拱肩覆盖层厚度对偏压隧道稳定影响的数值分析

潘建勤，闫 帅

(中交第二公路工程局有限公司，陕西 西安 710065)

0 引 言

在隧道施工中，形式多样的地质灾害频发，其中隧道洞口滑坡、坍塌是最为常见的灾害[1-7]。因此，边坡安全一直是隧道工程届持续关注的问题。国内外学者对如何寻找偏压隧道边坡加固的优化、施工方案和数值模拟分析进行了一系列的研究，如陈东瑞[8]在边坡治理的设计与施工方面做出研究，提出采用常规施工方法进行边坡加固；王祥秋[9]在动态监测拱顶位移的同时，采用有限元模拟研究隧道边坡稳定性；杨小礼[10]对偏压隧道的施工工序进行了研究；王军[11]在滑坡、泥石流和隧道施工方面，着重分析了边坡潜在滑动带和破坏影响区；吴红刚[12]在边坡稳定性的研究中，阐述了隧道与滑坡的相对空间位置关系是隧道滑坡体系形成的关键因素。

虽然《公路隧道设计细则》(JTG/T D70—2010)给出了各级围岩下隧道拱肩最小覆盖层厚度，为隧道设计与施工提供了有效指导，但不同地质条件下隧道开挖的拱肩覆盖层厚度对边坡的稳定性影响不尽相同。因此，结合工程实际研究其厚度对边坡稳定性影响具有实际应用意义。鉴于此，本文以云南省木头坡隧道为依托，建立二维数值模型，在隧道埋深一定的基础上，以不同拱肩覆盖层厚度为条件，对隧道洞口开挖过程中边坡的位移变形规律进行分析，以期为同类工程建设提供参考。

1 工程概况

本文依托工程为国家高速路网G56杭州—昆明—瑞丽(口岸)高速公路宣威至曲靖段木头坡隧道(图1)。隧道左线起讫桩号为K163+110～K164+105，路线长1 027.986 m(含断链32.986 m)，右线起讫桩号为K163+080～K164+070，路线长1 018.108 m(含断链28.108 m)；洞门形式均为削竹式洞门；隧道左、右幅纵面线型均为2.3‰上坡。隧道净宽约10 m，净高约7 m，进口段围岩等级为Ⅴ级，隧道全段围岩级别及长度见表1。隧道边坡设计按1∶1刷坡，采用直径25 cm、长4.0 m中空注浆锚杆防护。

图1 木头坡隧道现场概况

隧道现场表层土呈浅黄色，主要由碎石土组成，碎石由强风化片岩碎块石组成，大多数呈稍湿、密实状态，碎石粒径较小，极少大于8 cm；土石比例较为均匀，约为3∶2，其中可塑状粉质黏土含量较高。该层厚度变化较为均匀，一般为3.5～7.6 m。基底片岩层呈浅红色，石英、长石、云母为其主要矿物成分。

表1 木头坡隧道围岩长度 m

根据岩石风化程度可分为强风化岩层和弱风化岩层。风化岩石饱和单轴抗压强度为5.22～17.64 MPa，平均值为11.53 MPa；其中强风化岩层为隧道主要通过岩层。隧址地层表层为薄层第四系残坡积层，基底岩层以片岩为主，纵剖面见图2。

图2 木头坡隧道地质剖面

2 数值模拟和参数确定

2.1 材料参数

建模过程中，各土层及材料物理力学参数如表2所示。

表2 材料的物理力学参数

2.2 模型建立

采用Midas-NX有限元软件在实际工程的基础上建立有限元计算模型。模拟分析时，整个模型中土层分为碎石土层、强风化岩层和弱风化岩层。表层碎石土层、强风化及弱风化岩层采用Mohr-coulomb模型，锚杆、初期支护采用elastic模型模拟。考虑到隧道开挖影响范围为洞径的3～5倍，模型建立时选取了大约5倍洞径的计算范围，即整个计算模型高度取60 m、下部宽度取120 m、上部宽度取90 m、边坡倾角为45° 。土体共分为3层，第1层为8 m的碎石土层，第2层为22 m的强风化岩层，第3层为10 m的弱风化岩层。下边界距离隧道底部33 m，上边界取至自由地表，隧道埋深约为20 m。整个模型共有2 607个单元和2 487个节点。模型在进行约束和施加荷载时，结合实际情况，边坡不施加约束，模型左右两面施加水平约束，底面同时施加水平和竖向约束；整个模型仅施加重力荷载。模型网格划分如图3所示。

