基于FLAC3D的小径距偏压隧道及边坡的力学特性及稳定性分析

陈 行， 田明杰， 周鹏发， 陈文宇

(西南交通大学土木工程学院， 四川成都 610031)

大量实例证实，围岩的受力特性是影响小径距偏压隧道及边坡稳定性的关键性研究问题[1-2]。在小径距偏压受力的条件下，给隧道的安全性和边坡的稳定性带来风险和隐患。

近些年来，国内外学者针对偏压隧道的安全性问题进行了的研究。邱业建等[3]根据虚功率原理推导得到了浅埋偏压隧道围岩压力的极限上限解;雷明锋等[4]对浅埋偏压隧道围岩压力、衬砌结构应力的动态变化规律和分布形式；王海军[5]对偏压隧道的影响因素、施工现状和施工技术进行了总结和展望。

基于强度折减法计算方法，利用FLAC3D有限差分软件，研究小径距偏压隧道安全性及边坡的稳定性，分析隧道围岩和边坡的应力、位移以及剪应变增量的变化特性，从而为相关的设计和施工提供一定的理论依据。

1 工程概况

成兰铁路某高边坡所在的岩堆大致呈扇形展布于斜坡上，该区域不良地质分布广，在自重条件下会引起坡内岩土侧移导致轻微滑坡。该隧道为双线隧道，马蹄形断面，高11.7 m，宽13.92 m。二次衬砌厚度为0.6 m。左隧道距坡面距离为15.1 m，右隧道距坡面距离为23.2 m。

2 计算模型及参数取值

运用有限差分软件FLAC3D建立边坡及隧道的数值计算模型，模型的相关尺寸为:左侧边界高60 m，右侧边界高120 m，底部边界长220 m。根据现场勘测所获取资料确定相关土层的物理参数(表1)。

表1 岩土体物理参数

3 计算结果分析

3.1 应力分析

小径距偏压隧道衬砌及其边坡在重力作用下的水平X方向应力的分布云图见图1。

(a) 边坡水平X方向应力云

(b)隧道水平X方向应力云图1 水平X方向应力云

由图1可知，隧道衬砌的水平X方向应力在量级上要大于边坡的水平X方向的应力。由图1(a)可知，边坡表面的水平X方向应力很小，由于边坡坡顶未受到水平方向的荷载，且边坡坡底收到来自边坡坡面和边坡坡腰的土体的荷载，边坡坡顶的水平X方向应力的低值区范围远大于边坡坡底。同时，由于小径距隧道的存在，使得边坡水平X方向的应力在隧道顶部和拱底位置出现了小范围的突变，即在同一埋深处，越靠近隧道衬砌拱顶和拱底，水平应力越小。由图1(b)可知，小径距偏压隧道中的左侧隧道的水平X方向应力主要集中在拱顶位置，其最大值达到了8.145 MPa,拱底处的水平X方向的应力相对较小，左右侧拱腰的水平X方向的应力最小。与此相比，小径距偏压隧道中的右侧隧道由于其埋深较左侧隧道更深，同时受到来自坡顶传来的土体压力，其水平X方向应力的最大值集中在拱顶和拱底区域，但其拱顶的最大值相对与左侧隧道较小，其最大值为7.764 MPa，右侧隧道左右侧拱腰位置的水平X方向的应力较小。

3.2 位移分析

小径距偏压隧道衬砌及其边坡在重力作用下的水平X方向位移的分布云图见图2。

(a) 边坡水平X方向位移云

(b)隧道水平X方向位移云图2 水平X方向位移云

由图2(a)可知，边坡在重力作用下，由于受到小径距隧道施工和开挖的影响，水平X方向位移最大值出现在小径距隧道的拱顶位置和边坡下坡腰的坡面相互贯通位置范围内。同时，左侧隧道施工和开挖的影响，对边坡水平X方向位移的影响最大，其水平X方向的位移最大值为0.651 m,受到右侧隧道施工和开挖的影响相对较小，但其大于边坡其他部位的水平X方向位移。由图2(b)可知，小径距偏压隧道中的左侧隧道的水平X方向位移最大值集中在左右侧拱腰的上部，其最大值为0.622 m，拱顶和拱底相对较小，左侧拱腰下部的水平X方向位移最小，其值为0.401 m。右侧隧道的水平X方向位移最大值集中在左右侧拱腰的上部，最大值为0.618 m，且其最大值分布的范围大于左侧隧道，拱顶和拱底处的水平X方向位移相对较小。

4 结论

基于强度折减理论，利用有限差分FLAC3D软件，建立了小径距偏压隧道及边坡的数值模型，研究了自重条件下，小径距偏压隧道及其所在边坡应力、位移以及剪应变增量的特征，得出以下结论：

(1)小径距偏压隧道所在边坡坡顶的水平方向应力的低值区范围大于边坡坡底；

(2)小径距偏压隧道中的左侧隧道的水平方向应力主要集中在拱顶位置，拱底处相对较小，左右侧拱腰位置最小。右侧隧道则主要集中在拱顶和拱底区域，左右侧拱腰较小；

(3)水平方向位移最大值出现在小径距隧道的拱顶位置和边坡下坡腰的坡面相互贯通位置范围内。左侧隧道施工和开挖对边坡水平方向位移的影响较大，右侧隧道对边坡的影响相对较小；

(4)左侧隧道的水平方向位移最大值集中在其左右侧拱腰的上部，拱顶和拱底相对较小，左侧拱腰下部最小。右侧隧道则集中在左右侧拱腰的上部，拱顶和拱底处相对较小。

[1] 杜飞. 小净距隧道围岩稳定性数值模拟分析[J]. 四川建筑, 2017(1):78-81.

[2] 郭亮, 李俊才, 张志铖,等. 地质雷达探测偏压隧道围岩松动圈的研究与应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2011(S1):3009-3015.

[3] 邱业建, 彭立敏, 雷明锋. 浅埋偏压隧道围岩压力上限法解析解[J]. 土木工程学报, 2015(6):106-113.

[4] 雷明锋, 彭立敏, 施成华,等. 浅埋偏压隧道衬砌受力特征及破坏机制试验研究[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2013(8): 3316-3325.

[5] 王海军. 偏压隧道施工技术探讨[J]. 建筑知识，2016(1):1-2.

[6] 郑文棠. 基于FLAC3D的强度折减法和点安全系数法对比[J]. 水利与建筑工程学报, 2010(4):54-57.