抗滑桩对偏压隧道洞口稳定性的影响分析

何 信

(山西省交通科学研究院，山西 太原 030006)

抗滑桩对偏压隧道洞口稳定性的影响分析

何 信

(山西省交通科学研究院，山西 太原 030006)

为研究抗滑桩对偏压隧道稳定性的影响，结合某隧道工程项目，采用FLAC3D软件，分析了不同间距的抗滑桩对隧道稳定性的影响。分析结果表明：施作抗滑桩对限制右线隧道拱顶沉降作用较明显，随着抗滑桩间距增大，左、右线隧道拱顶上方地表纵向沉降值以及拱顶纵向沉降最大值都将增大；最佳抗滑桩间距为2～4 m。分析结果对偏压隧道抗滑桩施工具有指导意义。

浅埋偏压隧道；洞口预加固；稳定性分析；不同工况

0 引言

由于公路选线中地形因素的制约，决定了隧道需要穿越山坡区域，使隧道处于偏压状态。这种偏压地段给隧道进洞施工带来了不利因素，在隧道进洞前需要对隧道的边坡采取合理有效的辅助措施，保证边坡的稳定性。比如开挖前经常会采取挡墙、抗滑桩、锚杆以及地表注浆的辅助施工方法。因此施工方法的合理选择决定了隧道进洞顺利与否，同时也是工程经济和安全考虑的重要因素[1-4]。隧道洞口穿越山体表层、处于浅埋地段时，如果施工操作控制不合理，极易引发隧道坍塌事故[5-9]。基于此，结合某浅埋偏压隧道工程，采用FLAC3D数值计算软件，分析该洞口在不同间距抗滑桩下隧道开挖的稳定性，为该隧道的安全进洞提供了理论支持。

1 模型建立及参数选取

采用三维数值分析软件FLAC3D分析隧道进洞。隧道左洞埋深约3.8～32.5 m，右洞埋深约0.5～43.0 m，隧道衬砌结构为采用C30混凝土的复合式衬砌。模拟隧道开挖方法为CRD工法，同时开挖两侧隧道。由于隧道开挖会对周边边坡产生影响，因此模型的建立需要远大于此影响作用的范围，通常各方向上取隧道跨度的3～5倍距离。本次模型尺寸为95 m×30 m×(21.0～84.1)m，划分网格节点8 334个，单元38 995个，隧道模型如图1所示。分别计算了自然状态下隧道开挖的稳定性和不同间距抗滑桩2种工况下隧道开挖的稳定性。抗滑桩间距主要是指相邻抗滑桩内侧边缘之间的距离，抗滑桩的截面尺寸为1.5 m×2.0 m。土体的本构关系采用Morh-Coulomb模型，围岩力学参数见表1。

表1 围岩力学参数

图1 隧道模型

2 抗滑桩对隧道开挖稳定性的影响

2.1 抗滑桩间距为2 m时

2.1.1 位移场分析

同时开挖2条隧道围岩竖向位移、水平位移分别如图2、图3所示；同时开挖2条隧道衬砌竖向位移、水平位移分别如图4、图5所示。

从图2～5中可以看出，从竖向(z方向)位移来看，抗滑桩间距为2 m时，开挖双线隧道引起的竖向最大位移值为-32.01 mm，并且造成隧道衬砌产生竖向位移，最大为-37.09 mm，同时隧道底部向上凸最大变形值为32.43 mm；从沿水平(x方向)位移来看，隧道由于上方边坡的挤压作用产生较大的水平位移，其中开挖双线隧道围岩最大挤出位移值为-16.91 mm，由此引起的衬砌水平位移最大值为-17.96 mm，并形成较为明显的滑移面。

图2 同时开挖2条隧道围岩竖向位移/m

图3 同时开挖2条隧道围岩水平位移/m

图4 同时开挖2条隧道衬砌竖向位移/m

图5 同时开挖2条隧道衬砌水平位移/m

2.1.2 应力场分析

同时开挖2条隧道衬砌的最小主应力和最大主应力分别如图6、图7所示。

开挖双线隧道时，从图6～7衬砌结构主应力图中可以看出：最大压应力为8.08 MPa，最大拉应力为1.05MPa，由于受到隧道上部坡积体挤压作用，衬砌局部承受较大应力集中。

图6 同时开挖2条隧道衬砌最小主应力/MPa

图7 同时开挖2条隧道衬砌最大主应力/MPa

2.2 抗滑桩间距为4 m时

2.2.1 位移场分析

从竖向位移来看，抗滑桩间距为4 m时，开挖双线隧道引起的竖向最大位移值为-32.96 mm，并且造成隧道衬砌产生竖向位移，最大为-38.05 m，同时隧道底部向上凸最大变形值为37.51 mm；从沿水平位移来看，隧道由于上方边坡的挤压作用产生较大的水平位移，其中开挖双线隧道围岩最大挤出位移值为-16.99 mm，由此引起的衬砌水平位移最大值为-18.03 mm，并形成较为明显的滑移面。

