２０１２年第１０期 西部探矿工程 ｌ９１ ・隧道与建设工程・ 坡面正交型隧道开挖时洞口边坡变形分析 李光扬 ，蒋再文 （重庆高速公路集团有限公司，重庆４０１１２１） 摘要：隧道洞口段开挖对洞口段边坡的稳定性影响很大，采用ＦＬＡＣ３Ｄ对隧道开挖时洞口边坡的 变形进行数值模拟分析。隧道开挖后对地表沉降影响较大范围为隧道拱顶外侧１倍洞径范围内，而 在３倍洞径范围外几乎没有影响。在纵向方向，越接近隧道洞口其地表沉降越大。后开挖隧道对先 开挖隧道上方地表沉降有较大影响。隧道开挖对隧道拱顶上方边坡影响最大，距离越远其影响越小。 其影响以拱顶为中心对称分布。 关键词：隧道；边坡；变形分析 中图分类号：Ｕ２５文献标识码：Ａ文章编号：１Ｏ０４—５７１６（２０１２）１０一Ｏｌ９１—０４ １大坪隧道地质条件 从而确定各相对独立区域的单元数，隧道单元各方向长 大坪隧道海拔２２９￣３４９ｍ，相对高差达１２０ｍ；主体 度为ｌｍ左右；对于隧道部分，采用ＦＬＡＣ３Ｄ的ｆｉｓｈ语 “坪”状山体海拔３２０￣３４９ｍ，坪内高差仅３０ｍ左右［ 。 言中的循环语句，其单元全部为ｂｒｉｃｋ单元；对于边坡 隧道洞口开挖区域为一仰坡斜坡，为一大的滑坡体，自 部位，采用ｂｒｉｃｋ和ｗｅｄｇｅ单元；其模型初始网格单元 身稳定性差。其坡度２０。～２５。，仰坡总高度１９～４２ｍ， 化后根据对称关系进行映射复制得出模型网格图。 上覆崩坡积土由两洞中线到左侧厚度为２．５～１２．５ｍ人 ２．２模型参数 类活动堆填的人工填土，成份以亚粘土为主，含砂岩块 大坪隧道按城市一级干道设计，为三车道隧道，路 碎石，强风化后的砂岩块碎石岩芯呈散砂状。下伏基岩 面宽度为１２．２５ｍ，内空轮廓宽度为１４．０９ｍ。隧道出口 为侏罗系中统上沙溪庙组砂质泥岩夹薄层砂岩，呈薄一 段为衬砌加强段，开挖宽度为１６．０９ｍ，高度为１１．６７ｍ。 中厚层状。基岩完整度较差，岩体为呈块状镶嵌结构， 进口端左右两洞间距为１６．５ｍ。 岩体裂隙发育，强风化带较厚。岩层走向北北东一南南 模型尺寸确定［２＿引：模型长度为１００ｍ，宽度为１２０ｍ， 西，倾角一般为８。～１１。。表层崩坡积土极易沿基岩面 竖向隧道下取２５ｍ，向上取至地表，其高度范围为２～ 滑动，特别是在雨季，因此，隧道洞口开挖后，边坡稳定 ４０ｍ。边坡坡度与实际地形基本相同，建模时取等距离 性较差，极易出现塌方和滑坡。隧道进口段地质情况如 高度值，其他点的高度值采取线形插值的方式获得。 图１所示。 隧道围岩按弹塑性考虑，选用Ｍｏｈｒ－Ｃｏｌｕｍ屈服准 则。根据地质勘察资料，岩土参数选用２种，表层为崩 坡积土，基岩为砂质泥岩，其力学参数见表１，岩土分层 界线如图１所示。因埋深较浅，计算时仅考虑自重应力 的影响。 计算模型的边界条件：地表面和洞口处为自由面， 隧道纵向边界为Ｘ方向位移约束，隧道两侧方向边界 图１进口段地质情况示意图 ｙ方向位移约束，模型底面为三方向固定位移约束。 ２．３分析方法 ２数值模拟模型 拟选取坡面上测点的ｙ方向（隧道纵向）位移、垂 ２．１ ＦＬＡＣ３Ｄ建模过程 直位移进行分析。ｙ方向测点布置如图２所示，共设８ 根据隧道尺寸和计算要求确定网格单元尺寸范围， 条测线。ｘ方向测点布置以两隧道问为中线起每４ｍ ＊收稿日期：２０１２—０５－２２修回日期：２０１２—０５—２８ 第一作者简介：李光扬（１９８１一），男（汉族），重庆人，工程师，现从事高速公路建设管理工作。 １９２ 西部探矿工程 ２０１２年第１０ 布置一个测点，其范围为两隧道外侧布置一个测点。这 样，Ｘ方向布置１６条测线，边坡表面共布置测点１０８ 个。隧道内测点为拱顶及两拱肩，隧道纵向上测点与逆 坡表面测点垂直，隧道内共布置测点４８个。 表１岩石力学参数 测点 轴坐标 图２测点布置示意图 ３隧道开挖对边坡稳定性影响分析 册一姆逝蜉 ３．