大跨径连拱隧道明暗洞体、仰坡及路堑边坡稳定性分析

及路堑边坡稳定性分析

大跨径连拱隧道与槐夏公路近120°斜交，公路常年有重载交通通过，洞口断

面距离公路只有几米。针对隧道洞口整体仰坡和洞口路堑二级公路二级边坡不良

衔接情况，为有效地保护地方二级公路，考虑修建明洞。建立三维明洞施工过程

的有限元模型，对明暗洞体、回填土体仰坡、路堑边坡稳定性进行分析，分析其

变形和受力情况，为施工提供指导。

4.1 模型建立

建立大跨径连拱隧道洞口明暗洞体及围岩模型如图4.1所示。

(a) 等轴侧视图 (b) 坐标轴视图

图4.1 模型及网格剖分图

(1)模型尺寸：模型的宽度100m，中隔墙中心线距离左右两侧边界的距离分别

为50m。模型长35m，其中暗洞长20m，明洞长15m。明洞洞体左右两侧5m处是路

堑边坡，其坡率为1:0.5。

(2)边界条件：大跨径连拱隧道三维模型在沿着隧道走向边界x方向约束，垂

直于隧道走向边界y方向约束，模型底部z方向约束。

(3)地下水：考虑到大跨径连拱隧道地下水渗流溢出的实际情况，暗洞出口处

总水头为25m，明洞进口处总水头为12m。

(4)荷载：为了模拟地面公路重载交通荷载的影响，通过施加43kPa的静荷载

模拟重载交通。

(5)仰坡回填。明洞洞体施工完毕后，分四步对其上部土体回填：

①施工步1：从暗洞洞口处开始回填土体，仰坡坡顶向明洞方向回填1m，坡

角向明洞方向回填4m，以坡率1:0.25进行回填；

②施工步2：在施工步1回填的基础上，仰坡坡顶向明洞方向再回填1m，坡

角向明洞方向回填4m，以坡率1:0.5进行回填；

③施工步3：在施工步2回填的基础上，仰坡坡顶向明洞方向再回填1m，坡

角向明洞方向回填4m，以坡率1:0.7进行回填；④施工步4：在施工步3回填的基础上，仰坡坡顶向明洞方向再回填1m，坡角向明洞方向回填3m到明洞洞口，以坡率1:2.0进行回填。

各施工步模型考虑如图4.2所示。

(a) 初始状态 (b) 明洞施工 (c) 1:0.25仰坡回填

(d) 1:0.5仰坡回填 (c) 1:0.7仰坡回填 (f) 1:2.0仰坡回填

图4.2 各施工阶段与模型网格剖分图

4.2 计算参数选取

根据隧道工程地质勘查和现场试验工作，数值模拟分析所采用的物理力学计算参数如下表4.1所列。

表4.1 岩体与支护材料物理力学参数指标

隧道岩体 γ(kN/m3)E(MPa) μC (kPa) Ф° Rt(kPa)

微风化岩层 25.0 700 0.30 350 40 550

强风化岩层 20.0 100 0.31 100 25 150

填土材料 19.0 45 0.33 40 20 20

支护材料 γ(kN/m3) E(MPa) μ2R(m) H B 衬砌 22.0 28500 0.2 -- 0.3 1

二衬 25.0 28500 0.2 -- 0.6 1

4.3 施工阶段数值模拟与结果分析

4.3.1 位移结果分析

图4.3为连拱隧道明洞施工和仰坡回填过程中的水平X方向变形等值线云图。在明洞施工和仰坡回填之前，位移清零。水平X方向为垂直隧道走向方向，水平Y 方向为隧道走向，Z方向为竖直方向。

(a)1:0.25仰坡回填后 (b)1:0.5仰坡回填 (c)1:0.7仰坡回填 (d)1:2.0仰坡回填

图4.3水平X方向变形等值线云图

明洞施工和仰坡回填过程中，岩体的水平位移较小，水平X方向位移主要出

现在左右明洞和路堑边坡之间的回填土上，呈V 字型分布。与路堑边坡交界处的回填土出现向明洞方向的位移，明洞外侧顶部回填土出现向路堑边坡方向的位移。1:2.0仰坡回填后，与路堑边坡交界处的回填土向明洞方向产生的最大水平位移为3.2mm，明洞外侧顶部回填土向路堑边坡方向的位移最大为3.3mm。

