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        某淺埋隧道開挖對側邊坡穩(wěn)定性影響分析

        2020-07-20 13:10:26肖金科
        四川建筑 2020年2期
        關鍵詞:坡體安全系數(shù)圍巖

        肖金科

        (西南交通大學土木工程學院,四川成都 610031)

        隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,交通建設也如火如荼的進行中。然而,在交通建設過程中,免不了對生態(tài)的破壞,高速鐵路隧道開挖雖然在地面以下進行,但是其開挖會影響周圍地層的穩(wěn)定性,若處置不恰當,將會造成嚴重的生態(tài)破壞及經(jīng)濟損失,甚至造成人員傷亡。本文基于數(shù)值模擬軟件分析合福(合肥-福州)鐵路某淺埋段的隧道開挖對側邊坡穩(wěn)定性的影響,為相關工程邊坡治理提供參考依據(jù)。

        1 工程背景

        合福鐵路某段為雙向兩車道隧道,單洞設計時速250 km/h,隧道凈寬12.0 m,凈高10.4 m,隧道平均埋深22.5 m。隧道坡體地層為強風化鈣質頁巖,為Ⅳ級圍巖,隧道開挖采用三臺階開挖法。坡體地層情況如表1。

        表1 坡體地層情況

        2 Midas GTS數(shù)值模擬分析

        2.1 模型建立

        數(shù)值模擬軟件采用Midas GTS,地層分布及網(wǎng)格劃分情況如圖1。

        圖1 地層分布及網(wǎng)格劃分

        由于本次模擬只分析隧道斷面開挖對其側邊坡的影響,故可將模型簡化為二維平面應變模型[1]。根據(jù)當坡腳到右端邊界距離為坡高的1.5倍,坡頂?shù)阶蠖诉吔绲木嚯x為坡高的2.5倍,且上下邊界總高不低于2倍坡高時,計算精度最為理想的建議來建立模型邊界[2]。

        隧道開挖采用三臺階分部開挖法,軟件根據(jù)劃分不同部位的網(wǎng)格進行相關施工階段的模擬來實現(xiàn)。隧道開挖流程如圖2。

        圖2 隧道分部開挖流程

        2.2 分析過程

        采用軟件的施工階段模擬隧道開挖過程。采用強度折減法[3-4]計算隧道開挖每一施工步側邊坡安全系數(shù)(計算三組不同網(wǎng)格尺寸的模型)。在進行隧道開挖前,需計算初始地應力場,并對位移清零,以模擬真實巖層應力情況[5]。開挖時,需要進行圍巖應力釋放,以模擬開挖后巖體的自然變形階段,應力分為三個施工部釋放完成。

        3 計算結果分析

        分別計算三組不同網(wǎng)格尺寸的模型的安全系數(shù)(Safety Factor,后面簡稱SF),其中SF1、SF2、SF3模型網(wǎng)格尺寸比例分別為0.5、1.0、1.5。計算結果如表2所示。

        從表2 結果可以看出,隧道開挖會降低側邊坡的安全系數(shù),在圍巖釋放應力的過程中邊坡安全系數(shù)會繼續(xù)降低。

        表2 施工階段坡體安全系數(shù)

        中臺階和下臺階軟噴后,安全系數(shù)會一定程度增大,進一步說明隧道初期支護能為圍巖提供良好的支撐,從而維持圍巖穩(wěn)定。

        下臺階噴射混凝土硬化后,由于隧道形成封閉的支護系統(tǒng),具有較高的強度,從而為圍巖提供良好的支撐,同時由于前期圍巖發(fā)生了部分變形,進行了應力的釋放,邊坡的穩(wěn)定性增加。

        同時可以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格尺寸越小,計算得到的安全系數(shù)越低,所以進行數(shù)值模擬時,應盡量采用較小的網(wǎng)格尺寸,以得到更精確、安全的結果。

        4 結論

        通過數(shù)值模擬結果分析可以得出以下結論:

        (1)隧道開挖會降低側邊坡的安全系數(shù),在圍巖釋放應力的過程中邊坡安全系數(shù)會繼續(xù)降低,因此在隧道開挖時,應對邊坡采取加固措施。

        (2)噴射混凝土后邊坡安全系數(shù)會升高,因此隧道開挖后應盡早支護。

        (3)形成封閉的仰拱后施工,邊坡整體穩(wěn)定性會提升,因此施工時仰拱應盡早封閉成環(huán)。

        (4)數(shù)值模擬網(wǎng)格尺寸會影響計算結果,網(wǎng)格尺寸越小,計算安全系數(shù)越低,因此計算時應盡量采用較小的網(wǎng)格尺寸,以得到較安全的結果。

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