隧道洞口边坡变形控制与数值分析

喻 军，刘松玉

（1.浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310032；2.东南大学 交通学院，江苏 南京 210096）

隧道洞口边坡变形控制与数值分析

喻 军1，刘松玉2

（1.浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310032；2.东南大学 交通学院，江苏 南京 210096）

为了保证隧道洞口边坡上建筑物的安全，必须控制边坡变形值，以满足产生的附加应力小于建筑物的允许值.某隧道洞口位于居民区，由于拆迁的不彻底，某居民楼距离隧道边界仅仅3m，所以洞口路堑开挖时要严格控制边坡的变形，保证居民楼正常使用，根据边坡上该建筑物的结构特点和使用年限，确定该边坡允许变形值为15 mm；在采用锚杆、喷混凝土联合钢筋网预加固的前提下，模拟了每步开挖路堑的长度和宽度，得到沿隧道方向每步长度开挖2 m且宽度3 m，边坡变形满足要求，并进行了跟踪监测.此结论可为类似工程的设计、施工提供借鉴和参考.

隧道洞口；边坡；建筑物；变形；数值分析；跟踪监测

边坡变形控制是一世界性难题，岩土工程技术人员尚未很好的解决，因为影响边坡变形的因素很多.边坡变形带来的危害有：一方面因边坡过大变形而失稳，另一方面因边坡变形而危及其上建筑物的正常使用［1］.路堑的开挖促使边坡的应力场和位移场重新调整，直到新的平衡状态，由表及里产生一定的松动区，若不能达到新的平衡，则出现滑坡［2－7］.为了控制某边坡变形，首先要优化路堑开挖方式，使边坡变形最小；同时采取预加固措施，松动区范围的大小跟岩土体力学性质、预加固方式和路堑的开挖方式和进度有关，只有确定松动区的范围后才能准确加固变形边坡的面积和深度［8－12］.某隧道洞口边坡位于峡谷，为冲积土层和强风化岩层，在路堑开挖时边坡容易失稳，导致边坡上建筑物的损害，所以首先从建筑物受力机理方面进行了研究，确定沉降控制要求，然后采用理论分析、数值模拟和现场监测相结合的方法，优化了路堑开挖方式，满足了建筑物沉降控制和施工的要求.

1 建筑物允许差异沉降值

33号楼为一般砖混结构，为1979年建设，使用时间较长，房屋结构存在许多破损.在挡墙围护下边坡稳定，水平位移较小，所以在此仅考虑竖向位移.首先确保房屋的安全，控制边坡的竖向位移，由表1可知，最大许可沉降为60～80 mm；由表2可知，部分砌块开裂，允许沉降为L／500或15 mm；由表3可知［13］，多层房屋侧向位移L／1 000，L＝18 m，取18 mm；再因为房屋结构存在许多破损，所以确定33号楼的差异沉降控制值为15 mm.

表1 建筑物最大许可沉降或差异沉降值Table 1 Allowance maximum or non-uniform settlement of building

表2 构件许可变形Table 2 Allowance deformation of member

表3 构件容许水平变形Table 3 Allowance horizontal deformation of member

2 边坡预加固方式的确定

某隧道进口位于冲沟处，两侧高，中间低，岩性为残积土，强度低，均匀性差，且位于居民区，虽然进行拆迁，仍保留部分房屋，最近的33号楼离隧道开挖线水平距离仅3 m，高程差为18 m.隧道明洞段下台阶开挖时，两侧边坡陡，都接近80°，由于坡顶存在房屋，又不宜刷坡，所以一方面要控制边坡稳定，另一方面要控制坡顶的变形，保证房屋基础变形控制在安全范围内，需采取合理的加固方案和开挖方式，根据以上对建筑物差异沉降允许值的分析和经现场调查，边坡较陡，且离房屋很近，不宜采取抗滑桩加固，可采取锚喷网加固，预加固方式如下.

通过数值计算，发现边坡的潜在滑动面如图1中红线，所以先固定一种加固方式为：喷射混凝土10 cm，强度C20，钢筋网为150×150 mm，锚杆为φ25的螺纹钢，水平和竖向布置为100×100 mm间距，偏离水平线向下15°，锚杆从第一段到第四段为18 m，15 m，12 m，10 m，穿过滑动面，从第二级挡墙开始加固，先加固至地表线，共12 m高，长6 m，地表以下加固4 m，如图1所示，边开挖边加固，直到路堑施工完成.