图4.4为各施工阶段水平Y 方向变形等值线云图。明洞施工后，最大水平Y 方向位移出现在暗洞仰坡顶，仰坡顶部左右侧最大水平Y 方向位移分别为 1.0mm 和0.9mm。1:0.25仰坡回填后，1:0.25与1:0.5仰坡交界处出现较大的水平Y 方向位移，其中左侧地表处最大为1.1mm，右侧也为1.1mm。1:0.5仰坡回填后，最大水平Y 方向位移出现在1:0.25与1:0.5仰坡交界处，其中左右侧地表处最大水平Y 方向位移分别为5.0mm 和5.6mm。1:0.7仰坡和1:2.0仰坡回填后，最大水平Y 方向位移的位置没有改变，出现在1:0.25与1：0.5仰坡交界处，左侧最大水平Y 方向位移为13.2mm，右侧为13.4mm。最大水平Y 方向位移出现在回填土体的地表处，各施工阶段水平Y 方向位移具体值见表4.2所列。

本章定义结点位置左、中、右分别代表左明洞与左侧路堑边坡中心线的地表处，中隔墙顶部地表处以及右明洞与右侧路堑边坡中心线的地表处。前、中、后分别代表明洞洞口，明洞中部以及明暗洞搭接处的断面。

(a)1:0.25仰坡回填 (b)1:0.5仰坡回填 (c)1:0.7仰坡回填 (d)1:2.0仰坡回填

图4.4 水平Y 方向变形等值线云图

表4.2 各施工阶段水平Y 方向位移 (单位:m)

变形位置 节点位置 1:0.25仰坡 1:0.5仰坡 1:0.7仰坡 1:2.0仰坡左 -0.0011 -0.0018 -0.0020 -0.0022 中 -0.0010 -0.0016 -0.0018 -0.0021 明暗洞地表搭接处 右 -0.0011 -0.0018 -0.0020 -0.0023 左 -0.0011 -0.0050 -0.00 -0.0132 中 -0.0009 -0.0032 -0.0057 -0.0080 1:0.25与1:0.5仰坡交界处 右 -0.0013 -0.0056 -0.0098 -0.0134 左 0 -0.0039 -0.0083 -0.0126 中 0 -0.0024 -0.0051 -0.0076 1:0.5与1:0.7仰坡交界处 右 0 -0.0044 -0.0090 -0.0132 左 0 0 -0.0045 -0.0093 中 0 0 -0.0028 -0.0057 1:0.7与1:2.0仰坡交界处

右

-0.0047

-0.0094

图 4.5为各施工阶段沉降等值线云图。明洞施工完毕后，明洞洞体的沉降很小。不同坡率仰坡回填过程中，最大沉降出现在左右明洞和路堑边坡之间的回填

土体上。回填土地表最大沉降出现在1:0.5与1:0.7仰坡交界处，左右侧地表的最大沉降量分别为13.5mm 和13.3mm，各施工阶段沉降量见表4.3所列。

(a)1:0.25仰坡回填 (b)1:0.5仰坡回填 (c)1:0.7仰坡回填 (d)1:2.0仰坡回填

图4.5沉降等值线云图

表4.3 各施工阶段的沉降(单位:m)

变形位置 节点位置 1:0.25仰坡 1:0.5仰坡 1:0.7仰坡 1:2.0仰坡

左 -0.0014 -0.0021 -0.0022 -0.0025

中 -0.0014 -0.0020 -0.0022 -0.0026

明暗洞地表

搭接处

右 -0.0017 -0.0024 -0.0026 -0.0029 左 -0.0025 -0.0068 -0.0095 -0.0113 中 -0.0022 -0.0051 -0.0069 -0.0083 1:0.25与

