黃康

重慶交通大學，中國·重慶 400074

1 引言

20世紀60年代中國山區(qū)勞動人民為走出深山，在無現(xiàn)代機械的情況下，僅憑鋼釬和鐵錘在太行山近90°峭壁上開鑿出了30 多個“窗口”，由此形成工作面人工開挖長達數(shù)公里的掛壁公路。曾經的“窗口”目的在于形成工作面、自然通風及采光、傾倒挖出的石渣；如今這些“窗口”成為各地游客游覽的觀景臺。其修建沒有國家規(guī)范作為指導，也缺乏詳盡的工程地質與水文資料，更沒有科學研究作為基礎。目前國際上對此類結構研究較少，論文將對此類結構進行研究，為未來的相似工程提供參考。

2 研究背景

中國山區(qū)經常出現(xiàn)一側緊鄰山體，另一側是河流深谷的路段，多以路基的形式修建，在建設期間需要大面積刷坡，形成多級高邊坡，此種方式建設成本高，對環(huán)境保護不利，運營期間落石掉落導致交通中斷[1]。中國西南地區(qū)多為厚層石灰?guī)r，巖質堅硬，山中村民為解決出行煩惱，在沒有國家規(guī)范和標準的指導，缺乏詳細的工程地質、地貌和水文資料的情況下，僅憑對家鄉(xiāng)的了解，對掛壁隧道進行選線，在沒有施工機械、不敢大規(guī)模使用炸藥的情況下，利用繩索懸掛在巖壁，用鐵鍬鑿開巖壁制造施工平臺，進入到山體內部后再利用鐵錘和鋼釬慢慢掘進，最終形成在臨空側間隔開洞的半山洞路基和類棚洞相結合的掛壁隧道[2,3]。

3 數(shù)值模型建立

針對掛壁隧道的特殊位置、開窗位置及圍巖條件，利用FLAC3D 有限差分軟件對掛壁隧道在不同傾斜度下位移、圍巖應力和塑性區(qū)等方面進行數(shù)值模擬，分析其變化規(guī)律。

3.1 計算模型及邊界條件

隧道寬7.2m，高度為7m；側壁窗口為寬5m，高6m 的矩形，厚2m。在水平方向上取60m；在垂直方向上取120m；在縱深方向上，模型長度取50m。傾斜度為80°和90°。

3.2 計算參數(shù)

圍巖按照實際掛壁隧道情況未進行支護，圍巖材料按照JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規(guī)范》第一冊土建工程選取，見表1。

表1 模型物理力學參數(shù)

4 結果分析

4.1 開挖圍巖應力分析

拱頂最大主應力隨巖壁傾斜度i 的增加變化較小，開挖完成后最大主應力值均為正值，表現(xiàn)為拉應力；拱頂最小主應力隨掌子面推進呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在第一個側壁開洞完成后，由于開挖卸荷的原因導致最小主應力減小約800KPa，最終為負值，表現(xiàn)為壓應力，開挖結束后的應力值相差較小，表明崖壁傾斜度對拱頂最小主應力的影響較小。當i ＝90°時，臨空側邊墻最小主應力值為-3.8MPa，靠山側邊墻為-2.4MPa，由于臨空面的存在，使得臨空側邊墻最小主應力比靠山側邊墻大（見圖1）。

圖1 不同巖壁傾斜度圍巖最大主應力云圖

4.2 開挖圍巖位移分析

由圖2可知，隨巖壁傾斜度的增大，主隧道拱頂沉降區(qū)域和側壁洞頂沉降區(qū)域由孤立的兩個區(qū)域逐漸聯(lián)通為一個整體，表明這一區(qū)域有整體下移的趨勢，數(shù)值也與巖壁傾斜度正相關；巖壁傾斜度的增加對靠山側邊墻橫向位移區(qū)域有明顯增大趨勢?？可絺冗厜M向位移與巖壁傾斜度呈正向關系，巖壁傾斜度為90°時位移達最大值，為0.74mm；臨空側邊墻位移隨開挖進尺增加逐漸增大，在前兩個側壁開挖時位移有所減小，后繼續(xù)增大，第二個側壁開挖后位移逐漸穩(wěn)定，最大值為i=90°時，為0.66mm。

圖2 不同側壁洞寬圍巖橫向位移云圖

巖柱的橫向位移受巖壁傾斜度的影響不大，側壁開洞對其位移增大有減緩趨勢。側壁洞頂位移在開挖至24m 時位移大幅增加，后變化速率逐漸減小，且與巖壁傾斜度正相關，不同工況下側壁洞頂位移值分別為-2.19mm、-2.44mm，增長率分別為側壁洞頂位移增長率先增大，后趨于平穩(wěn)。

4.3 圍巖塑性區(qū)對比分析

由圖3可知，巖壁傾斜度對圍巖的塑性區(qū)分布影響較小，主要集中在拱頂、底板和側壁洞頂和洞底，塑性區(qū)范圍主要在拱頂以上2.5m，底板以下2.8m，側壁洞頂1m，底板1m。，當i=80°時，側壁洞底塑性區(qū)深度與拱頂塑性區(qū)深度之比在40%起伏，說明此范圍內巖壁傾斜度的改變對拱頂與側壁洞頂塑性區(qū)深度的影響不大，當i=90°時，拱頂塑性區(qū)深度增大，使得比值減小9%，應關注隧道拱頂?shù)姆€(wěn)定性。

圖3 不同工況下塑性區(qū)分布圖

5 結語

論文針對影響掛壁隧道圍巖穩(wěn)定的兩個因素，采用有限差分軟件FLAC3D 建立了不同側壁開洞寬度和巖壁傾斜度的掛壁隧道圍巖穩(wěn)定三維模型，分析了不同工況下掛壁隧道應力、位移和塑性區(qū)的分布規(guī)律，主要結論如下：

①拱頂最大主應力受巖壁傾斜度改變的影響較小，底板最大主應力與巖壁傾斜度呈正向關系。

②巖壁傾斜度改變對拱頂最小主應力影響較小，對臨空側邊墻最小主應力影響較大。

③巖壁傾斜度改變所有工況下，側壁洞頂位移均大于拱頂位移，實際工程中應加強對側壁洞頂位移的監(jiān)控量測。由于未設支護和靠近巖壁臨空面，隧道兩側邊墻位移沒有出現(xiàn)水平收斂現(xiàn)象，側壁開洞兩側位移趨勢表現(xiàn)為洞周收斂。

④巖壁傾斜度對隧道周邊塑性區(qū)深度影響較小。