隧道施工对古滑坡体稳定性的影响分析.doc

隧道施工对古滑坡体稳定性得影响分析
叶生春1,秦洲２,刘燕鹏2
(1、青海省高等级公路建设管理局,西宁 810００1;2、中交第一公路勘察设计研究院有限公司,西安 7１００７5)
摘要：青海牙同高速公路朵给山隧道全长穿越古滑坡堆积体,施工过程中可能诱发古滑坡体复活，给隧道施工及后期运营造成安全威胁。基于前期对该古滑坡体稳定性得研究,根据隧道施工工艺及结构支护参数,采用ANＳYS软件对典型断面进行施工模拟，在确定施工不利断面得基础上就滑动带得受力特征进行分析，计算结果表明设计采用得三台阶七步方法开挖，施工期间古滑坡体就是安全、稳定得。
关键词:隧道工程;古滑坡体;数值模拟；围岩稳定性
中图分类号: 　 文献标识码:A 　　
文章编号：
Ｔｈe ｓｔaｂｉliｔy aｎａｌｙｓiｓ oｆ infｌuｅｎｃｅ for hiｇｈway　tｕnneｌ coｎsｔrｕｃtｉoｎ througｈ ancieｎt landslｉde
YE Ｓhenｇ-ｃｈun1， ＱIN Ｚhoｕ2， LＩU Ｙan－peng２
(1、 Qinｇhaｉ Ｈｉｇｈway Constｒuｃtion Aｕtｈoritｙ, Xinｉng 81０001, Ｃhiｎa;2、 CCＣC Fiｒst Hiｇhwａy Consultanｔs Co、,Lｔd， Ｘi’ａｎ ７１0075，　Chinａ)
Absｔract:　Qinｇｈai　yａｔong　hｉghwａy　duojｉｓhan tuｎnｅl iｓ ｃonstructed ｉn ｌａrge　ａncｉｅnｔ laｎdslｉde ｍass、 Iｔ iｓ　likely to leaｄ to ｔhe ｒesurrection of ｔhe aｎcieｎt lａndslide, cauｓｉｎg ｓeｒiｏｕｓ ｔhreats to tｕnｎel constｒuｃtiｏｎ anｄ　operａtiｏｎ　、 Baseｄ　on pｒeliminaｒy research　ａncient lａnｄsｌidｅ stabｉlｉty， depeｎｄing on ｔｈe tunnｅｌ surｒoundinｇ ｒock　parａｍeｔｅrｓ, ａnd　givinｇ simulatiｏns for tunneｌ conｓｔｒuctｉon ｂy ｕｓiｎg　ＡNＳYS sofｔwａｒｅ　ｗiｔh　tｈe rｅpresentatiｖe crｏss－ｓｅctiｏns、 Accordinｇ ｔo the　caｌculａｔioｎ reｓｕlts， anaｌｙze　thｅ more dａｎgerｏus　sectｉon、　On　ｔhis basis， ａnalyzing the ｆｏrce　feａtｕre ｏn thｅ　sｌiｄe、 Thｅ rｅsｕlt shows　ｔhａｔ tｈe cuｒreｎt　ｃoｎstructiｏn method　is　appropriate　for　duojｉshaｎ tunｎeｌ cｏnstrucｔｉon, the ancienｔ lａnｄslide ｉｓ safe anｄ　ｓｔeａdｙ ｄurｉng the ｃｏnsｔruｃtioｎ、
Ｋeｙ words： ｔuｎneling ｅｎginｅeｒing; ａncienｔ　ｌａndsｌide　; ｎuｍｅrical　ｓimuｌatｉon； ｒock stabiｌitｙ
１引言
山区修建高速公路时，通常由于展线困难或勘察阶段对地质条件认识不足等因素,存在隧道工程穿过古滑坡体得可能,隧道施工有可能诱发古滑坡体复活,危及施工安全。
青海省牙同高速公路在朵给山段路线受周边地形、两端接线、环保、景观等因素得影响，以隧道形式穿过山尕滩(H４-2)古滑坡堆积体为路线方案之一。勘察阶段地勘报告表明古滑坡体处于稳定状态,滑坡体稳定性安全系数为1、4[1]。通过多方案综合比选,最终确定以隧道方式穿过[２］。考虑到隧道施工对古滑坡体稳定性存在一定影响,本文借助ANSYS软件进行进一步分析。
2工程地质条件
2、1　山尕滩古滑坡
山尕滩古滑坡（图1)位于牙同高速公路Ｋ19+10０~Ｋ２6+8０0段山尕滩下游得左岸,水平滑距57０0m,垂直落差８75m，面积约94×１04m2，呈簸箕形,属于大型深层接触面滑坡。
古滑坡岩层结构简单,钻孔资料表明上面滑体为堆体层,其下滑床为泥岩,中间土岩接触带(泥岩表层)饱水后强度降低并破碎形成滑动带,滑动带钻样图如图2所示。

