第19卷 第4期 中 国 水 运 Vol.19 No.4 2019年 4月 China Water Transport April 2019 静水压力下隧道开挖对河底滑坡体影响分析 李胜楠，张治国 摘 要：为了分析在静水压力下隧道开挖对河底滑坡体的影响，采用三维有限元数值模拟方法建立了分析模型。研究结果表明：在河底滑坡体中进行隧道开挖将导致滑坡体顶部发生沉降，随着静水压力的增加，滑坡体顶部的沉降值与隧道顶部沉降值均逐渐增加。在隧道施工过程中，建立了相应工况的数值模拟，发现土体应力最大值一般出现在隧道入口处的隧道顶部。研究成果可为河底滑坡体中修建隧道等工程提供一定理论依据，防止滑坡等地质灾害的发生。 关键词：隧道；滑坡体；变形影响；数值模拟 中图分类号：U452 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2019）04-0092-03 随着我国现代化建设的飞速发展，隧道建设逐步向复杂地段延伸，在沿河傍山路段的选线过程中，由于受到山区地形以及线位整体布设的，不可避免地出现隧道纵向穿越滑坡体等病害的情况。比如：隧道纵向穿越河底滑坡体，在静水压力作用下更容易引起隧道塌方，隧道施工容易诱发河底滑坡体滑动失稳等地质灾害，严重影响到隧道施工进度。 目前，众多国内外学者[1-13]主要采用了理论解析法、模型试验法和数值分析法针对坡体病害地段隧道的变形破坏机制及灾害预测和治理方面进行了相关研究，其中，在理论解析方面，张治国等[1]基于滑移线理论推导的隧道开挖对围岩扰动范围公式，结合隧道上部松动岩体的分析，得出隧道正交穿越滑坡体的最小安全下穿距离的解析表达式。可为滑坡地区隧道位置的选择提供一定的理论依据。在模型试验方面，刘泉声等[4]利用物理模型试验模拟研究了重庆市某地铁隧道十字暗挖法隧道掘进开挖，通过自制的钢台架可在模拟试验中顺利地进行有围压环境下进行隧道掘进位移变形监测分析并在模型试验中实现了掘进支护与衬砌变形监测的同步进行。在数值分析方面，楼晓明等[5]采用有限元数值软件ANSYS模拟隧道下穿地表附着建筑物的软弱破碎围岩地带时地面沉降和建筑物、构筑物变形并对比了不同施工作业方法对沉降和变形造成影响的规律。 既有研究表明，针对隧道施工环境下河底滑坡体受力变形进行相关理论研究还不多见，为此本文采用三维有限元数值模拟方法，建立了隧道和河底滑坡体协同作用的有限元模型，分析了在不同静水压力下隧道开挖对滑坡体的影响。研究结果对于预测滑坡等灾害的发生起到了重要的作用。 一、工程概况 1．模型介绍 图1为河底滑坡体几何模型。模型主要由基岩、滑带和滑坡体三部分组成，其底部基岩的几何尺寸为长100m，宽收稿日期：2019-03-01 作者简介：李胜楠（1993-），男，辽宁人，上海理工大学环境与建筑学院硕士生，研究方向为地下结构变形计算理论。 基金项目：国家自然科学基金项目（41772331）；山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室课题（201703）。 60m，高70m，滑带位于基岩之上，宽度为1m，隧道采用三心圆模型，其中R15m，A190，R29m，A225隧道内部衬砌厚度为0.15m，无锚杆加固。滑坡体底部水平基岩的高度为28m，滑坡体的高度为42m，滑带的宽度为1m。静水压力的变化是通过改变河水深度实现，滑坡体底部与基岩的交线l所在的水平面表示河水深度起算点。 60 滑带 70 11，2，冯 驹1 （1.上海理工大学 环境与建筑学院，上海 200093；2.山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266033） 滑坡体 基岩 100 图1 河底滑坡体几何模型 根据几何模型，建立了隧道穿越滑坡体上部的有限元模型，如图2所示。有限元模型中的土体本构模型采用莫尔-库伦本构模型，定义基岩、滑带和滑坡体以及隧道衬砌为各项同性弹性材料，模型中各物理量的的力学参数如表1所示。 图2 隧道穿越滑坡体上方的有限元模型 l 第4期 李胜楠等：静水压力下隧道开挖对河底滑坡体影响分析 93 根据相关工程经验，模型计算范围在水平方向要大于3倍隧道直径，上下边界也要大于3倍隧道直径。取有限元模型的长、宽、高分别为为100、60、70m。模型边界条件采用位移边界，其上下边界固定垂直位移，左右边界固定水平位移。 2．工程地质条件 本文土体本构模型采用莫尔-库伦模型，根据工程经验本模型分为三种土体，分别滑坡体，滑动带，基岩。具体土体参数如表1所示。根据工程经验确定如下土体参数：土体重度（γ）、弹性模量（E）、泊松比（ν）、粘聚力（c）、摩擦角（φ）。 表1 土层分布及物理力学参数 岩性 弹性模量 重度 粘聚力 /MPa /kN/m3 泊松比 /kPa 内摩擦角/Deg 滑坡体 40 23.5 0.35 30 19 滑动带 50 23.5 0.35 30 19 基岩 70 26.4 0.26 6000 42 衬砌 90 25 0.24 500 38 3．