削坡法对地形偏压隧道作用效果分析

侯晶石

（大连市市政设计研究院有限责任公司，辽宁 大连 116000）

1 数值模拟概述

1.1 计算模型选取

考虑到隧道的平面应变特性，该项模拟采用平面应变模型建模。模型采用abaqus 建模，然后转换成FLAC3D 网格模型，并采用FLAC3D 进行分析计算[6-7]。在进行数值计算时，采取如下的计算条件进行模拟：

（1）将隧道围岩考虑成均质、各向同性的连续Mohr-coulomb 本构模型，不考虑沿隧道纵深方向的应变，只考虑隧道的平面应变特性，故该项模拟采用平面应变模型建模，来对隧道围岩进行模拟。

（2）原岩应力为隧道上覆岩体对隧道所产生的压力，忽视其余力学效应所产生的影响。把约束施加在模型的X 方向和模型下边界Z 方向。

（3）所建立的模型在X 方向上的宽度为140 m，Z 方向下部取距离隧道中心25 m 为边界，上部以地形表面为分界线。计算模型如图1～图3 所示。（蓝色部分为片麻岩，绿色部分为碎石土）

图1 初始状态计算模型

图2 削坡5°计算模型

图3 削坡10°计算模型

1.2 计算参数及控制点

数值模拟所需力学计算参数见表1 所列。

表1 FLAC3D 数值模拟材料参数表

图4 为控制点示意图。

图4 控制点示意图

因隧道受到偏压作用，隧道的拱脚和拱肩处易出现应力集中现象，故选取2、4、5、7 作为计算点。为了反映隧道的拱顶变形和收敛变形，故选取1、3、6 作为计算点。

2 不同削坡角度对比分析

回头沟隧道洞口浅埋偏压段隧道周围岩体的级别主要是V 级围岩。现以回头沟隧道工程为依托，选择原始状态、削坡5°、削坡10°后隧道周围的岩体进行数值模拟，通过对三种不同情况的围岩变化规律及应力分布规律进行对比分析，找到与回头沟隧道最匹配的削坡角度。

2.1 围岩变形对比分析

不同削坡角度下的隧道围岩水平方向位移变化云图见图5～图7 所示；不同削坡角度的隧道围岩竖直方向的位移变化云图见图8～图10 所示。其水平方向和竖直方向的位移变化见表2 和表3 所列。

图5 初始状态水平位移变化图

图6 削坡5°水平位移变化图

图7 削坡10°水平位移变化云图

图8 初始状态竖直位移变化图

图9 削坡5°竖直位移变化图

图10 削坡10°竖直位移变化图

表2 不同削坡角度下隧道围岩水平方向位移变化一览表 单位：mm

表3 不同削坡角度下隧道围岩竖直方向位移变化一览表 单位：mm

围岩在不同削坡角度下的水平位移，以及竖直位移变形如图5～图10 所示。从图中可以看出，虽然削坡角度不同，但围岩的位移变化趋势基本相同。最大变形位置均出现在右拱肩处。也就是说，削坡对隧道周围围岩的位移变化趋势影响很小。但是，随着削坡角度的增大，围岩的变形量显著降低。从表2 和表3 可以看出：

（1）以右拱肩为例，削坡5°与削坡前相比，水平位移仅为2.627mm，比之前降低了61%，竖直位移比之前降低了47.87%；削坡10°与削坡前相比，水平位移降低了92%，竖直位移比之前降低了77.3%。

（2）削坡前左、右拱肩位移差为18.621 mm，削坡5°左右拱肩位移差为8.857 mm，比削坡前降低了52.4%；削坡10°左右拱肩位移差为4.536 mm，比削坡前降低了75.6%。

由此可见，削坡法对改善地形偏压隧道偏压所产生的影响是随着削坡角度的增大，偏压减小。

2.2 围岩应力对比分析

不同削坡角度的隧道围岩竖向应力云图见图11～图13 所示。表4 为不同削坡角度下隧道围岩竖向应力一览表。

图11 初始状态竖向应力图

图12 削坡5°竖向应力图

图13 削坡10°竖向应力图

表4 不同削坡角度下隧道围岩竖向应力一览表 单位：kP a

从图11～图13 中可以看出：

由于左侧相比于右侧埋藏深度较高，致使临近隧道左侧有一区域应力较大，随着削坡角度的增大，该区域的范围明显减小。

虽然削坡角度不同，但围岩的应力分布基本相同。由于受到偏压的影响，应力云图表现出明显的不对称性，在隧道的左拱脚处均出现了不同程度的应力集中现象。但是，随着削坡角度的增大，拱脚处的应力集中现象有了明显的缓解。

从表4 可以看出：在削坡之后，拱脚处的应力随着削坡角度的增加而逐渐减小；左、右两侧的压力差逐渐减小；隧道拱顶处的应力逐渐减小。

2.3 围岩塑性区对比分析

不同削坡角度的隧道围岩最终塑性区分布图见图14～图16 所示。

图14 初始状态塑性区分布图

图15 削坡5°塑性区分布图

图16 削坡10°塑性区分布图

从图14～图16 中可以看出，虽然削坡角度不同，但围岩的塑性区变化趋势基本相同。在隧道周围都分布着不同范围的塑性区，除去隧道顶部外，在隧道的左拱脚处可以明显的看到塑性区存在，这主要是由于左拱脚处的应力集中所造成的。但是，随着削坡角度的增大，围岩的塑性区分布范围明显减少。同时，隧道左拱脚处的应力集中现象已经得到了很大的改善，隧道周边塑性区基本呈现出对称性分布。

3 结论

削坡法通过减小隧道地表的坡角，降低埋深较大处的土层厚度，减小隧道的埋深，致使隧道周围应力向着均匀性和对称性的良性方向发展，从而减小偏压所造成的危害[8]。本文通过使用FLAC3D 数值模拟软件，对回头沟隧道采用不同削坡角度时的作用效果进行模拟。通过对模拟数据的分析对比，得出如下结论：

（1）作用效果对比

a. 以右拱肩为例，削坡5°与削坡前相比，水平位移仅为2.627 mm，比之前降低了61%，竖直位移比之前降低了47.87%；削坡10°与削坡前相比，水平位移降低了92%，竖直位移比之前降低了77.3%。

b. 削坡前左、右拱肩位移差为18.621 mm，削坡5°左右拱肩位移差为8.857mm，比削坡前降低了52.4%；削坡10°左右拱肩位移差为4.536 mm，比削坡前降低了75.6%。

（2）削方量对比

a. 削坡5°时，削去断面面积为429.092 2 m2；

b. 削坡10°时，削去断面面积为774.451 5 m2。

（3）当使用削坡法对地形偏压隧道进行处理时，随着削坡角度的不断增加，隧道围岩的形变量渐渐减小，应力集中现象有所缓解，塑性区的区域逐渐减小，偏压所产生的危害越来越小。

（4）削坡5°和削坡10°的作用效果相差较小，而工程量相差一倍。综合考虑经济性以及对环境的影响，对于回头沟隧道来说，采用削坡5°较为合适。