连拱隧道施工导致的节理岩质边仰坡失稳分析与处治

第 33卷，第 6期 2 0 0 8年 1 2月 公 路 工 程 Highway Engineering Vo1．33．NO．6 Dec．，2 0 0 8 连拱隧道 施工 文明施工目标施工进度表下载283施工进度表下载施工现场晴雨表下载施工日志模板免费下载 导致的节理岩质边仰坡失稳分析与处治 付黎龙 ，阳军生 ，黄大成 (1．中南大学 土木建筑学院，湖南 长沙 410075； 2．湖南省常吉高速公路建设开发有限公司，湖南 常德 415003) [摘 要]连拱隧道边仰坡开挖范围大、受多次开挖扰动易失稳。针对常吉高速公路清水冲隧道节理岩质边 仰坡，在现场勘察及量测结果分析的基础上，运用离散元软件 UDEC进行稳定性分析。数值模拟结果表明，岩层节 理的发育情况对边仰坡的稳定性影响很大。结合现场量测数据可以看到离散元法能很好的模拟岩质边仰坡失稳 过程，在此基础上提出边仰坡加固措施，为相关工程提供参考。 [关键词]连拱隧道；边坡稳定 ；离散元；数值模拟 [中图分类号]U 457 ．3 [文献标识码】A [文章编号]1002—1205(2008)06—0050—05 The Instability Analysis of Stratofabric Rock Slope Caused by Construction 0f M ulti．arch Tunnel FU Lilong‘，YANG Junsheng ，HUANG Dacheng ’ (1．School of Civil and Architecture，Central South University，Changsha，Hunan 410075，China； 2． Hunan Changji Expressway Construction&Development Company，Changde Hunan 415003，China) [Abstract]The excavation scope of Multi—arch tunnel slope is very-large，which is easy to instabi— lize by several repetitious disturbances．According to the stratofabric rock slope of Qingshuichong Tunnel in Chang—Ji highway in this paper，and basing on site investigation and the analysis of measurement data， the analysis of its stability was used by distinct element software UDEC．The numerical simulation results showed that the development of stratofabric rock impacted on slope stability greatly，and reinforcement measures of slope can be suggested according to the simulation results．This paper can provide reference for the related projects． [Key words]multi—arch tunnel；slope stability；distinct element；numerical simulation 1 引言 由于连拱隧道跨度大 ，且多采用中导洞法 和三 导洞法施工 ，对边仰坡造成多次扰动 ，极易诱发失稳 问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，如湖南省常(德)吉(首)高速公路清水冲隧道 及殿会坪隧道吉首端洞口边仰坡失稳坍塌等。对于 边坡稳定性问题的研究多采用极限平衡法和数值分 析方法，但极限平衡法并没有考虑岩土体内部的应 力应变关系 ，无法分析边坡破坏的发生和发展过程， 无法考虑变形对边坡稳定的影响。目前，数值分析 法主要有快速拉格朗日分析法(FLAC)、有限元法 (FEM)等。如迟世春、寇晓东等 。 应用快速拉格 朗日法对边坡的稳定性进行了分析。郑颖人等 、 李新星等 利用有限元法分析了边坡的稳定性。 但以上两种分析方法仍有不足之处，有限元法还不 能很好地考虑大变形和位移不连续等情况。而快速 拉格朗 日法在这方面虽然有 了很大 的改进 ，可以解 决非线性大变形等问题，但节点的位移是连续的，不 允许单元发生大的滑移、脱离等情况，本质上仍属于 求解连续介质范畴的方法。