某浅埋隧道开挖对侧边坡稳定性影响分析

肖金科

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

随着国民经济的发展，交通建设也如火如荼的进行中。然而，在交通建设过程中，免不了对生态的破坏，高速铁路隧道开挖虽然在地面以下进行，但是其开挖会影响周围地层的稳定性，若处置不恰当，将会造成严重的生态破坏及经济损失，甚至造成人员伤亡。本文基于数值模拟软件分析合福(合肥-福州)铁路某浅埋段的隧道开挖对侧边坡稳定性的影响，为相关工程边坡治理提供参考依据。

1 工程背景

合福铁路某段为双向两车道隧道，单洞设计时速250 km/h，隧道净宽12.0 m，净高10.4 m，隧道平均埋深22.5 m。隧道坡体地层为强风化钙质页岩，为Ⅳ级围岩，隧道开挖采用三台阶开挖法。坡体地层情况如表1。

表1 坡体地层情况

2 Midas GTS数值模拟分析

2.1 模型建立

数值模拟软件采用Midas GTS，地层分布及网格划分情况如图1。

图1 地层分布及网格划分

由于本次模拟只分析隧道断面开挖对其侧边坡的影响，故可将模型简化为二维平面应变模型[1]。根据当坡脚到右端边界距离为坡高的1.5倍，坡顶到左端边界的距离为坡高的2.5倍，且上下边界总高不低于2倍坡高时，计算精度最为理想的建议来建立模型边界[2]。

隧道开挖采用三台阶分部开挖法，软件根据划分不同部位的网格进行相关施工阶段的模拟来实现。隧道开挖流程如图2。

图2 隧道分部开挖流程

2.2 分析过程

采用软件的施工阶段模拟隧道开挖过程。采用强度折减法[3-4]计算隧道开挖每一施工步侧边坡安全系数(计算三组不同网格尺寸的模型)。在进行隧道开挖前，需计算初始地应力场，并对位移清零，以模拟真实岩层应力情况[5]。开挖时，需要进行围岩应力释放，以模拟开挖后岩体的自然变形阶段，应力分为三个施工部释放完成。

3 计算结果分析

分别计算三组不同网格尺寸的模型的安全系数(Safety Factor，后面简称SF)，其中SF1、SF2、SF3模型网格尺寸比例分别为0.5、1.0、1.5。计算结果如表2所示。

从表2 结果可以看出，隧道开挖会降低侧边坡的安全系数，在围岩释放应力的过程中边坡安全系数会继续降低。

表2 施工阶段坡体安全系数

中台阶和下台阶软喷后，安全系数会一定程度增大，进一步说明隧道初期支护能为围岩提供良好的支撑，从而维持围岩稳定。

下台阶喷射混凝土硬化后，由于隧道形成封闭的支护系统，具有较高的强度，从而为围岩提供良好的支撑，同时由于前期围岩发生了部分变形，进行了应力的释放，边坡的稳定性增加。

同时可以发现网格尺寸越小，计算得到的安全系数越低，所以进行数值模拟时，应尽量采用较小的网格尺寸，以得到更精确、安全的结果。

4 结论

通过数值模拟结果分析可以得出以下结论：

(1)隧道开挖会降低侧边坡的安全系数，在围岩释放应力的过程中边坡安全系数会继续降低，因此在隧道开挖时，应对边坡采取加固措施。

(2)喷射混凝土后边坡安全系数会升高，因此隧道开挖后应尽早支护。

(3)形成封闭的仰拱后施工，边坡整体稳定性会提升，因此施工时仰拱应尽早封闭成环。

(4)数值模拟网格尺寸会影响计算结果，网格尺寸越小，计算安全系数越低，因此计算时应尽量采用较小的网格尺寸，以得到较安全的结果。