图1 路堑边坡加固设计图Fig.1 Stretch of reinforced design of cut slope

3 路堑开挖方案及模拟

3.1 模拟施工工况

先固定x，y方向为3 m，分别模拟沿z方向（隧道轴向）一步开挖1 m，2 m，3 m，6 m的施工过程，得到一个最大的开挖长度；然后固定第一步得到的最大长度方向，分别模拟宽度方向每步开挖6 m，3 m，2 m，得到一个最大宽度方向的开挖尺寸，综合两部便得到每步开挖的长度和宽度，计算模型的侧面边界分别受到x轴和z轴的水平约束，模型的下边界受到y方向的位移约束，地表为自由边界，不受约束，房屋简化为均布荷载，为60 k Pa.

开挖模拟过程为：施加边界条件和荷载条件；杀死shell单元和link单元；计算重力下位移场和应力场；激活上部12 m的shell单元和link单元，计算位移场和应力场；沿z轴方向，开挖1 m，激活下面shell单元和link单元，计算位移场和应力场；至开挖完成.

3.2 模型尺寸及岩土体物理力学参数

选用ANSYS软件计算，采用三维模型和摩尔库伦本构关系，由于与边坡相连的明洞段为6 m，所以纵向长度为6 m，左侧边界为从坡脚向左20 m，右侧边界为从坡脚向右50 m，底部边界为坡脚向下20 m，上部边界为地表，房屋用均布荷载代替，x轴为左右方向，y轴为上下方向，z轴为前后方向，如图2所示.

图2 路堑边坡网格图Fig.2 Web drawing of FEM of cut slope

岩性共为三层，第一层为杂填土，第二层为碎石土，第三层为风化变粒岩，采用弹塑性本构模型，锚杆、喷混凝土（包括钢筋网）、挡墙用弹性模型，其中钢筋网用等效折算为混凝土的强度参数，力学参数见表4.

表4 模拟地层和结构力学参数Table 4 Mechanics parameters of simulation strata and structure

钢筋网弹性模量折算给混凝土，计算公式为

式中：E和E0分别为折算后和折算前喷射混凝土的弹性模量；Sg和Sc分别为钢筋网和喷射混凝土的横截面面积；Eg为钢筋网的弹性模量.

3.3 模拟结果分析

根据长度方向模拟结果，当每步开挖3 m时，坡顶沉降增大一倍，超过了房屋变形控制标准，大主应力也增加0.4 MPa，当每步开挖6 m时，坡顶沉降增加三倍，大主应力增加0.5 MPa，所以为了施工和房屋安全起见，沿长度方向每步开挖控制在2 m.

在长度方向每步控制在2 m，模拟宽度方向（垂直隧道轴线）每步开挖6 m，3 m，当每步开挖宽度为6 m时，边坡出现了失稳，所以不合理；当每步开挖宽度为3 m时，发现路堑底部位移为0.01 mm，较开挖6 m时小很多，而且应力和坡顶沉降也较小，坡顶沉降为5.3 mm，小于15 mm.在控制范围内，符合要求.综上所述，优先采用长度方向开挖2 m，宽度方向开挖3 m的施工方案.

4 监测数据分析

为了确保33号楼的安全，对该楼基础进行了跟踪监测，基准点设在离房子较远的稳定区域，用水准仪进行量测.监测点的坐标为YLF1（3，18，1），YLF2（28，18，1），YLF3（3，18，6），YLF4（28，18，11），YLF5（3，18，11）.测点 YLF3布置在前侧墙角靠外挡墙边，测点YLF3-1和测点YLF3是同一个点，由于在监测过程中测点YLF3被破坏，所以又在测点YLF3上布置了测点YLF3-1测点，该点的累计沉降是二者之和，总沉降达6.12 mm；测点YLF1布置在前侧墙角，累计沉降达3.2 mm；测点YLF2布置在前侧墙中间，测点YLF4布置在后侧墙中间，监测过程中都被破坏，没有继续监测；测点YLF5布置在后侧墙角，累计沉降达0.74 mm.其布置见图3.