1:0.5仰坡交界处 右 -0.0028 -0.0070 -0.0097 -0.0115

左 0 -0.0058 -0.0102 -0.0135 中 0 -0.0042 -0.0072 -0.0093 1:0.5与

1:0.7仰坡交界处 右 0 -0.0059 -0.0101 -0.0133

左 0 0 -0.0057 -0.0107 中 0 0 -0.0041 -0.0075 1:0.7与

1:2.0仰坡 交界处 右 0 0 -0.0057 -0.0105

为了更好的了解施工结束后变形情况，特取距离暗洞5m 的剖断面结果进行分析：最大水平X 位移出现在明洞和路堑边坡中间的回填土体上，呈V 字型分布；最大水平Y 位移出现在回填土体的地表；最大沉降出现在回填土体的中上部。

(a)水平X 方向 (b)水平Y 方向 (c)沉降

图4.6 剖断面位移填色图

4.3.2 应力结果分析

考虑到大跨径连拱隧道地下水渗流溢出的实际情况，暗洞出口处总水头为25m，明洞进口处总水头为12m。在考虑地下水静水头的作用下，总水头和孔隙水压力水头见图4.7所示。

图 4.8为各施工阶段水平应力填色图。随着施工的进行，左右侧路堑边坡坡角处水平应力逐渐增大，回填结束后，左右侧路堑边坡坡角处的最大水平应力分别为-159.8kPa 和-1.4kPa。随着不同坡率仰坡回填，左右侧明洞顶部的水平应力逐渐增大，1:2.0仰坡回填后，左右侧明洞顶部的最大水平应力分别为-962.1kPa 和-1016.0kPa，出现在明洞顶部中间。左右洞仰拱中心处受到水平拉应力的作用，

左右明洞洞口仰拱中心处的最大水平拉应力分别为778.6kPa 和946.8kPa。各施工阶段水平应力见表4.4所列。

(a)初始状态下的总水头 (b)初始状态下的孔隙水压水头

图4.7 渗流分析结果

(a)1:0.25仰坡回填 (b)1:0.5仰坡回填 (c)1:0.7仰坡回填 (d)1:2.0仰坡回填

图4.8 各施工阶段水平应力填色图

表4.4 各施工阶段水平应力结果分析 (单位:kPa)

单元位置

1:0.25仰坡

1:0.5仰坡 1:0.7仰坡 1:2.0仰坡 前 -72.6 -72.7 -72.1 -87.1 中 -106.6 -112.2 -122.9 -127.4 左侧路

堑边坡底部 后

-139.7 -147.9 -153 -159.8 前 -78.4 -78.3 -76.8 -93.0 中 -94.2 -97.7 -103.1 -113.3 右侧路

堑边坡底部 后

-143.7 -151.1 -156.2 -1.4 前

-167.7 -163.9 -177.9 -668.5 中

-183 -309.3 -508.9 -962.1 左侧明

洞顶部

后 -266.5 -453.7 -605.2 -740.5 前

-177.9 -177.1 -191.8 -696.2 中

-208.4 -284.2 -426.4 -1016.0 右侧明

洞顶部

后 -208.9 -339.5 -411.2 -393.7 前 184.0 249.1 337.1 778.6 中 179.1 270.5 372.7 688.1 左明洞

仰拱 底部 后

107.8 211.0 302.9 505.9 前 231.1 322.9 437.5 946.8 中 197.0 299.2 415.5 763.5 右明洞

仰拱 底部 后

153.8

255.3

347.1

556.4

(a)1:0.25仰坡回填 (b)1:0.5仰坡回填 (c)1:0.5仰坡回填 (d)1:2.0仰坡回填

图4.9 各施工阶段竖直应力填色图

图 4.9为各施工阶段竖直应力填色图。左右洞路堑边坡坡角处最大竖直应力分别为-369.1kPa 和-380.0kPa，出现在暗洞洞口断面的路堑边坡坡角处。明洞拱

顶出现了竖直拉应力，左右明洞顶的最大竖直拉应力分别为430.1kPa 和461.3kPa。最大的竖直应力出现在左右明洞的拱脚处，分别为-1348.0kPa 和-1300.0kPa。左右明洞拱脚内侧受到的竖直应力比外侧要大。各施工阶段竖直应力见表4.5所列。

表4.5 各施工阶段竖直应力结果分析 (单位:kPa)