因此，对于节理裂隙发 育的岩质边坡发生滑塌破坏 的情况 ，采用上述方法 分析并不能很好的反映现场实际情况。 而离散元法(DEM)可用于解决非连续介质大 变形问题，允许块体间发生平动和转动，甚至脱离母 体，在模拟分析由结构面切割的岩质边坡的变形和 破坏过程，相对其他数值计算方 法有其 明显优 [收稿日期]2008一tO一12 [基金项目]湖南省交通科技项目(200436) 【作者简介]付黎龙(1980一)，男，河南郑州人，硕士研究生，从事隧道及地下工程方面研究。 第 6期 付黎龙，等：连拱隧道施工导致的节理岩质边仰坡失稳分析与处治 51 势 。本文以清水冲隧道吉首端洞 El边仰坡为 例 ，在现场量测结果分析的基础上 ，利用离散元方法 进行稳定性分析，提出隧道边仰坡稳定性的加固方 案，并在实际中获得实施。 2 工程概况 清水冲隧道为双向四车道高速公路连拱隧道， 全长 165 m。其 中，常德端洞 口 一k108+332及 k108+453～吉首端洞口围岩级别为V级，围岩为碎 石、强风化板岩，岩体中裂隙很发育，岩体很破碎，呈 碎石状松散结构。k108+332～k108+453围岩级 别为Ⅲ级，围岩主要为弱风化板岩、石英砂岩。岩层 产状 325。 24。；岩体中有三组发育的节理，产状分 别为 5。 81。、130。 61。、21。 61。，中 ～厚层状 ，层 厚 4O～80 cm，层间结合差 ，围岩较破碎 。 2．1 边仰坡失稳情况描述 清水冲隧道中导洞已施工到吉首端，正由吉首 端进洞贯通。2005年 12月 24 13吉首端洞 门前进 方向右洞顶部顺坡状岩层 沿坡 面向下滑动 ，出现大 掉块 ，整个洞顶沿右洞顶部靠右边坡 4～5 m处一光 滑面至左洞左侧边坡绿泥岩带向下和向前坍塌，滑 坡层厚度约为 60～80 cm，整个坍塌面至洞顶截水 天沟外 7—8 In处，滑塌高度约 30 In。滑坡残留面 上可以清晰的看到岩层节理 ，而边坡并未发生滑坡 失稳现象。由于隧道吉首端边仰坡滑塌面积较大， 滑土体产生的压力大大超过 了洞 口支护结构承载能 力，支护结构发生了严重的垮塌，具体的洞口边仰坡 垮塌情况见 图 1。 图1 清水冲隧道吉首端洞口边仰坡坍塌 Figure 1 Slope collapse of Qingshuichong Tunnel in Jishou 2．2 现场监测及勘察 2．2．1 监测数据分析 由于隧道施工是一个动态过程，围岩和衬砌结 构的受力和位移一直在变化。因此，为了随时掌握 围岩及衬砌结构的动态，判断其稳定性，在清水冲隧 道吉首端共布置了六个断面进行监控量测。其中， 吉首端洞口段 k108+450断面地表处布设了 10个 测点 ，具体布置见图 2。 图 2 k108+450断面地 表沉降布点示意图 Figure 2 The sketch map of layout ground settlement points in kl08+450 ； 一 图 3 k108+450断面各测点地表 沉降时间 曲线 Figure 3 Curves of ground settlement of measuring points with time in k108+450 12月 26 13对洞口塌方边缘处进行了复测，得 出k108+450断面各测点累计沉降值，如图4所示。 从图4中可以看出，塌方范围边缘的点沉降量仍较 小 ，从 1 1月 30 13至 l2月 26 13的 Y3、Y4、Y5三点 沉降量分别为0．45、0．36、0．18 mm。 O．00 — 1．00 一 2．00 皿ⅢI{ 世 一3．00 一 4．OO 一 5．O0 测点 Z4 Z3 Z2 Zl ZD Yl Y2 Y3 Y4 Y5 图 4 k108+450断面 各测点累计沉降值 Figure 4 The accumulative settlement of measuring points in k108+450 此外 ，通 过对 k108+452、k108+425、k108+ 400、k108+388、k108+355等五个断面监控量测数 52 公 路 工 程 33卷 据进行分析，可以看到，到 12月20日为止，这五处 断面拱顶沉降和周边收敛值也较小，隧道未出现塌 方预兆。 2．2．2 岩层节理调查 通过现场勘察发现，清水冲隧道轴线走向为 266。，隧道区基岩岩层产状为325。 24。，而吉首端 仰坡面与隧道区基岩岩层走向相同。同时，在吉首 端洞 口右洞边墙部位附近发育一条走 向为 130。 61。节理，该节理上下切割较深 ，穿过多层岩层 ，节 理面呈张性，隧道左洞左侧 2 m左右为板岩与灰白 色变质砂岩的分界 面。在走 向为 40。 61。