14修完隧道开挖对坡体稳定性的影响分析

隧道开挖对坡体稳定性的影响分析摘要：在隧道工程中对隧道开挖时要注意很多问题，如在开挖区周围岩土体的应力重新进行分布，开挖区的应力释放及变形对边坡的稳定性造成影响。隧道开挖过程中隧道开挖对边坡稳定性的影响规律。目前条件下边坡整体趋于稳定，但隧道的开挖会导致边坡稳定性一定程度降低，暴雨工况会导致边坡稳定性显著降低，最后为进一步探讨边坡加固方案提出了建议。关键词隧道开挖坡体稳定性影响分析在任何隧道工程中，边坡问题都是施工部门主要关注的问题，它无论是在施工过程中还是在工程建成后，都从各个方面一直威胁着工程的质量。因此对边坡稳定性的研究，历来是工程技术人员非常关心的课题。而目前运用刚体极限平衡法能够比较容易地处理各种复杂的几何形状和各种类型的边界条件，解决难以用解析法求解的力学问题。因此，它成为解决复杂岩土体力学问题的有力工具。由于隧道工程的开挖，在开挖区周围岩土体的应力重新进行分布，开挖区的变形也还没有趋于稳定，因此必须考虑开挖区的应力释放及变形对边坡的影响。本文主要是围绕某隧道边坡稳定性，在工程地质调查的基础上，进行边坡地质模型概化与试验参数研究，运用刚体极限平衡法对边坡在不同工况下的稳定性进行计算，最终对该隧道边坡稳定性进行综合分析与评价，并为进一步探讨该隧道边坡的加固方案提出了合理建议。1、工程概况该工程是某高速公路隧道之一，隧道上方边坡工程主要为岩质挖方路堑边坡，该边坡岩石力学性质较差。随着隧道的开挖可能导致其上方边坡发生严重变形甚至破坏。因此有必要对其进行系统性的稳定性研究。1．1区域地质背景边坡区内构造形迹以NNE向为主。工程场区位于养长河背斜北西翼，其周边5km范围内没有大的断层出露，岩层产状总体稳定。在桥址周围发育众多不同形态的结构面(包括裂隙面和层面)，这些结构面对桥头边坡稳定性起控制作用。1．2气象与水文地质研究区属潮湿气候温暖区，春早、夏热、秋雨绵绵，冬暖而多雾，无霜期长，气候温暖湿润，雨量充沛。地下水主要为岩溶裂隙水和松散堆积体孔隙水。地下水补给主要靠大气降水，且大多以地表径流的方式向河谷区排泄。2、边坡变形破坏现状目前，边坡岩体受构造、侵蚀、风化、卸荷及人类工程活动影响，局部地段有明显的变形破坏迹象，随着裂隙面规模逐渐扩大，力学特性逐渐开始弱化，并逐步形成裂隙带、软弱层面、层间软弱带。随着隧道施工的进行，坡体将可能由于坡脚的破坏、坡体自重、动水压力及其他荷载共同作用下发生进一步的失稳。3、边坡稳定性分析为了对边坡稳定性进行合理分析与评价，考虑边坡的潜在变形破坏以顺层破坏为主，故选取走向与岩层倾向一致的工程地质剖面，按最不利组合模式，剖面中共有3个代表性潜在滑移体，其位置形态如图1所示。3．1计算参数选择控制性结构面的抗剪强度参数是边坡稳定性计算的关键指标之一，滑动面的剪切强度参数通常依据以下三种数据来确定，即试验数据、极限状态下的反算数据和经验数据。本文根据现场采集代表性结构面样和岩块样，基于室内试验，分析这些样本在天然和饱水状态下的物理力学参数，并确定饱水参数和天然参数之间的相关关系。由于室内试验存在尺度效应和时间效应等问题，其成果往往难以直接应用到工程稳定性评价及治理设计中，所以在本次研究中还开展了反演分析，并参照了现有规程规范给出的经验参数，以及以往的工程经验，最后综合确定了控制性结构面抗剪强度参数取值。