１ 隧道开挖对地表沉降的影响分析 （０ 。＿ 喝 图２中测点３所在的横断面的测点的Ｚ方向位移 图３地表沉降曲线（测点３所在横向测线）Ｏ ０ 值如图３所示，其中左洞拱顶Ｘ方向坐标为－－３２，右洞 中心点Ｘ方向坐标为０，其位移值分别为左洞上台阶开 挖４０ｍ和右洞上台阶开挖４０ｍ后的位移值。从图中分 析可知，左洞上台阶开挖时，地表沉降呈现以左洞拱顶 所在的点为中心的中间大两头小的峡谷形分布形式，在 小，洞口段和距离洞口较远地段变化趋势平稳。而在距 左洞拱顶为中心外侧１倍洞径范围内（其测点ｘ轴坐 标为一３２～一１６，隧道开挖宽度１６ｍ）其沉降值变化较 大，而在距拱顶３倍洞径（其测点Ｘ坐标为一３２～１６） 外的沉降值趋于０，在距拱顶ｌ倍洞径至３倍洞径范围 内的沉降值变化趋势平稳。右洞上台阶开挖后其沉降 洞口最近的测点序号为１Ｏ的测点的沉降值大于测点序 号为４２的测点，其测点序号为１Ｏ的测点接近于隧道洞 口，距隧道拱顶距离小，受隧道开挖影响最大，其沉降值 大于埋深较大的测点序号为４２的测点。右洞开挖后， 一其沉降值进一步增大，如测点序号为１０６的沉降值由 ７．２５６ｍｍ变为一８．９６９ｍｍ，增加了２３．６１ ，其他测 点变化率基本相同。 测点ｙ轴 标（ｍ） 值分布规律为：左洞上方边坡表面的沉降值变化较小， 左洞拱顶上方测点的沉降值从一８．０４３ｍｍ变为 ８．９７８ｍｍ，仅增加了１１．６３ ，距离右洞越远其影响 越小；而右洞上方测点的沉降值变化很大，其分布规律 与左洞拱顶上方测点的沉降值的分布规律相似，最大值 围岩右洞拱顶上方测点。左右洞上台阶均开挖后，其地 Ｅ 暑 、一 厦 捉 表沉降曲线以左右洞中轴线为中心对称分布，出现两个 峰值，两个峰值所在位置均为拱顶上方。左洞拱顶上方 图４左洞上方测点Ｚ方向位移 的沉降值略大于右洞拱顶上方的沉降值，相差为 ５．５４ ，这说明先开挖隧道对后开挖隧道的扰动小于后 开挖隧道对先开挖隧道的扰动。 图４为左洞拱顶所在纵断面的边坡表面测点的Ｚ 方向位移值。整体上看，距离隧道洞口越远其沉降值越 综上分析可知，隧道开挖后对地表沉降影响较大范 围为隧道拱顶外侧１倍洞径范围内，而在３倍洞径范围 外几乎没有影响。在纵向方向，越接近隧道洞口其地表 沉降越大。后开挖隧道对先开挖隧道上方地表沉降有 ２０１２年第１Ｏ期 较大影响。 西部探矿工程 １９３ 图２中测点３所在横向测线上个测点ｙ方向位移 值如图７所示。在隧道开挖前即洞口刷坡后，ｙ方向位 ３．２隧道开挖对边坡表面岩土ｙ方向位移影响分析 为了分析隧道开挖对边坡的影响，选取了左洞拱顶 上方测线（其ｘ方向坐标为一３２）、左右洞中轴线（其Ｘ 方向坐标为一１６）和测点３所在的横向测线３条测线上 的数据进行分析。监测数为取左洞上台阶开挖４０ｍ和 右洞上台阶开挖４０ｍ后测线上各测点ｙ方向位移值，各 条测线上的测点ｙ方向位移值如图５、图６和图７所示。 当左洞上台阶开挖４０ｍ（Ｙ轴坐标为２Ｏ～６０）时， 移在临空面中部（ｘ轴坐标一１６）最大。当左洞上台阶 开挖后：ｙ方向位移值越靠近左洞越大，而隧道开挖前 的对称分布；ｙ方向位移最大值为一１１．２４８ｍｍ，该点Ｘ 轴坐标为一２０；相对于隧道未开挖前ｙ方向位移改变 值越靠近左洞越大，最大值出现在ｘ轴坐标为－－２４点， 其改变值为一３．５８２ｍｍ，该点位移左洞右侧上方。当 右洞上台阶开挖后：ｙ方向位移值又呈隧道开挖前对称 左右洞中轴线上方测点ｙ方向位移值在开挖区域变化 较大，未开挖区域变化较小。当右洞上台阶开挖４０ｍ 后，左右洞中轴线上方各测点ｙ方向位移值分布趋势 与左洞上台阶开挖４０ｍ后的分布趋势相同，但是越接 近洞口其增加幅度越大。 测点Ｙ轴坐标（ｍ） 图５左右洞中轴线上方测点ｌ，方向位移 如图６所示，当左洞上台阶开挖４０ｍ后，左洞拱顶 上方测点ｙ方向位移值越靠近洞口其ｙ方向位移值越 大。