的节理 和岩石分界面的共同作用下，吉首端洞口洞顶围岩 与两侧围岩独立开来 成为一块巨大的倾斜板块。 洞口开挖后仰坡岩层呈二向自由状态并沿岩层面向 下滑动，导致吉首端洞口仰坡面发生坍塌，属于典型 的岩质边坡平面滑动破坏 。 针对上述现场监测数据及勘察结果进行综合分 析，可以得出清水冲隧道洞口边仰坡滑塌应为受纵 向节理影响而造成的突发性塌方 。 3 数值模拟分析 由于实际岩体中含有大量不同构造产状和特性 的不连续结构面(如层面节理、裂隙软弱夹层、岩脉 和断层破碎带等)，当发生滑塌时产生较大变形。 针对清水冲隧道边仰坡实际情况，采用基于非连续 体模拟的离散元软件 UDEC进行数值模拟。 3．1 计算模型建立 考虑到清水冲隧道是在中导洞进洞施工时间不 长发生塌方，随之边仰坡滑塌，岩体是顺着节理面下 滑，并未向两侧倾斜 ，故沿隧道走向建立二维离散元 模型进行模拟，如图 5所示。考虑到边仰坡滑塌范 围，纵向范围取竖向最大埋深至吉首端路基段。计 算模型的左边界，施加水平方向约束，而模型底部下 边界，施加水平方向和垂直方向约束。计算时在坡 体表面和套拱顶部设置三个监测点，从而观测不同 图 5 二维离散元模型 Figure 5 Two—dimensional distinct element model 位置的垂直方向位移。由于洞内支护结构及套拱起 加固、稳定围岩的作用，故采用实体单元进行模拟。 模型表面覆盖薄层为第四纪土层，下覆围岩为 弱风化板岩、变质砂岩，薄 ～中厚层状，层间结合较 差，主要为Ⅲ级围岩。节理非常发育，主要发育有三 组节理。岩体被切割成块状镶嵌结构，从滑塌破坏 后的情况来看，隧道洞口边仰坡主要为沿着表面顺 层节理发生滑移，故本次模拟中仅考虑 130。／_61。 该组节理。围岩、护坡锚杆及支护结构的计算参数 根据常吉高速公路工程地质勘察报告进行选取，见 表 1及表 2。 表 1 数值分析计算参数 Table 1 The calculating parameter of numerical analysis 材料 密度p／ 块体模量K／剪切模量 c／ 粘结力c／摩擦角 ／ 类型 (kg．InI3) GPa GPa MPa (o) 表 2 软弱结构面计算参数 Table 2 The calculating parameter of weak structural plane 对于系统锚杆加固围岩的作用，考虑到空间效 应，将其考虑到初期支护中；而初期支护中的钢拱 架，仅作为安全贮备，不予考虑。对于梅花形布置的 砂浆锚杆，为防止仰坡岩体在模型中发生失稳垮塌， 要考虑其加固稳定坡体的作用。此外，考虑到喷浆 对仰坡面仅起到护坡作用，对地表以下岩土体材料 属性提高并不大，故本次模拟仅将其作为安全储备， 不予考虑 。 3．2 计算结果分析 计算模拟过程按照实际开挖施工步骤来进行， 先刷坡，再进行中导洞洞开挖，直至边仰坡出现破 坏。破坏后 ，围岩垂直方 向的位移如图 6所示 ，可明 显的看到边仰坡沿一节理面向下滑移 ，图中黄色区 域即为滑裂面。 ~ 7． 0OOE~ - 2． 000E+0 0 ． 图 6 垂直方向位移云图 Figure 6 The map of y-component of displacement ～ ～ 一 一 5 O m O 5 9 5 2 O O O 加 ∞ l 2 7 岩 支 杆 围 初 锚 第 6期 付黎龙，等：连拱隧道施工导致的节理岩质边仰坡失稳分析与处治 53 对 比给出了计算模型的速度矢量 图(见 图 7)。 由图可知，由于岩土体节理发育，进洞超前支护强度 不够，随着中导洞开挖的继续掘进，洞内顶部开始出 现掉块塌落现象，边仰坡明显沿着节理面向下滑移。 而破坏范围之外的岩土体由于岩层问的粘聚力作 用，仍然保持平衡。 【 DE(：fVersi『1n 4 O【l1 LEGEND 7 D 一07 10：30 cycle 66 time=2．853E-04 se velocity vectors maximiam=l 675E-03 U 季DEC(Version 4．00) 一 图8所示为洞口处设置的三个位移监测点随计 算时间在垂直方向的位移变化曲线图，图中横坐标 为计算时间。可以看出，在未进洞前刷坡时位于滑 动体表面的位移监测点 1、2、3都有明显的沉降发 生，且沉降值基本相等。在进行中导洞施工时，监测 点 2、3在垂 直方 向位移 变化不大 ，基本趋 于稳定。 而监测点 1的沉降很明显，到计算时间结束时垂直 方向位移仍没有趋于稳定，有继续增大的趋势。 0 一 O．5 一 l 一 1．5 一 2．