3．2稳定性计算与评价根据前期勘察资料与地质模型，可以概化出如图2所示的极限平衡分析计算模型。其中图2a)～图2e)为剖面1中的潜在滑移体，编号分别为1-1，1-2和1—3。由于传递系数法适用于滑面为任意形状的滑体，并可考虑坡体自重、暴雨和地震等荷载及各个滑块不同抗剪强度参数的影响。因此，本文针对两种工况对潜在滑移体稳定性系数进行计算，两种工况如下：工况1：当前天然状态；工况2：坡脚开挖+暴雨+地震工况(最不利工况)。经计算，最终得到稳定性系数计算结果，如表1所示。从表1可以看出，边坡目前条件下整体稳定性较好，同时该边坡在暴雨状态下稳定性较差，需要采取相应的防护措施。分析本文通过对某隧道顺层边坡岩体变形模式分析，并基于刚体极限平衡法计算了不同工况条件下的安全系数，得出如下结论和建议：1)边坡的潜在变形破坏模式有两种：其一是单纯的顺层面向临空面的滑移破坏；其二是部分顺层面、部分剪切岩体的组合破坏。2)通过宏观地质调查和数值计算结果表明：自重荷载作用下，隧道边坡变形相对均匀，变形主要以沉降为主，边坡整体稳定性较好，隧道的开挖会导致边坡稳定性一定程度降低，而暴雨工况会进一步导致边坡稳定性显著降低。基于以上情况，建议消除边坡的临空面，加强边坡的截排水工程以增加边坡稳定。4结束语随着隧道工程的开挖进尺，其对围岩的扰动影响十分强烈。地应力在隧道开挖过程中不断进行调整、转移和应力集中，并且形成次生应力场，岩体中伴随产生卸荷裂隙。岩体中裂隙更为发育，结构面之间相互切割，岩体亦成碎裂块状。由于岩体的自身重力及隧道开挖的卸荷作用，山体沉降失稳，加上结构面的切割作用，岩体松动破碎，裂隙张开，且多处形成切层连通，岩体之间开裂加剧，结构面完全贯通，极易导致隧道山体的开裂。尽管隧道工程开挖后进行了支护结构的施工，但是支护始终滞后于开挖，隧道一旦开挖，围岩的弹塑性变形将在短时间内完成。即使支护完成之后，仍需一定时间的固结、硬化过程，在此过程中，围岩继续变形。工程的原位岩体是有初始应力的，而支护结构逐渐开始受力，并最终参与地层的新的应力平衡。在此期间，大部分构造应力已经释放，释放过程势必引起大范围的岩体位移，隧道开挖不可避免的引起围岩移动，最终促使山体的开裂。支护结构强度的不足，还会引起隧道结构的变形甚至破坏。在隧道施工过程中，务必加强支护，严格控制分台阶开挖的步距，可选用超前小导管与刚架支撑体共同组成支护系统，小导管起到超前管棚和注浆管作用，通过注浆形成加固层，提高围岩的整体性和自稳能力，防止掘进中的过大变形和垮塌。参考文献［1］王思敬，等．地下工程岩体稳定分析［M］．北京:科学出版社，1984［2］朱大勇，钱七虎，周早生，等．复杂形状硐室围岩应力的弹性解析分析［J］．岩石力学与工程学报，1998(4):402-404［3］于学馥，郑颖人，等．地下工程围岩稳定性分析［M］．北京:煤炭工业出版社，1983．［4］陈帅宇，周维垣，杨强，等．二维快速拉格朗日法进行水布亚地下厂房的稳定性分析［J］．岩石力学与工程学报，2003，22(7):1047-1053［5］孙红月，尚岳企，张春生．硐室围岩薄弱区三维数值模拟研究［J］．岩石力学与工程学报，2004，23(13):2192-2196［6］余卫平，耿克勤，汪小刚．某水电站地下厂房硐室群围岩稳定性分析［J］．岩土力学，2004，25(12):1955-1960