图3 模型网格划分

3 计算结果及分析

3.1 拱肩覆盖层厚度27 m

拱肩覆盖层厚度27 m的隧道及边坡位移云图如图4所示。从图4(a)中可以看出，隧道上方土体在水平方向上出现向中部“合拢”的趋势，但是位移较小，双向最大水平位移分别为5.14 mm和4.72 mm。图4(b)中，隧道底部最大隆起位移为8.48 mm，最大沉降位移为13.77 mm，满足隧道安全性的要求。此时的边坡稳定安全性系数为1.285，处于较平衡状态。从图4(c)、(d)边坡位移云图中可以看出，边坡底部的水平位移较大，最大达164.1 mm；边坡顶部和底部的竖向位移相对较大，顶部以沉降现象为主，而底部则是以隆起现象为主，顶部至底部之间形成“滑动带”。

图4 拱肩覆盖层厚度27 m隧道及边坡位移云图

3.2 拱肩覆盖层厚度20 m

拱肩覆盖层厚度20 m的隧道及边坡位移云图如图5所示。从图5(a)、(b)中可以看出，随拱肩覆盖层厚度的减小，隧道的水平和竖直方向的位移变化不大，其安全性未受影响；但是，在图5(c)、(d)的水平方向上，位移由坡顶至坡底，呈斜倒“U”形增大，增幅较为显著；图5(d)中，竖直方向上的位移增量相对较小，变化不明显，但此时的边坡稳定安全性系数为1.085，边坡处于极限平衡状态。

图5 拱肩覆盖层厚度20 m隧道及边坡位移云图

3.3 拱肩覆盖层厚度15 m

拱肩覆盖层厚度15 m的隧道及边坡位移云图如图6所示。由图6可知，厚度减小后，边坡稳定安全性系数再次降低，为0.872，边坡破坏情况进一步恶化。从图6(a)、(b)中可以看出，隧道开挖影响范围进一步转移，“滑动带”已经非常接近边坡，相对于图4(a)、(b)，水平和竖向位移显著增大，最大水平位移增大近30倍，最大竖向位移增大近5倍。隧道沉降和隆起已超出可控范围，影响隧道的安全性。从图4(c)、(d)，图5(c)、(d)和图6(c)、(d)的对比中可以看出，随拱肩覆盖层厚度的减小，边坡水平和竖向位移程度更加剧烈，相同位移大小的“滑动带”也逐渐向土体深部延伸，隧道所受影响更加显著，土体破坏范围进一步增大。

3.4 边坡位移总体分析

为分析边坡总体变形规律，由边坡坡顶至坡底选取15个变形点，各点均匀分布，间距为3 m(图7)，得到边坡各点的水平和竖向位移变化见图8、9。

从图8中可以看出，边坡水平变形出现2个“凸”形，第1个“凸”形出现在坡顶至坡底约1/4处，该处左右侧变形量变化率较为接近，差别不明显；第2个“凸”形出现在坡顶至坡底约3/4处，此处左侧变形量变化较为平缓，而右侧，即接近坡底部分时位移减小率明显剧增。

由图9可知，不同覆盖层厚度下的边坡竖向位移在坡顶差别不明显，而在坡底时的差别较大。随着覆盖层厚度的增大，坡体未变形点出现了向坡体中下部偏移的现象。同时，可以看出，坡体变形量均呈现出由坡顶和坡底向坡体中部减小的趋势，坡体中上部表现为下沉，坡体中下部表现为隆起。

图6 拱肩覆盖层厚度15 m隧道及边坡位移云图

图7 变形点分布

图8 不同拱肩覆盖层厚度下的边坡水平位移

图9 不同拱肩覆盖层厚度下的边坡竖向位移

4 结 语

(1)拱肩覆盖层厚度在20～27 m时，隧道的沉降和隆起量及范围较小，不影响正常的隧道使用，而且边坡的稳定性也有一定的保障。

(2)对比拱肩覆盖层厚度分别为15、20、27 m的3种工况点可以看出，随着覆盖层厚度的减少，隧道开挖的影响范围逐渐向边坡转移，且隧道的沉降与隆起也显著增大，变形现象更加明显。

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