单元位置 1:0.25仰坡 1:0.5仰坡1:0.7仰坡 1:2.0仰坡前 -156.7 -159.6 -163.7 -276.6 中 -195.4 -227.9 -280.3 -332.1 左侧路堑边坡底部 后 -271.0 -317.1 -340.1 -369.1 前 -180.8 -184.0 -188.0 -295.5 中 -205.3 -219.3 -246.3 -322.3 右侧路堑边坡底部 后 -287.2 -326.5 -349.2 -380.0 前 26.4 23.2 20.6 80.3 中 148.0 213.1 281.6 430.1 左侧明洞 顶部 后 141.4 239.9 278.9 255.0 前 26.7 26.0 24.6 75.18 中 -10.3 -36.6 -9.0 99.43 右侧明洞 顶部 后 167.4 281.8 357.1 461.3 前 -183.2 -245.3 -316.3 -1002.0 中 -291.9 -459.7 -685.7 -1348.0 左明洞外测拱脚处 后 -413.6 -618.2 -742.7 -798.8 前 -201.4 -259.0 -331.4 -1082.0 中 -279.5 -431.9 -629.7 -1300.0 右明洞外测拱脚处

后

-452.6

-738.6

-935.9 -1202.0

4.3.3 应变结果分析

图4.10为各施工阶段最大剪应变填色图。在各个施工阶段，地表公路由于其上重载交通的作用，剪应变比较大。回填各种坡率仰坡与原来岩体的交界处的剪应变也比较大，围岩最大的剪应变出现在路堑边坡坡角处，最大剪应变为4.27×10-4。明洞拱腰外测的最大剪应变很小。具体应变的大小见表4.6所列。

表4.6 各施工阶段剪应变结果分析

单元位置 1:0.25仰坡 1:0.5仰坡1:0.7仰坡 1:2.0仰坡前 3.05E-04 3.10E-04 3.14E-04 3.88E-04 中 3.42E-04 3.53E-04 3.65E-04 4.08E-04 左侧路堑

边坡底部 后 3.82E-04 3.92E-04 3.99E-04 4.13E-04 前 3.47E-04 3.51E-04 3.56E-04 4.17E-04 中 3.70E-04 3.79E-04 3.92E-04 4.27E-04 右侧路堑 边坡底部 后 3.76E-04 3.91E-04 4.01E-04 4.17E-04 前 1.48E-05 2.01E-05 2.62E-05 5.88E-05 中 1.46E-05 2.47E-05 3.59E-05 6.42E-05 左明洞外侧拱腰处 后 1.94E-05 3.08E-05 3.97E-05 5.91E-05 前 1.17E-05 1.62E-05 2.24E-05 5.57E-05 中 1.51E-05 2.55E-05 3.70E-05 6.81E-05 右明洞外侧拱腰处

后

2.00E-05

3.43E-05

4.86E-05 8.01E-05

(a)1:0.25仰坡回填 (b)1:0.5仰坡回填 (c)1:0.5仰坡回填 (d)1:2.0仰坡回填

图4.10 最大剪应变填色图

4.3.4 施工结束后的明洞结果分析

图4.11～图4.13为施工完毕后的明洞分析结果。

最大水平X方向位移出现在左右侧明洞洞口的拱腰处，大小为0.65mm左右。最大水平Y方向位移出现明洞洞口的拱顶处，越靠近洞口，水平Y方向位移越大，最大值为0.43mm。最大沉降也出现在明洞洞口的拱顶处，越靠近洞口，沉降越大，最大的沉降为3.16mm。

(a)X方向位移 (b)Y方向位移 (c)Z方向沉降

图4.11 1:2.0仰坡回填二衬的变形等值线云图

(a)水平应力填色图 (b)竖直应力填色图

图4.12 1:2.0仰坡回填二衬的应力填色图

(a)剪应变填色图 (b)体应变填色图

图4.13 1:2.0仰坡回填二衬的应变填色图

洞体外表面的最大水平应力出现在明暗洞体的搭接处，洞体外表面的最大水平压应力为-2023KPa左右。明洞洞体仰拱底部中心线处出现较大的水平拉应力，最大水平拉应力为615kPa。明洞洞体拱脚处出现较大的竖直应力，左右洞外侧拱脚处的最大竖直应力为-1406KPa左右，内侧拱脚处的最大竖直应力为-2043kPa左右，内侧拱脚处的竖直应力明显大于外侧拱脚。