当右洞上台阶开挖后，左洞拱顶上方各测点ｙ方 向位移值相对于左洞开挖后增加值基本相同，约为 一１．０４５ 一１．７１１ｍｍ。左洞开挖后ｙ方向位移值相 对于隧道开挖前增加值为一１．７７２～一３．７３３ｍｍ。对 比其隧道开挖对左洞拱顶上方测点ｙ方向位移值的改 变幅度可知，隧道开挖对隧道拱顶上方边坡影响最大， 距离越远其影响越小。 测点ｙ轴坐标（ｍ） 图６左洞上方测点ｙ方向位移 分布形态；但相对于左洞开挖后的改变值越靠近右洞越 大，最大值出现在Ｘ坐标为一１２点，其值为 －３．２４７ｍｍ。由以上分析可知，隧道开挖对边坡稳定 性影响较大，其影响以拱顶为中心对称分布。 Ｘ轴坐标（ｍ） ｇ 皇 一 ｄ ．量 图７测点３所在横向测线ｌ，方向位移 ４结论 （１）隧道开挖后对地表沉降影响较大范围为隧道拱 顶外侧１倍洞径范围内，而在３倍洞径范围外几乎没有 影响。在纵向方向，越接近隧道洞口其地表沉降越大。 后开挖隧道对先开挖隧道上方地表沉降有较大影响。 （２）隧道开挖对隧道拱顶上方边坡影响最大，距离 越远其影响越小。其影响以拱顶为中心对称分布。 （３）隧道开挖后为隧道上方岩体移动提供了临空面， 这导致隧道上方岩体向隧道内移动；当隧道埋深较浅时， 地表出现较大沉降；坡体前沿岩土向下沉降同时也向前 滑移，这使其后的岩土体失去支挡而进一步向前滑移。 参考文献： Ｅｌｉ周庆人．重庆大坪隧道进口段滑坡特征及稳定性分析口］． 城市勘测，２００６（２）：７４—７９． Ｅ２］缪荣辉，刘光东，赵德志，曾进群．某隧道进口段边坡三维 弹塑性有限元分析ＥＪ］．地下空间，２００１，２１（５）：４３２—４３５． ［３］徐卫亚，宋晓晨，周维垣．水电站进水口岩石高边坡及坝坡 与洞室相互作用的三维数值分析［Ｊ］．岩石力学与工程学 报，２００４，２３（１６）：２７１２—２７１７． （下转第１９７页） ２０１２年第１０期 药单耗在２．Ｏ～２．３ｋｇ／ｍ３。 西部探矿工程 １９７ （上接第１９３页） Ｔｈｅ Ｓｌｏｐｅ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆＴｕｎｎｅｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｏｐｅｎｉｎｇ ｗｉⅡｌ Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｓｌｏｐｅ Ｓｕｒｆａｃｅ ｆｏｒ Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ＬＩ Ｇｕａｎｇ－ｙｉａｎｇ，ＪＬ￣ＮＧ Ｚａｉ－ｗｅｎｇ （Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ Ｌｔｄ．， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０１１２１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｏｐｅｎｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎ ｈａｄ ｇｒｅａｔ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｉｔｓ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｍａｄｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｌｏｐｅ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ａｔ ｔｕｎｎｅｌ ｏｐｅｎｉｎｇ ｗｈｅｎ ｅｘｃａｖａｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ＦＬＡＣ３Ｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ａｆｔｅｒ ｔｕｎｎｅｌ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｔｈｅ ｗｉｄｅｒ ｒａｎｇｅ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｉｓ ｗｉｔｈｉｎ １ ｔｉｍｅｓ ｃａｖｉｔｙ ｄｉａｍｅｔｅｒ 索 ｏｕｔｓｉｄｅ ｔｕｎｎｅｌ ｖａｕｌｔ，ａｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｈａｒｄｌｙ ａｎｙ ｅｆｆｅｃｔ ｏｕｔｓｉｄｅ ３ ｔｉｍｅｓ ｃａｖｉｔｙ ｄｉａｍｅｔｅｒ．Ｉｎ ｖｅｒｔｉｃａｌ，ｔｈｅ ｃｌｏｓｅｒ ｉｔ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｕｎｎｅｌ ｏｐｅｎｉｎｇ ｔｈｅ ｇｒｅａｔｅｒ ＳＵｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｉｓ．Ｌａｔｅｒ ｔｕｎｎｅ１ ｅｘｅａｖａ— 图５起爆示意图 ｔｉｏｎ ｈａｄ ｇｒｅａｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｅａｒｌｉｅｒ ｔｕｎｎｅｌ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｔｏ ｕｐｐｅｒ ｓｕｒ－ ｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ．Ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｈａｄ ｔｈｅ ｂｉｇｇｅｓｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｕｐｐｅｒ ｓｌｏｐｅ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｖａｕｌｔ，ｔｈｅ ｆａｒｔｈｅｒ ａｗａｙ ｆｒｏｍ ｉｔ ｔｈｅ ｓｍａｌ— 炮孔旁数字为起爆顺序由小至大。 参考文献： ｌｅｒ ｉｔ ｉｍｐａｃｔｅｄ．Ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｌｙ ｔ￣ｉｇ ｔｈｅ ｎｔｕｎｎｅｌ ｖａｕｌｔ ａｓ ａ ｃｅｎｔｅｒ． ［１］张咸恭，王敬思，张倬元，等．中国工程地质学ＥＭ］．北京： 科学技术出版社，２０００． ［２］王玉杰．爆破工程［Ｍ］．武汉：武汉理工大学出版社，２００９． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌ；ｓｌｏｐｅ；ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ （上接第１９０页） ＾ ｌ ＼ ＾ ． 一 ’６０ 缅 ３ — 如 如 ８ ９６０ ・ 譬 图２查干春井子０线高磁ＡＴ异常剖面曲线图 ／‘／ ／／ｌ ． 一 』 ｏ ｃｌ １ｒ 点号 …、、＼ 图３查干春井子Ｏ 线高磁ＡＴ异常剖面曲线图 Ｅ４］阮天键，朱有光．地球化学找矿ＥＭ］．北京：地质出版社， １９８５：２８７． Ｅｓ］谭承泽，郭绍雍．磁法勘探教程ＥＭ］．北京：地质出版社， １９８４：１０７．