偏压隧道顶部山体稳定性数值分析

席建忠

(陕西省核工业地质调查院，陕西西安 710054)

0 引言

在相应国家“西部大开发”政策的过程中，我国交通现代化建设事业迅猛发展，公路建设取得了举世瞩目的成就。然而由于西部山区面积幅员辽阔，使得公路建设也异常艰难。很多公路需要以隧道的形式贯穿山体，这就引发了一系列地质问题的产生［1-5］。例如，在山坡中开挖隧道，就会破坏山体的稳定性，从而引起隧道受偏压，极易产生隧道塌陷，隧道塌陷又会进一步引起山体垮塌或者滑坡，造成交通中断和人民财产的巨大损失。因此，分析偏压隧道顶部山体的稳定性成为一个新的课题，具有极大的工程意义。

1 工程概况

1.1 地质情况

SHS特长隧道位于陕西鱼洞子乡境内，是十天高速(湖北十堰—甘肃天水)控制性工程。隧道左线长5 431 m，右线长5 434 m。隧道出口位于河流右岸山体斜坡处，地形坡度较陡，坡角40°。隧道穿越5个断层破碎带，岩石强度低，地下水丰富，地质复杂，隧道地质主要为微风化薄层灰岩、微风化千枚岩、微风化厚层灰岩和微风化片岩，裂隙杂乱，岩体呈碎石状松散结构。不良地质占总长度的54%。该隧道自2009年8月15日正式施工，一直是十天高速汉中西段能否按时通车的“咽喉”工程。隧道进口实景图见图1。

1.2 开挖加固措施及原理

在隧道掘进过程中，防止灾害发生的方法是采用超前小导管注浆进行隧道工作面的加固。

超前小导管在小管棚超前支护施工中主要起到锚杆作用、注浆通道作用和棚架作用。本次隧道掘进中的塌方治理，正是这三种原理的综合作用。

小导管与注浆的共同作用能够在拱顶形成一种伞状的超前支护体系，使支护抗力大大增强，可以有效抑制围岩松弛变形。洞内施工情形见图2。

1.3 存在问题

虽然在施工中坚持“管超前、短开挖、严注浆、强支护、快封闭、勤量测”的原则，也采取了一系列施工措施来加固工作面。然而由于SHS隧道所穿越的山体地质情况恶劣，在施工过程中还是不断会发生工作面塌陷的事故。

分析事故原因如下:

1)开挖隧道处于Ⅳ，Ⅴ级围岩交界带，岩体被多组节理分割成碎石状松散结构，节理裂隙间层面光滑。在隧道钻爆开挖扰动影响下，围岩失稳导致塌方。

2)隧道塌方部位距离过沟处较近，围岩埋深很小;而且偏压情况严重。由于地下开挖导致边坡应力场重分布，在边坡和坡脚引起应力集中，大大降低了边坡的稳定性。

3)地下(表)水丰富且隧道开挖使围岩产生应力重分布，形成一定的塑性区，若初期支护不及时或强度不足时，塑性区就会扩大，形成不同方位的贯通裂隙，为地下水流动提供通道。使岩体强度急剧降低，使得塑性区进一步扩大，致使地下水继续发育，二者相互促进，共同导致岩体失稳、塌落。

隧道上部的山体是否存在潜在的滑坡可能性，是否影响山坡上及山坡下的群主生命安全，需要进行分析研究才能确定。

2 数值分析

2.1 数值软件

有限元法已成为求解复杂岩土工程问题的有力工具，本次数值模拟选用大型有限元软件ANSYS来进行。

大多数岩土工程问题，都涉及无限域或半无限域，处理这些问题通常是在有限的区域内进行离散。为了使这些离散不会产生大的误差，必须取足够大的计算范围，并应使假定的外边界条件尽可能地接近真实状态。

2.2 数值模型建立

为使数值模拟过程简单化，在尽量不影响数值模拟结果的前提下，将地层进行一定程度上的简化处理。简化后的岩土物理力学参数见表1。

表1 数值模拟参数

建立的数值模型依据以往的经验，在将模型的模拟范围取为开挖洞径3倍～4倍的基础上，并且计算机性能满足的情况下，尽可能地扩大数值模拟选取范围，来进一步确保分析的正确性。模型的底部采取固端约束，右边的切割面上采取法向约束。建立的数值模型见图3。

2.3 数值分析结果

根据分析偏压隧道顶部山体稳定性的需要，分别选取了X应力、Y应力和剪应力来进行研究。分析结果见图4。

从图4中可以看出，隧道结构受力很不对称，在靠山侧出现最大轴力，而靠山脚一侧出现最大弯矩。隧道顶部成为应力集中区域，容易发生塌陷，在施工中要进一步加强工作面的支护方可保证山体的稳定性，从而避免造成更大的施工事故和社会、经济损失。

3 结语

通过对偏压隧道失稳原因分析和对顶部山体稳定性数值分析得到以下结论:

1)浅埋偏压隧道结构受力不均匀，靠山侧出现最大轴力，而靠山脚一侧出现最大弯矩。若不采取超前支护措施而直接开挖，很容易导致岩体失稳坍塌。

2)有限元数值模拟结果表明，在隧道开挖过程中，进行预加固处理能够最大可能保证开挖掘进工作安全进行。

3)在施工时应该采取信息化施工，勤测量，并将测量数据分析整理，及时反馈指导工程施工。

［1］张 琨，谷拴成，毛巨省，等.隧道塌方治理原理及其应用［J］.煤矿安全，2010(12):61-63.

［2］陈文俊，陈正元.那沙岭隧道塌方原因与处理方案［J］.公路隧道，2010(2):29-31.

［3］鲁荣钢.超浅埋偏压隧道加固前后施工力学分析［J］.岩土工程，2007(1):93-95.

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［5］坪井直道.化学注浆法的实际应用［M］.北京:煤炭工业出版社，1980.