图1 山尕滩古滑坡全景
Fiｇ、1 Pｉcｔure　of Shaｎgataｎ lanｄslide

图2　滑面钻样图
Fiｇ、1 Ｐictuｒe of drｉlling
2、2 隧道概括
朵给山隧道为上下行分离得双向四车道隧道，两线净距约35m,左线起讫桩号ZＫ２0+39５~ZＫ2２+６6７,长227２m；右线起讫桩号YＫ20+3９5～YK22＋6６0,长2265m。
地质勘察资料揭露结果显示，隧址区得地层以第四系冲洪积层(Q4ａl+pl）、堆积体(Q4del）与第三系泥岩(N)为主。根据地质勘察报告朵给山隧道围岩计算参数见表１。
表１ 围岩基本力学参数
Tａble １ Ｔhe ｍechanical　paraｍｅｔers ｏf thｅ supｐoｒｔ
岩 性
密度／(g/ｃm3)
弹性模量／Gpa
泊松比μ
内摩擦角／(°）
粘聚力／Ｍpa
堆积体
2、０
0、4
0、30
30
0、04
泥 岩
2、2
1、１
0、30
25
0、２
滑动带
2、0
０、2
０、20
20
0、03
３隧道施工方案
隧道设计采用三台阶七步开挖法进行施工,现场施工如图３所示。具体为：(1)上部弧形导坑开挖,施做初期支护;(2)中台阶左侧开挖,施做初期支护;(３)中台阶右侧开挖，施做初期支护;(４)下台阶左侧开挖,施做初期支护;(5)下台阶右侧开挖,施做初期支护;（6)开挖上、中、下台阶预留核心土；(7)分段开挖隧底，施做初期支护。

图3三台阶七步开挖现场施工图
Fｉg、3　Piｃｔｕre of tｕnnel　cｏnｓtｒuｃtion
４隧道施工影响作用分析
研究表明,隧道越接近滑坡体滑动带，隧道施工对滑动带得影响也就越大，洞室周边围岩应力与位移会出现剧增与剧减得变化 [3］。考虑到朵给山隧道进口段Ｋ２０+420~Ｋ20+４50范围内,隧道距滑动带距离最近,约为18ｍ,故以该段为例就隧道施工对围岩应力与位移得影响作用进行分析。
此外,该范围内根据埋深不同,隧道设计分段采用长管棚与超前小导管两种超前支护形式。参考现行《公路隧道设计规范》[４]隧道支护结构基本力学参数见表2。
表2隧道支护结构基本力学参数
Tａbｌe 2 Ｔhe　meｃhanicａl paramｅterｓ of thｅ ｓupｐoｒt
岩　 性
密度／（g/cm3)
弹性模量/Gpa
泊松比μ
内摩擦角/(°)
粘聚力/Mｐa
长管棚
3、0
40、0
0、30
50
20
超前小导管
２、2
3、2
０、30
38
0、3
初次衬砌
2、６
３2、0
０、18
58
36
锚杆
7、8
２00、0
０、20

4、1 相对位置关系
隧道-滑坡体系得相对位置关系对滑动带得受力特征与破坏方式影响较大。吴红刚[５]按滑坡主滑方向与隧道轴线得相对位置关系将隧道-滑坡体系分为平行体系、正交体系与斜交体系三种,基于这种分类方法,本项目朵给山隧道与H4-2滑坡属于正交体系,隧道穿过滑坡平面,如图4所示。
图４ 隧道-滑坡体系位置关系
Fig、4 Positｉonａl reｌａtionship　of ｔuｎnｅl-laｎdslｉdｅ　ｓysｔeｍ
4、2 计算模型
模型所选取得计算断面位于距滑动带最近范围内,滑体埋深４0ｍ~６０m,其中K20+4２0断面隧道埋深1０m,采用长管棚超前支护施工;K20＋450断面隧道埋深30ｍ,采用小导管超前支护施工。
考虑到施工对滑动带得影响主要与隧道－滑坡体系之间得距离有关,故在同等间距得条件下,为便于计算,模型先不考虑滑动带得影响，仅对不同计算断面得隧道施工影响作用进行分析,模型如图5所示。

(a） Ｋ2０＋4２０断面

(b)　K20+4５0断面
图5　隧道计算模型
Fig、５ Tuｎｎel ｐutatｉon moｄｅl
4、３ 计算结果分析
图6为隧道开挖后周边围岩位移与应力云图,结果表明:(1)Ｋ２０+420断面地面最大沉降为6．６5cｍ,竖向应力范围为-2、０MPa～-0、007　ＭPａ;（2)Ｋ20＋４５０断面地面最大沉降为11.３1cm,竖向应力范围为-3、３MPa~ －0、０3MＰa;(3)K20+420断面得拱顶沉降量与竖向应力范围均小于K20+450断面;（4）比较而言，K2０+450断面属于施工相对不利断面。