5 — 时间，s 0 2 4 6 8 l0 12 图8 监测点在垂直方向位移曲线图 Figure 8 The curves of y-component of displacement on monitoring points 由计算结果结合现场勘察情况分析可知，清水 冲隧道吉首端在中导洞施工时，由于围岩软弱复杂， 进洞施工 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 不合理，对围岩多次扰动。加之前期 边仰坡防护施工不到位，洞内前期超前支护强度不 够，从而导致进洞施工不久，即发生边仰坡坍塌。因 此，对于顺层节理发育围岩进洞施工对边仰坡稳定 性的影响尤其要引起足够重视，以避免引起较大的 事故和损失。此实例可为今后类似的地质条件下确 定合理的进洞施工方案提供工程实践。 4 处治方案 根据清水冲隧道洞口坍塌情况，结合数值模拟 结果，为保证清理坍塌体和下一步开挖的顺利和安 全，对 k108+400～k108+460段支护参数进行调 整，具体措施如下：加大初期支护及二次衬砌的厚 度 ，并对二次衬砌配筋加强；考虑到围岩松动较为严 重，支护承担的围岩压力加大，调整初期支护所采用 工字钢型号，减小其纵向间距；调整 D 25注浆锚杆 及 +22砂浆锚杆的布置间距进行加密，并在 k108+ 410～k108+420段增设单层超前小导管，在 k108+ 420～k108+457增设 双层 超 前小 导管 ；考 虑 95。 81。节理的影响，在 k108+420～k108+457段右 洞右侧增设 5根水平方向的 6 m长小导管，对节理 面进行注浆加固，起抗剪和锚杆的双重作用。在吉 首端洞口坍塌面，清理完后采用锚喷支护进行坡面 防护；在洞顶增设两排长管棚，用来防止坡体进一步 坍塌(见图9，图 10)。 i ⋯ 。 羔 ； ／ 一 一 一 l l {～。j ． ． ＼ =：== ===：：= ：=== ： =：： ／ 图9 吉首端洞顶长管棚加固布置图(单位：in) Figure 9 The map of long pipe roofs reinforcement layout in Jishou 通过对加固后的清水冲隧道吉首端洞口边仰坡 进行监测及现场勘察分析，发现地表沉降速率较小， 累计沉降值已经趋于稳定，表明洞口段边仰坡已经 处于稳定状态，达到了处治的目的，已经满足安全进 洞施工 的要求。 5 结论 针对清水冲隧道吉首端洞口节理岩质边仰坡， 在现场量测结果分析的基础上 ，利用离散元法对其 54 公 路 工 程 33卷 ＼ ＼ ＼ 20MnS 22 210．536 i 砂浆锚杆 丽 上层管棚， ∞ 三 {霉 茎 三 。。 ＼＼ 、一 主 ‘～ ： 二 下层管 目． ,08×1 ．钢管／ 一 ～ 。＼ ＼ 衬砌l预计坍塌面 ＼ 钢管长 - 8m，水平问 距 1 5m 与管棚钢管尾部焊接、 、 ． s4a衬砌 S4b衬砌 $4c衬砌 s2射 砖 衬铒 标 。 冠 In 荨 ! 蓦 答 矗 王 王 呈 衬砌类型 S4a S4b S4e S2a S2a Sl 长度 (m) 10 10 25 9 3 l8 采用暗洞明作施工 法．取消右洞拱顶 90。 辅助施 单层超前 双层超前小导管，右洞拱顶有侧每延 范围锚杆，两侧拱腰 工措施 小导管 米增设5根水平方向6m长小导管 45。范围采用双层小 导管，右洞右侧每延 米增设5根水平方向 6m长小导管 图 1O 吉首端 洞口坍塌 处治 图 Figure 10 The map of the collapse treatment plans in Jishou 进行稳定性分析 ，得出以下结论 ： ① 数值模拟结果表明，中导洞开挖后，由于岩 体节理较为发育，边仰坡加固防护措施施作不到位， 加之洞 内超前支护强度不够，随着开挖的继续掘进 ， 仰坡沿着节理面向下滑移发生滑塌事故。模拟结果 与现场情况较为吻合，表明离散元法适用于模拟节 理岩体失稳过程。 ② 通过对数值模拟计算结果分析，结合现场监 测数据，提出了相应的边仰坡加固方案。后期现场 监测表明 ，加 固措施是有效的 ，洞 口段边仰坡已经稳 定 ，能够保证隧道边仰坡的安全与隧道的正常运营。 ③ 在 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、施工前，要做好隧道区域的地质勘 察工作，详细了解本地区的岩层节理构造，为确定合 理的进洞施工方案及边仰坡加固措施提供依据。 [参考文献] [1] 迟世春，关立军．基于强度折减的拉格朗日差分方法分析土坡 稳定性[J]．岩土工程学报，2004，26(1)：42—46． 高 [2] 寇晓东，周维垣．应用三维快速拉格朗日法进行三峡船闸高边 坡锚固稳定与机理研究[J]．土木工程学报，2002，35(1)：68— 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