洞口边坡坡度对隧道变形的影响分析

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【摘要】　为了研究和分析坡面正交型隧道和边坡的相互作用，本文采用ANSYS软件对隧道和边坡相互作用系统进行了数值模拟，并详细分析了系统的位移特征，从而对洞口边坡作用隧道的机理进行了剖析。

【关键词】　边坡；隧道；坡度

引言

随着我国高速公路和高速铁路的高速发展，隧道建设在交通建设中占据了重要地位。隧道洞口的开挖，肯定对洞口边坡造成不同程度的破坏，从而影响边坡的稳定性，而不同坡度的边坡对隧道变形的影响程度也是不同的，为探讨此问题，本文应用二维数值模拟进行研究。

1计算模型

此边坡的高度为25m，坡度为40°，隧道埋深为2m，拱顶离边坡脚的水平位移为5m，隧道高度为7m，隧道开挖宽度为12m。边坡的计算模型范围：X轴方向取110m，Y轴方向左边界取75m，右边界取50m。计算模型划分为3499个单元，3591个网格节点。在隧道附近的网格密度为0.5m×0.5m，其他部分的网格密度为2m×2m。计算模型边界条件：地表为自由边界，未受任何约束。左右侧边界为横向约束边界。模型下部边界为固定约束边界。所得网格划分情况如图1。

图1　边坡模型网格划分图

2计算参数

本文有限元分析仅考虑一种岩石材料参数，未考虑节理等因素的影响。力学参数见表1-1。

3坡度对位移的影响

其他参数不变，对边坡坡度分别为25°、40°、55°、70°四种情况进行了数值模拟分析。

（1）X位移分析

从图中看出，X方向位移的最大值出现在边坡坡脚附近和隧道的左上方区域。在隧道底部左侧，出现X反方向位移的最大值。随着边坡坡度的增加，边坡脚处的水平位移是增大的，整个边坡体的水平位移也是增大的，这是由于坡度的增加使得边坡自重应力增加，从而增加了边坡的下滑力。在边坡的影响下，隧道左侧水平位移也是增加的，隧道底部的X反方向位移量也是增加的。当边坡坡度为70°时，最大水平位移在左侧区域，边坡脚X位移相对较小，这是因为，随着坡度的增加，边坡自重应力增加，边坡脚岩体有了一定的自承能力，使得X位移相对隧道左拱腰处岩体完全卸载的情况下产生的X位移较小。

（2）Y位移分析

从下图中看出，隧道的Y位移的最大值出现在隧道左上方延至地表的区域，边坡脚处的下沉较大，隧道底部出现底鼓。随着边坡坡度的增加，边坡和隧道的Y位移是增大的，这是因为坡度的增加，增加了边坡滑坡体的自重，增加了下滑力，使得边坡Y位移增大。在边坡的影响下，隧道的Y位移也增大。

4结论

本文应用ANSYS软件，对隧道洞口进行了二维模拟，得出以下结论：当边坡坡度小于25°时，边坡对隧道变形的影响很小，当大于40°时，边坡对隧道的变形明显增加，所以，为使隧道变形较小，应对陡边坡进行削坡处理，边坡坡度尽量小于40°

参考文献

[1]陈洪凯等.公路高边坡地质安全与减灾[M].北京：科学出版社，2010.

[2]朱汉华等.隧道预支护原理与施工技术[M].北京：人民交通出版社，2008.

[3]邓凡平.ANSYS10.0有限元分析自学手册[M].北京：人民邮电出版社，2010.

作者简介：张恩正，男，（1984-），重庆工程职业技术学院教师，主要从事岩土工程领域的教学和研究

（作者单位：1.重庆工程职业技术学院；2.聊城大学；3.聊城大学）