短隧道开挖边坡变形有限元建模分析

短隧道开挖边坡变形有限元建模分析

摘要：在短隧道施工过程中，边坡极易失稳破坏。本文基于某隧道的工程实际，分析了影响边坡变形的因素，并采用有限元软件进行了建模分析。分析结果可以用于隧道施工及边坡治理提供重要技术指导。

关键词：隧道洞口边坡；稳定性；midas—gts

作者简介：庄值政，男，1979年出生，学士，高级工程师，项目总工师，主要从事施工管理工作。

中图分类号： u45文献标识码：a 文章编号：

1 引言

在隧道的施工尤其是短隧道施工过程中，开挖必然破坏了其周围岩体的原始应力平衡，围岩将会发生变形。如果围岩应力变化太大或者重新分布很不均匀，很可能会引起像地表沉降、地裂缝、甚至大规模滑移与崩塌这些地表移动与变形。这种变形严重威胁着隧道施工人员的生命和财产安全，也会改变地表自然景观与生态环境，给隧道附近居民生活带来很多不良影响。因此，研究隧道开挖边坡变形特征非常重要，以预测隧道施工对边坡变形的影响，并为隧道开挖施工及边坡治理提供重要指导。

2 工程背景

本文研究的隧道位于涪陵区江东街道菜场村大地沟，出口位于七龙村马脚溪西面的山坡上，隧道距离村村交通便利，出口位于龙泉山庄附近，交通不利，需要修筑便道。隧道穿越山脉为中低山地貌，

隧道最大埋深约60m，进出口地形较缓，植被较发育，以水田和旱地为主。隧道两端均采用削竹式洞门，边坡物质组成为粉砂质泥岩、砂岩。形成的隧道顶仰坡为原地形斜坡。隧道进口位于斜坡中部，隧道轴线与斜坡坡向近似垂直。隧址区地层上部为第四纪残破积层覆盖，下伏基岩为砂岩、灰岩、泥灰岩、钙质岩等，隧道总体稳定性较好。

3隧道开挖边坡变形影响因素分析

3.1 隧道开挖卸荷

由于隧道的开挖，破坏了边坡岩土体相对平衡的应力状态, 使拱顶地表内部初始应力发生重新分布。常导致拱顶地表出现变形开裂,并在薄弱部位形成滑动面,使边坡变的不稳定。隧道开挖后，为隧道上方岩体移动提供了临空面，隧道围岩应力释放，围岩向隧道内移动。另外隧道出口和入口坡脚位置的开挖也大大削弱了边坡的稳定性，改变了坡体的应力状态和地下水的渗流场，在降雨等因素影响下极易发生失稳破坏。

隧道开挖会对边坡稳定性造成影响，然而影响的大小与开挖对边坡扰动的大小有重要关系，然而隧道开挖对边坡扰动的大小与隧道施工方法有密切的关系，所以隧道施工方法也是影响边坡稳定的重要因素。全断面开挖往往会对洞口边坡岩体造成大的扰动，所以对于浅埋隧道，尽量不要采用全断面开挖方法，最好采用小断面开挖方法，并做到每一步都要及时封闭成环，防止由于岩体暴露时间长而过度松弛，出现围岩掉块、坍塌现象发生，以影响到边坡的稳定。

3.2 爆破扰动

岩体在爆破的过程中会产生冲击波和气体，应力波作用于岩体，会使岩体产生初始裂隙或裂纹，从而对岩体造成损伤。而爆破产生的气体，会在裂隙内产生膨胀压力场，这种膨胀压力场和原岩应力共同作用于裂隙，裂隙在这种静压力场的作用下产生二次扩展，使得岩体破坏加剧。由于隧道入口及出口段临空，在爆破荷载的作用下，隧道洞口边坡岩体必然受到扰动，从而影响洞口边坡的稳定性，甚至造成边坡失稳。

3.3 降水渗透

隧道开挖后边坡发生变形，地表常见小裂隙，这也给降雨渗透提供了通道。水会对隧道内的软弱结构面或破碎带进行浸泡，并带走充填物，大大降低了岩体强度。隧道靠边坡一侧，由于边坡受偏压，在雨水渗透力作用下，边坡的抗滑力下降，易造成边坡失稳。

4 数值建模分析

在有限元分析软件中，midas-gts在隧道、边坡等分析中表现出色。它可以很方便的进行施工阶段的应力和渗透等分析。midas/gts 中提供的分析功能主要有静力分析、渗流分析、应力－渗流耦合分析、固结分析、施工阶段分析、动力分析、边坡稳定分析等。为了解隧道开挖后，隧道边坡岩体变形情况，通过gts三维模型分析。整个隧道模拟了图4.1为隧道开挖之前的模型图。

图4.1 隧道开挖前的模型图

图4.2 隧道开挖后岩体位移云图

从图4.2中可以看出，隧道开挖后，地表最大沉降量58mm，变形相对较大，施工中应采用弱爆破，强支护。通过对边坡的稳定性分析计算，得出边坡稳定为1.862，边坡总体上稳定。

图4.3 边坡稳定性系数

5 结论

本文通过对基于某短隧道进行变形影响因素分析及建模分析，得出如下结论：

（1）隧道的开挖，使隧道周围产生松动圈，尤其对隧道出入口附近扰动较大，极易造成边坡失稳破坏

（2）隧道开挖扰动引起坡体出现裂隙，在降雨情况下，由于雨水对岩的软化和润滑作用，边坡稳定性大大降低。

（3）通过数值模拟，得出地表最大沉降量为58mm，坡体位移较大。还可以从位移云图中发现坡体的薄弱部位，以便采取措施治理。参考文献

[1]阳军生，刘宝琛.城市隧道施工引起的地表移动及变形[m].北京：中国铁道出版社，2002

[2]蔚立元.分岔隧道过渡段稳定性研究[j]. 中国公路学

报,2011(01)

[3]马玉岩.两种边坡稳定性分析方法比较研究[j].中国水运，

2010（10）

[4]孙国庆. 浅埋隧道开挖对地层变形影响的数值模拟[j].科技创新导报，2010（36）