图3 33号楼监测点布置示意图Fig.3 Stretch of monitoring point configure of building No.33

为了确保挡墙的稳定性，也监测离开挖边界不同水平距离处沉降变化情况，在挡墙上布置了7个监测点，基准点与33号楼相同，用水准仪进行了监测，监测点的坐标为 DQ1（0.5，14，0），DQ2（1.5，14，0），DQ3（1.5，14，3），DQ4（1，14，2），DQ5（1，14，4），DQ6（0.5，14，6），DQ7（1.5，14，6）.监测点 DQ1布置在外挡墙的前侧，累计沉降达14.2 mm，监测点DQ6布置在外挡墙的后侧，累计沉降达12.2 mm，监测点DQ2，监测点DQ3和监测点DQ7布置在内墙墙脚，累计沉降在10.5 mm左右，监测点DQ4和监测点DQ5布置在内外墙中间，监测中被破坏，没有继续监测，其布置见图4.

图4 挡墙监测点布置示意图Fig.4 Stretch of monitoring point configure of retaining wall

从对挡墙和房屋基础监测可以看出，离开挖边界水平距离不同，其沉降不同，随着距离增加，沉降并不是线性增加，而是离开挖边界越近沉降增加的速率越大，前侧从33楼基础的3.2 mm，到内侧挡墙的6.12 mm，10.5 mm，到外墙的14.2 mm；后侧从33楼基础的0.74 mm到外墙的12.2 mm，其包括上下台阶开挖引起的沉降之和.如果仅考虑路堑开挖引起的沉降，则路堑施工从2008年5月到6月和完成边坡加固，房屋基础和挡墙沉降都在5.4 mm，且以后趋于稳定，如图5，6所示.跟数值模拟的结果很接近.施工结束后，未发现挡墙和房屋有任何破坏的现象.

图5 某隧道进口右线33号楼基础沉降随时间变化曲线图Fig.5 Curve between settlement and time of the basis of building No.33 at the right entrance of tunnel

图6 某隧道进口右线挡墙沉降随时间变化曲线图Fig.6 Curve between settlement and time of retaining wall at the right entrance of tunnel

5 结 论

根据33号楼结构和建造年代，对其所承受能力进行了折减，保证楼房的安全，确定该房屋的差异沉降值为15 mm；在路堑边坡允许的变形值和经济允许的情况下，对边坡进行预加固；然后对路堑边坡开挖次序和进尺进行的模拟，得出该隧道洞口路堑开挖方案为：路堑的每一步开挖的长度为2 m，开挖宽度为3 m，符合施工空间的需要和满足进度要求.通过对施工过程进行了跟踪监测，在路堑开挖时，房屋基础沉降为5.4 mm，满足房屋差异沉降控制要求.

本文得到了浙江工业大学校科研基金项目（2011XY0024）的资助.

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Numerical analysis and control of the deformation of the slope at the entrance of tunnel

YU Jun1，LIU Song－yu2
（1.College of Civil Engineering and Architecture，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310032，China；2.College of Transportation，Southeast University，Nanjing 210096，China）

The safety of building on the slope is proved under the premise of the allowance deformation of the slope during cutting at the dense-building area.It is necessary to meet extra stress beyond the allowance of the building to keep the building safe.The entrance of tunnel is located on the resident area and the building is three meters from the tunnel boundary for the halfway removal.In the paper，the permitted value of slope deformation was determined as 15 millimeters considering building structure and its used time.And then pre-reinforced measure of slope was designed under the permission of economy，including anchors and shot concrete and steel net on the surface.At last，excavation length and width of each step of cut was simulated.The result shows that it is feasible to excavate two meters along the length and three meters along the width to meet the need of slope deformation.And the track monitoring was conducted during the construction to meet the requirement.The conclusions can provide the reference for design and construction of similar engineering.

the entrance of tunnel；slope；building；deformation；numerical analysis；following monitoring

TU457.2

A

1006-4303（2012）01-0101-05

2010-10-09

喻 军（1978—），男，湖南邵阳人，讲师，博士，研究方向为隧道及地下工程，E-mail：yujunsunny＠163.com.

（

刘 岩）