìn)2m后最大剪應(yīng)變

        3 方案優(yōu)化

        為解決開挖坡度過大的問題,采用了左右洞邊坡分層開挖防護(hù),總共分為6級臺階,每層臺階高度為8m,坡度為1:0.75。同時邊仰坡采用導(dǎo)管注漿,鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)以及噴射厚為10cm的混凝土進(jìn)行防護(hù)。采取優(yōu)化后的方案,如圖4所示。邊坡未出現(xiàn)剪應(yīng)變突變,隧道掘進(jìn)中,剪應(yīng)變增加較為緩慢,坡體仍處于安全狀態(tài)。

        圖4 優(yōu)化后方案隧道掘進(jìn)10m后最大剪應(yīng)變

        4 對比分析

        對比兩種邊、仰坡開挖施工方案的最大剪應(yīng)變(如圖5、6所示)。根據(jù)原設(shè)計方案,第三級開挖邊坡時,最大剪應(yīng)變?yōu)?.57e-3,第六級開挖邊坡時,最大剪應(yīng)變達(dá)到了6.70e-3。采用優(yōu)化后的開挖方案,第六級邊坡開挖時,比原方案最大剪應(yīng)變值減少了40.2%。同時由兩種方案下最大剪應(yīng)變增長趨勢可以看出:邊坡穩(wěn)定性主要受邊坡開挖影響,隧道掘進(jìn)影響不大。

        圖5 不同開挖方案邊坡最大剪應(yīng)變對比

        圖6 不同開挖方案仰坡最大剪應(yīng)變對比

        根據(jù)原設(shè)計方案進(jìn)行仰坡開挖時,仰坡的初始剪應(yīng)變值約為1.73e-3。隧道僅開挖2m時,剪應(yīng)變值驟增,隧道開挖20m后,剪應(yīng)變值為5e-3。采用優(yōu)化后的方案進(jìn)行仰坡開挖時,在仰坡開挖和隧道掘進(jìn)過程中仰坡的最大剪應(yīng)變值都減小,隧道掘進(jìn)20m后,最大剪應(yīng)變僅為4.22e-3。同時也可以看出:仰坡穩(wěn)定性主要受隧道掘進(jìn)影響,仰坡開挖影響不大。

        為了進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計方案的合理性,利用有限元強(qiáng)度折減法分別計算了兩種施工方案情況下的安全系數(shù)(如圖7所示)。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330-2013),選取1.30為邊、仰坡穩(wěn)定安全系數(shù)臨界值,由此反映了優(yōu)化后的方案確實(shí)能較好的改善其隧道洞口施工。

        5 工程應(yīng)用及現(xiàn)場監(jiān)測

        實(shí)際工程中采用了優(yōu)化后的開挖方案,對隧道右洞洞內(nèi)拱頂沉降以及周邊收斂做了現(xiàn)場監(jiān)測(如圖8、9所示)。

        圖7 不同開挖方案安全系數(shù)對比

        圖8 右洞斷面拱頂沉降

        圖9 右洞周邊收斂

        由圖可知,拱頂沉降位移和周邊收斂在斷面剛開挖后增加速率最大,然后隨著隧道時間推移,增加速率逐漸變緩,最終達(dá)到基本穩(wěn)定。右洞距洞口5m斷面拱頂沉降最大值為12.37mm,周邊收斂最大值為29.76mm;右洞距洞口10m斷面拱頂沉降最大值16.45mm,周邊收斂最大值28.05mm,未超過Ⅳ、Ⅴ級圍巖位移三級警戒線40mm,因此均處于安全范圍內(nèi)。

        6 結(jié)論

        通過對香山隧道洞口在原設(shè)計開挖方案下邊、仰坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析,得到了隧道洞口邊、仰坡開挖和隧道掘進(jìn)過程中的最大剪應(yīng)變變化趨勢,驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性,為同類型隧道采取合理有效的進(jìn)洞施工方案提供了技術(shù)支撐。

        [1]朱合華,李新星,蔡永昌,等.隧道施工中洞口邊仰坡穩(wěn)定性三維有限元分析[J].公路交通科技,2005.

        [2]馮樹仁,豐定祥,葛修潤,等.邊坡穩(wěn)定性的三維極限平衡分析方法及應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報,1999,21(6):657~661.

        [3]張均鋒,丁樺.邊坡穩(wěn)定性分析的三維極限平衡法及應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2005,24(3):365~370.

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