隧道洞口偏压段边坡施工过程及稳定性分析_图文

1、文章编号:100926825(20090820336202隧道洞口偏压段边坡施工过程及稳定性分析收稿日期:2008211220作者简介:杨祥亮(19772,男,工程师,北京市政建设集团有限责任公司第四工程处,北京100055肖荣(19752,男,硕士,工程师,中交第三公路工程局有限公司,北京100011杨祥亮肖荣摘要:采用Midas/GTS 有限元软件对拟建的隧道洞口边坡进行了数值分析,计算结果表明,边坡的应力、位移均较小,均未超过控制标准,不易造成边坡体的破坏;在静力作用下不会发生整体滑动,边坡的安全储备系数可以满足要求拟建隧道洞口区的施工及运营安全。关键词:数值计算,边坡,强度折减中图分类

2、号:U455文献标识码:A目前,为保护自然生态环境,在隧道洞口段设计中常常为避免破坏脆弱的环境,提倡设置隧道明洞结构,认为明洞方案可恢复原始地形地貌,减少地质灾害的发生。在实际工程中,有时会造成许多隧道明洞长度不必要的加长,导致通风与运营费用增加,而且明洞对线形的要求也比较严格,易对行车安全产生不利影响,因此,本文针对一待建隧道的洞口偏压地形段采用明洞方 案的可行性,对其边坡的施工过程及稳定性进行了数值分析,以便为设计决策提供指导。1工程概况及计算模型1.1工程概况拟建隧道全长450m ,隧道出口端右线距洞口5m 25m 区段内侧有一天然高边坡。隧道区出露的地层有第四系亚黏土、角砾、碎石和泥盆

3、系中统的石灰岩;隧道区出露的岩层主要有泥盆系中统棋子桥组石灰岩。区内地下水主要为石灰岩中的裂隙水和岩溶水。裂隙水主要赋存于石灰岩裂隙中,局部基岩裂隙较发育。地震烈度为6度,按7度进行抗震设防。1.2计算方法针对拟建隧道洞口外出现路堑高边坡的地形特征,选用岩土工程有限元分析程序Midas 2GTS 对该断面进行了施工阶段数值仿真分析,为简化计算采用了二维平面应变模型,计算分析了边坡动态开挖的力学性状,并基于有限元强度折减法进行了安全性评价。围岩采用理想弹塑性模型、摩尔库仑强度破坏准则。1.3数值模型尺寸及边界为了真实地仿真边坡开挖过程中的位移、应力变化特征及边坡的稳定状态,建模过程中模拟真实原始

4、地面线,左边界取为距边坡开挖坡脚A 点40m ,水平单向约束;右边界取为距边坡开挖坡脚100m ,水平单向约束;底部边界取为设计路面下40m ,竖直单向约束;上表面为自由坡面的边界,无约束。开挖后的人工边坡为四级边坡,总坡高约为30.5m 。边坡模拟实行动态的施工过程分析,首先模拟原始地形下的应力状态,然后对人工拟开挖的边坡进行应力、应变及稳定性分析。1.4地层的物理力学参数围岩计算参数是在地勘报告与G B 50218294工程岩体分级标准中的级偏差岩体基本质量级别建议参数的基础上,结合现场地质调查情况综合选取,见表1。表1岩体物理力学参数值岩体基本质量级别容重kN/m 3变形模量GPa 泊松

5、比内摩擦角(°粘聚力MPa 23.01.30.35280.22边坡施工过程分析为了在自然斜坡开挖前再现原岩的初始地应力分布状态,在计算模型生成之后,在自重作用下模拟初始地应力场(见图1,由图1可知最大初始主应力值自至上而下逐渐增加,最大主应力约0.85MPa 。由于边坡开挖卸载,导致坡体出现指向临空面的位移,如图2所示的位移最大值出现在边坡坡脚,约为1.4mm ,这个值和经验Comprehensive entering into tunnel construction technology of large section w eak surrounding rock tunnelL

6、 I Xiao 2gangAbstract :Combining with project general situation of large section weak surrounding rock tunnel ,the author discusses the Z iling tunnel s en 2tering into tunnel adopting measures of anchor net spray boundary heading slope protection ,well 2point dewatering ,leading steel pipeline shed

7、 and double side drift method ,results show that this tunnel s entering into tunnel construction receives good effect.K ey w ords :tunnel ,weak surrounding rock ,entering cave ,construction technology633第35卷第8期2009年3月山西建筑SHANXI ARCHITECTUREVol.35No.8Mar.2009理论控制标准对比后确定边坡是安全的 。边坡开挖后的剪应力分布如图3所示, 剪应力形成

8、以坡脚为中心的半圆形分布,第一级边坡坡脚处的最大剪应力约为0.18MPa ,向坡体内逐渐减小;最大剪应力没有超过控制标准,边坡开挖过程安全。3边坡稳定性计算为了进一步定量的评价边坡开挖后的稳定性,下面应用了基于有限元的强度折减法进行边坡稳定性计算 。边坡稳定性分析的有限元强度折减法是通过不断降低边坡岩土抗剪强度参数使其达到极限破坏状态,从而可以直接计算得到边坡的破坏滑动面和强度储备安全系数。图4,图5分别为边坡开挖达到极限破坏状态下的位移失量分布图及最大剪应变分布图,最大剪应变贯通坡脚与坡顶后缘,形成了潜在的滑动破裂面。应用有限元强度折减法计算所得的安全储备系数为2.29。4结语通过对隧道洞口

9、的边坡进行施工过程及稳定性分析后认为,边坡的应力、位移均较小,均未超过控制标准不易造成边坡体的破坏,同时边坡安全系数也较大,与规范规定的最小安全系数相比较大,在静力作用下不会发生整体滑动,边坡的安全储备系数可以满足要求拟建隧道洞口区的施工及运营安全。另外,道路内侧为天然斜坡体,如果采用明洞方案,由于外侧地基承载力要求较高,且偏压式挡土墙对环境的影响不可恢复,故本文建议采用偏压式明洞。鉴于数值计算及相关对比分析,隧道洞口的设计中宜采用边坡方案,在做好边坡外防排水的基础上,坡面采用当地易成活的植被作为绿化,配合三维植草网进行护面。参考文献:1MIDAS Information Technology

10、 Co.Ltd.MIDAS User GuideR .北京:北京迈达斯技术有限公司,2006.2雷金山,苏锋,阳军生.土洞对地铁隧道开挖的影响性状研究J .铁道科学与工程学报,2008,5(2:57263.3李家泉,许文飞.有限元强度折减法在排土场边坡稳定分析中的应用J .矿业快报,2008,24(1:53254.4郑颖人,赵尚毅.岩土工程极限有限元法及其应用J .土木工程学报,2005,38(1:91298.5钱家欢,殷宗泽.土工计算与原理M .第2版.北京:中国水利水电出版社,2000.6冬赵凯,宋琨.某边坡失稳成因分析J .山西建筑,2007,33(10:1522153.The side

11、 slope construction process and stability analysis in tunnel portal eccentric loading sectionYANG Xiang 2liang XIAO R ongAbstract :The numerical analysis of planed tunnel portal side slope was carried out with Midas/GTS finite element software.The calculation result indicated that side slope stress and displacement were litter and not exceed control standard ,which uneasy to make side slope damage and will not integral slipping under static stress function ,the emergency capacity coefficient