2.2.2 应力场分析

开挖双线隧道时，衬砌结构最大压应力为8.16 MPa，最大拉应力为1.26 MPa，由于受到隧道上部坡积体挤压作用，衬砌局部承受较大应力集中。

2.3 抗滑桩间距为6 m时

2.3.1 位移场分析

从竖向位移来看，抗滑桩间距为6 m时，开挖双线隧道引起的竖向最大位移值为-33.33 mm，并且造成隧道衬砌产生竖向位移，最大为-39.05 m，同时隧道底部向上凸最大变形值为37.04 mm；从沿水平位移来看，隧道由于上方边坡的挤压作用产生较大的水平位移，其中开挖双线隧道围岩最大挤出位移值为-17.27 mm，由此引起的衬砌水平位移最大值为-18.19 mm，并形成较为明显的滑移面。

2.3.2 应力场分析

开挖双线隧道时，衬砌结构最大压应力为8.50 MPa，最大拉应力为1.36 MPa，由于受到隧道上部坡积体挤压作用，衬砌局部承受较大应力集中。

2.4 抗滑桩间距为8 m时

2.4.1 位移场分析

从竖向位移来看，抗滑桩间距为8 m时，开挖双线隧道引起的竖向最大位移值为-35.91 mm，并且造成隧道衬砌产生竖向位移，最大为-42.19 m。同时隧道底部向上凸最大变形值为36.79 mm；从沿水平位移来看，隧道由于上方边坡的挤压作用产生较大的水平位移，其中开挖双线隧道围岩最大挤出位移值为-18.47 mm，由此引起的衬砌水平位移最大值为-19.29 mm，并形成较为明显的滑移面。

2.4.2 应力场分析

开挖双线隧道时，衬砌结构最大压应力为8.93 MPa，最大拉应力为1.95 MPa，由于受到隧道上部坡积体挤压作用，衬砌局部承受较大应力集中。

2.5 不同抗滑桩间距对比分析

不同间距抗滑桩作用下右隧道拱顶上方地表纵向沉降如图8所示，左隧道地表纵向沉降曲线如图9所示。从图8、图9可看出：随着抗滑桩间距增大，左、右线隧道拱顶上方地表纵向沉降值都将增大。其中，不施作抗滑桩时地表沉降最大值分别为-15.47 mm、-14.60 mm，而施作抗滑桩且间距为2 m时地表沉降最大值分别为-9.52 mm、-10.84 mm，使得沉降最大值分别降低了38.5%，25.6%。可见施作挡土墙及抗滑桩能有效地控制隧道洞口段崩塌堆积体堆积、地形偏压、埋深较浅等不利的施工环境，达到“安全进洞”的目的。

图8 右隧道地表纵向沉降曲线

图9 左隧道地表纵向沉降曲线

不同间距抗滑桩作用下左、右线隧道拱顶纵向沉降最大值如图10所示。从图10中可以看出：随着抗滑桩间距增大，左、右线隧道拱顶上方纵向位移最大值都将增大。其中，左线隧道拱顶沉降最大值从-23.0 mm减至-21.4 mm，右线隧道拱顶沉降最大值从-37.9 mm减至-28.8 mm。可见，施作抗滑桩对限制右线隧道拱顶沉降作用较明显，并由图10可看出最佳抗滑桩间距大致为2～4 m。

图10 左、右线隧道拱顶上方纵向沉降

3 结论

采用数值分析软件FLAC3D分析了在施作抗滑桩间距分别为2 m、4 m、6 m、8 m时对隧道开挖稳定性的影响，主要从围岩及衬砌的位移、应力、地表沉降、拱顶沉降及衬砌应力等方面来进行分析。分析结果表明：施作抗滑桩对限制右线隧道拱顶沉降作用较明显，随着抗滑桩间距增大，左、右线隧道拱顶上方地表纵向沉降值以及拱顶纵向沉降最大值都将增大；综合数值计算分析结果认为最佳抗滑桩间距大致为2～4 m。

[1] 邓永杰.浅埋偏压大跨度隧道洞口段进洞技术研究[D].成都：西南交通大学，2013.

[2] 任永胜.地表注浆预加固技术在隧道浅埋破碎带施工中的应用[D].西安：长安大学，2009.

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

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[7] 陈海帆，傅鹤林，周明.浅埋偏压隧道洞口段施工方案的数值模拟与分析[J].企业技术开发(学术版)，2014，33(31):11-14.

[8] 黄欣.浅埋偏压小净距隧道洞口段施工异常分析及处治[J].公路工程，2013，38(4):147-152.[9] 王传智.新安岭浅埋偏压隧道围岩稳定性评价及衬砌技术研究[D].西安：西安科技大学，2013.

(责任编辑 吴鸿霞)

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，工程师，硕士。

10.3969/j.issn.2095-4565.2016.06.008

U45

A

2095-4565(2016)06-0035-04