工况设置 本工程为隧道穿越河底滑坡体，为了研究静水压力以及隧道开挖位置不同对滑坡体的影响，假定滑坡体、滑动带和基岩左右对称，隧道中轴线处于模型对称面上，根据隧道周围的地质条件，将隧道分为四段进行施工，且施工工况相同，具体施工工况设置如下： 工况1：激活土体，平衡初始地应力，位移清零； 工况2：激活土体，位移清零； 工况3：开挖第一段隧道，并安装衬砌； 工况4：开挖第二段隧道，并安装衬砌； 工况5：开挖第三段隧道，并安装衬砌； 工况6：开挖第四段隧道，并安装衬砌。 二、数值模拟结果分析 建立的有限元模型表示隧道从滑坡体的上部穿越，并且在隧道穿越滑坡体时又分别考虑水深30米和10米的情况。因此可以分析静水压力的变化对滑坡体的影响。通过控制变量法，绘制了滑坡体顶部沉降图、沿着隧道轴向隧道顶部的沉降图以隧道周围土体应力图。 1． 滑坡体顶部沉降值 滑坡体顶部在不同工况下的沉降值如图3所示。图3中的第一步表示隧道第一段施工完成后滑坡顶部沉降值；第二步表示隧道第二段施工完成滑坡顶部沉降值；第三步表示隧道第三段施工完成滑坡顶部沉降值；第四步表示隧道第四段施工完成滑坡顶部沉降值； 图3表示在不同静水压力影响下，隧道穿越滑坡体的施工过程中，随着隧道开挖的进行，滑坡体顶部的沉降值逐渐增大。当隧道位置确定时，静水压力的变化，对滑坡体顶部的沉降值仍有较大的影响，对比（a）与（b）可知，若河水水深由30m下降到10m，则滑坡体上部的水压减小，滑坡体顶部的沉降值急剧减小，由25.95mm减小到13.19mm。 水平距离 /m水平距离 /m0-30-20-1001020300-30-20-100102030mmm/-5 m-5值/ 降-10值沉降-10部-15沉顶 第一步部-15体-20 第二步顶 第一步坡 第三步体-20 第二步滑-25坡滑-25 第三步 第四步-30-30 第四步 （a）隧道穿越滑坡体上部 （b）隧道穿越滑坡体上部 （水深30m） （水深10m） 图3 滑坡体顶部沉降值 2．沿着隧道轴向隧道顶部沉降值 我们以隧道顶部轴向与土体平面相交处作为隧道轴向的起点。隧道穿越滑坡体总长度约46m；隧道在滑坡体上部施工过程中隧道顶部沉降值如图4所示， 隧道轴向距离 /m隧道轴向距离 /m001020304050001020304050m-10-10mm/ -20值m/-20 降-30值沉部-40降-30顶 第一步沉-40 第一步-50道 第二步部 第二步隧 第三步顶-50-60道 第三步 第四步-60-70隧 第四步-70 （a）隧道穿越滑坡体上部 （b）隧道穿越滑坡体上部 （水深30m） （水深10m） 图4 沿着隧道轴向隧道顶部沉降值 图4表示在隧道施工过程中，沿着隧道轴向隧道顶部的沉降曲线。从图可以看出，隧道在第一段施工处隧道顶部沉降值较大，随着隧道施工的进行，隧道施工处顶部的沉降值减小，当隧道在基岩中进行施工时，隧道顶部沉降非常小。 图（a）、（b）表示隧道从滑坡体上部穿越，河水深度分别为30m和10m时隧道顶部沉降曲线。若河水水深由30m下降到10m，则滑坡体上部的水压减小，滑坡体顶部的沉降值急剧减小，沿着隧道轴向隧道顶部沉降最大值由68.13mm减小到28.43mm，并且，在隧道轴向10m处沉降曲线有一个反弯点，这是因为此时隧道埋深相对较浅，且10m处恰好是隧道施工第一阶段与第二阶段的交界处。 3．滑坡体的应力 （a）隧道穿越滑坡体上部（水深30m） （b）隧道穿越滑坡体上部（水深10m） 图5 滑坡体应力云图 94 中 国 水 运 第19卷 图5表示隧道施工结束后滑坡体的应力云图。如图所示。隧道入口处的土体应力最大，由于隧道洞口处岩性往往较差，多为风化岩体或第四纪土层，易受河水侵蚀，隧道洞口滑坡是隧道施工常见的地质灾害。当河水深度为30m且隧道从滑坡体下部基岩穿越时，隧道入口处土体应力最大，总应力为465.73kPa。 三、结论 本文通过三维有限元软件模拟了在静水压力作用下隧道开挖对河底滑坡体影响分析。得到以下主要结论： （1）河底滑坡体中进行隧道开挖将导致滑坡体顶部发生沉降。静水压力越大，滑坡体顶部的沉降值越大。隧道施工进入基岩之后，滑坡体顶部沉降值基本保持不变。 （2）随着隧道施工的进行，滑坡体中隧道顶部沉降值较大，当隧道在基岩中进行施工时，隧道顶部沉降非常小。这是由于滑坡体土质稳定性较差，隧道的施工过程会对周围土体产生较大扰动。 （3）隧道入口处的土体应力最大，但隧道洞口处的岩性往往较差，必要时需要采取相应的措施对隧道入口处进行处理。 参考文献 [1] 张治国，徐晓洋，姜蕴娟等.隧道正交穿越滑坡体的安全距离及稳定性分析[J].岩土力学，2017，38（11）：3278-3286. 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