洞体外表面的最大剪应变出现在拱腰与拱脚之间的区域，洞体的最大剪应变出现在左右主洞内侧的拱腰稍下处，大小为1.2×10-4。

4.4 路堑边坡稳定性分析

在正常施工工况下，洞口路堑边坡是稳定的。由于明洞及仰坡处理施工滞后，洞口衔接处路堑边坡出现片帮，一定程度上影响了地方二级公路交通安全和隧道施工，通过反分析发现，开挖爆破、地下水渗流、地表水入渗和降雨冲刷、岩体节理化、质量劣化、强度降低和公路重载是边坡局部变形失稳的主要原因。隧道施工过程中，由于某些因素开挖路堑边坡，使路堑边坡坡率减小。在适当降低路堑边坡坡率(坡率1:0.1)和强度的情况下对边坡进行数值分析，比较形象的得出边坡可能失稳的区域，在明洞未施工前，应对右侧路堑边坡采取适当的加固措施。边坡失稳后的填色图如图4.14所示。

(a)边坡水平位移图 (b)边坡沉降图 (c)边坡最大剪应变图

图4.14 边坡变形失稳后的填色图

综上所述，通过数值模拟分析，得出了不同坡率仰坡回填情况下明暗洞体、回填仰坡与路堑边坡的变形、受力情况，分析其稳定性。主要的分析结果如下：

①位移分析

在明洞施工和仰坡回填的过程中，水平X方向位移主要出现在左右明洞和路堑边坡中间的回填土体上，呈V字型分布，最大为3.3mm；最大水平Y方向位移出现在1:0.25仰坡和1:0.5仰坡的地表交界面上，为13.4mm；最大沉降出现在明洞洞体和路堑边坡之间回填土的中上部，最大沉降量为17.5mm。

左右明洞洞体的水平X方向位移基本相等，主要是受到回填土体的压力作用，最大水平X方向位移达0.65mm。左右两洞最大水平Y方向位移和沉降出现的部位相同，距离明洞洞口越近，水平Y方向位移越大，最大Y方向位移为0.46mm。最大沉降出现在左右明洞洞口拱顶，最大沉降达3.2mm。

②应力分析

最大的水平应力和竖直应力出现在明暗洞洞体交界处的内侧。洞体外表面的最大水平压应力出现在在明暗洞洞体交界处，右侧洞体在明暗洞交界处受到的水平应力大于左侧，距离暗洞洞口越远，受到的水平应力越小。最大水平拉应力出现在仰拱底部。

洞体外表面拱腰与拱脚之间的区域出现较大的竖直应力，拱脚处的竖直应力最大，拱脚内侧的竖直应力明显大于外侧。明洞洞体受到的拉压应力都没有超出钢筋混凝土的抗压，抗拉强度，明洞洞体也是稳定的。

③应变分析

明洞洞体施工以及仰坡回填后，左右洞体外侧拱脚处出现较大的剪应变，靠近中隔墙的一侧最大剪应变出现在拱腰。路堑边坡坡角处出现的剪应变最大。

建议：针对隧道洞口整体仰坡和洞口路堑二级公路二级边坡不良衔接情况，为防止洞口衔接处路堑边坡出现片帮，考虑采用修建明洞方案。在施工过程中，应处理好明暗洞体的搭接关系，防止搭接处出现较大的应力集中；注意对暗洞洞口上部岩体采取加固措施，防止其产生较大的水平Y方向变形而塌落。处理好回填土体与原岩体接触面的关系，采用适当的加固措施，防止回填土体与原岩体搭接处变形开裂。对隧道右侧的路堑边坡进行适当的防护，减少对边坡的开挖，防止由于开挖爆破、地下水渗流、地表水入渗和降雨冲刷、岩体节理化、质量劣化、强度降低和公路重载等因素造成边坡局部失稳，保证隧道正常施工与地方二级公路交通安全。