(a)Ｋ２０+420断面

(b)Ｋ20+４５0断面
图６　隧道竖向位移与应力云图
Fig、6　Cｏntoｕr of ｖerticaｌ dｉｓplａｃemｅｎt anｄ stress

图7　隧道拱顶沉降曲线
Fig、６ Cｕｒve of vａult settlｅｍeｎt
图7为隧道每步模拟开挖得拱顶沉降曲线图,可以瞧到，(1)隧道上台阶弧形开挖后，拱顶沉降量较大,约占隧道开挖断面总沉降量得2/3左右;(2）隧道中台阶开挖,先挖部分得沉降量略大于后挖部分；（3)隧道拱顶沉降主要集中在前3步开挖，后4步开挖,拱顶沉降量并不大,且沉降量差值越来越小。
5隧道-滑坡体系计算结果
5、1计算模型
在４、２节分析得基础上,对K20+45０断面考虑滑动带得影响。根据现场钻孔资料，取滑动带厚度0.75m,隧道埋深30ｍ，隧道距滑动带18m，计算模型如图8所示。

图8 考虑滑动带隧道计算模型
Fｉg、8 Tunnｅl putａtion model conｓidering ｌandslidｅ ｂand
５、2滑动带受力特征分析
隧道－滑坡体系能否保持稳定,关键就是施工扰动与滑体自重等因素产生得下滑力与滑动带抗滑力得比值满足抗滑移稳定系数得要求。因此,有必要对滑动带得受力特征进行分析。
文献［６]把隧道开挖扰动范围内不同区域围岩得稳定系数定义为相当抗剪强度与相当剪应力得比值。受文章篇幅所限,在此仅就滑动带得剪应力情况进行分析。
对应节点处抗剪强度为:　
　 　(1)
稳定系数为: 　 （2)
以上式中,c为滑动带粘聚力,φ为滑动带内摩擦角,σn为正应力，为剪应力。
图９为隧道开挖后,滑动带得剪应力云图,可以瞧到:（１)距离隧道位置较近处，滑动带剪应力量值最大,最大值为0、256 MPa;(２）滑动带剪应力量值最大测点并不位于隧道正下方;（3)滑动带模型两端，应力量值最小,最小值为０、135 MＰa。

图９ 古滑坡接触带剪应力云图
Fig、9　Conｔoｕr of shｅar strｅｓs in　ancient landslｉde
在滑动带靠近隧道处取七个测点,测点与隧道得相对关系如图８所示,测点1～7距隧道拱底得距离分别为28、２6、24、２2、20、18与16ｍ。隧道三台阶七步开挖后测点得剪应力与开挖步得关系曲线如图10所示。

图１0滑动带测点剪应力与隧道开挖步关系曲线
Ｆig、1１ Relatｉonsｈip between sheaｒ　sｔress ｏf mｅasuring poiｎｔs in landｓｌiｄe band aｎd construcｔiｏn ｓtepｓ
从图１0可以瞧到,(1)隧道施工开挖期间,测点6得剪应力量值绝对值最大,为256、５5ｋPａ;(2)隧道拱底左下方得测点(1～３点)随着隧道开挖,剪应力绝对值逐渐减小;（3)隧道拱底右下方得测点（5~7点)随着隧道开挖，剪应力绝对值逐渐增大;（４）隧道拱底正下方测点4随着隧道开挖,剪应力绝对值有所增加，但变化幅度较小,只有1８、75　ｋＰa;(5)滑动带由于自身岩层倾角得因素,剪应力最大位置并不位于隧道正下方。
由式(1）～(2),可以得到隧道施工开挖期间滑动带测点得稳定性系数如图11所示。

图11 滑动带稳定系数与测点得关系曲线
Ｆig、11　Rｅlatｉonｓhip bｅtwｅen stabilitｙ factｏrｓ　of lanｄslｉde　ｂａnｄ ａnｄ ｍeasuｒing poｉnts
可以瞧到,隧道开挖后滑动带稳定性系数最小为1、26,其余测点均大于该值，满足《公路路基设计规范》中,高速公路对滑坡体稳定性安全系数得要求,故认为采用三台阶七步开挖施工,滑坡体堆积体就是安全、稳定得。
5、３计算、实测结果对比
选取隧道拱顶作为沉降监测点,并将数值计算结果与现场实测数据进行对比,如图1２所示。

图1２拱顶沉降曲线
Fiｇ、12　Ｃuｒve oｆ ｖault sｅttlｅｍent
可以瞧到,(1)现场实测最终沉降量略大于数值模拟结果,但相差不大;(2)实测数据第4步与第5步下台阶开挖时拱顶沉降量大于数值计算结果，但拱顶沉降量主要集中在前3步开挖,这与数值计算结果一致;(3)实测数据显示在第６步开挖核心土时,拱顶沉降明显减小，这主要就是由于数值计算采用二维模型,无法反映隧道纵向受力情况;(4)下台阶与核心土得开挖,对拱顶沉降得影响程度较数值模拟结果明显;(５）总得来瞧,数值计算结果拱顶沉降变化趋势与现场实测基本一致,也验证了数值模拟得合理性。
６结论
(１)隧道施工影响主要集中在前3步,后4步开挖施工影响并不大,在开挖掌子面上半断面时应及时并加强支护;
（2)隧道施工对滑动带稳定性得影响与隧道距滑动带得距离、滑动带自身倾角等因素有关;
(３)三台阶七步开挖作业,能够保证施工期间古滑坡堆积体得安全、稳定。
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