坡面平行型洞口段隧道塌方演化機(jī)理研究

李 奧 董 飛 黃 俊 孫振宇 盧志飛

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210019； 2.北京交通大學(xué)城市地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

隧道洞口段一般處于坡度較陡的淺埋偏壓地段，且圍巖破碎程度高，成拱效應(yīng)差，圍巖一旦破壞，易波及地表造成地面塌陷[1]。隧道軸線與邊坡的走向之間的角度不同，使得洞口段隧道塌方形態(tài)有所差異。坡面平行型洞口是指隧道軸線與坡面走向基本上一致，隧道左右兩側(cè)偏壓明顯，安全風(fēng)險(xiǎn)較大，隧道開挖常會(huì)誘發(fā)山體滑坡和隧道拱頂薄弱處塌方。另外，隧道洞口與滑移線位置不同，其引發(fā)的隧道塌方模式和特性差異較大，分別為隧道處在滑移線內(nèi)形成的整體式塌方以及隧道與滑移線相交形成的擠壓式剪切塌方[2]。

當(dāng)前，針對坡面平行型洞口段隧道開挖引發(fā)的邊坡和隧道圍巖穩(wěn)定性問題，已有學(xué)者開展大量研究。閆天璽等從地質(zhì)角度發(fā)現(xiàn)淺埋偏壓洞口段隧道圍巖失穩(wěn)的影響因素，提出圍巖破壞模式可歸結(jié)為重力坍塌和膨脹內(nèi)鼓的協(xié)同破壞模式[3]；于群群等結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬方法，分析了隧道洞口段圍巖的破壞機(jī)制，提出隧道淺埋側(cè)拱肩處易出現(xiàn)拱形拉伸屈服塑性帶是引發(fā)圍巖失穩(wěn)的關(guān)鍵[4]；朱小鵬采用有限元軟件ABAQUS，研究了不同開挖方法對隧道洞口淺埋偏壓段圍巖穩(wěn)定性的影響[5]；陳云超基于有限差軟件FLAC3D，分析邊坡坡率、巖層傾角和隧道埋深等因素對隧道洞口邊坡穩(wěn)定性影響[6]；張維基于現(xiàn)場施工和數(shù)值模擬，研究了隧道洞口段施工過程中出現(xiàn)失穩(wěn)破壞的原因[7]；唐沅基于應(yīng)用極限平衡理論和有限元數(shù)值模擬方法(MIDAS NX)，對隧道明挖后未支護(hù)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算[8]；左清軍等將突變理論和監(jiān)測數(shù)據(jù)的結(jié)合，開展淺埋偏壓隧道圍巖突變失穩(wěn)分析[9]；王偉等對淺埋偏壓隧道口的軟弱圍巖綜合加固處治和超前支護(hù)措施進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究[10]。當(dāng)前相關(guān)研究對洞口段隧道開挖可能引發(fā)的圍巖失穩(wěn)機(jī)理已經(jīng)有清晰認(rèn)識，但對邊坡的擾動(dòng)規(guī)律缺乏定量分析，而洞口段隧道與邊坡的滑移線之間的復(fù)雜位置關(guān)系，使得洞口段隧道位置的確定、安全性控制措施的選擇缺乏理論依據(jù)。以下基于有限元極限法，分析邊坡自身的穩(wěn)定性，進(jìn)一步考慮隧道開挖的位置對邊坡和隧道安全性的影響進(jìn)行分析，同時(shí)研究坡面平行型隧道洞口段隧道安全性控制措施。

1 基于有限元極限法的邊坡安全性分析

有限元極限分析法(FELA)將經(jīng)典塑性極限定理與有限元相結(jié)合，充分利用有限元離散處理復(fù)雜土層、荷載和邊界條件的強(qiáng)大能力[11-12]，以及塑性極限分析法可以從下限和上限兩個(gè)方向逼近極限破壞真實(shí)解的精確計(jì)算優(yōu)點(diǎn)，無需假定破壞模式，通過數(shù)學(xué)優(yōu)化方式自動(dòng)搜索最優(yōu)的破壞模式，并給出破壞荷載和安全系數(shù)的嚴(yán)格上下解。其中，OptumG2軟件是一款專門用于巖土工程的有限元極限分析軟件。

1.1 考慮抗拉強(qiáng)度同步折減的安全系數(shù)

邊坡的安全性分析中常采取剪切強(qiáng)度折減法，對剪切強(qiáng)度參數(shù)c，tanφ進(jìn)行折減，通過輸入不同的折減系數(shù)來迭代計(jì)算邊坡的安全系數(shù)[13-14]，研究表明，考慮c，tanφ抗剪參數(shù)的強(qiáng)度折減法，只適用于壓剪型破壞，且在抗剪強(qiáng)度折減過程中，c，tanφ表示的抗拉強(qiáng)度并沒有得到同等折減。因此，過高估計(jì)材料的抗拉能力，會(huì)使計(jì)算的安全系數(shù)偏大；而對于受拉破壞的情況，其破壞取決于圍巖的抗拉強(qiáng)度，過高估計(jì)抗拉強(qiáng)度，會(huì)使計(jì)算結(jié)果偏危險(xiǎn)。以下對摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則進(jìn)行修正，采用拉伸截?cái)鄟砻枋隼瓚?yīng)力作用下的屈服，如圖1所示。圖中，c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角；T為抗拉強(qiáng)度；φt為拉應(yīng)力截?cái)嗟膬A角。

圖1 考慮抗拉強(qiáng)度的摩爾庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則

基于OptumG2軟件，利用邊坡算例進(jìn)行強(qiáng)度折減分析[15]，模型中，邊坡高100 m，邊坡坡率為1∶0.2。采用剪切破壞和拉剪破壞強(qiáng)度準(zhǔn)則折減下邊坡總耗散圖(見圖2)，可以看出，壓剪破壞下坡腳和后緣大致處于一個(gè)圓弧上，而拉剪破壞強(qiáng)度準(zhǔn)則下后緣近似于垂直，表明后緣受拉破壞。剪切破壞和拉剪破壞強(qiáng)度準(zhǔn)則折減下的安全系數(shù)分別為1.242，1.142，拉剪破壞下的安全系數(shù)較小。對于大多數(shù)邊坡的破壞，應(yīng)為“張拉+剪切”的復(fù)合破壞模式，邊坡前緣多為剪切破壞，而后緣往往會(huì)產(chǎn)生拉裂破壞，且高陡邊坡后緣的張拉破壞更為明顯。因此，在張拉破壞的情況下，采用“拉剪強(qiáng)度同等折減的強(qiáng)度折減法”計(jì)算的結(jié)果與邊坡實(shí)際破壞方式更為接近，安全系數(shù)也更精確。

圖2 兩種強(qiáng)度準(zhǔn)則下的邊坡總耗散能量(單位：kJ)

1.2 邊坡安全系數(shù)分析

基于有限元極限分析方法分析隧道未開挖時(shí)土質(zhì)邊坡自身穩(wěn)定性，其中，黏聚力c=100 kPa；抗拉強(qiáng)度T=0 kPa，φt=90°；內(nèi)摩擦角φ=25°；邊坡角β=45°；邊坡高度h=50 m；重度γ=20 kN/m3。網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖3，模型網(wǎng)格自適應(yīng)迭代次數(shù)為3，當(dāng)單元數(shù)目為500、1 000和2 000時(shí)，上限解安全系數(shù)分別為1.469、1.44和1.434，下限解安全系數(shù)分別為1.407、1.42和1.423。隨著單元數(shù)目的增加，上下限解的差異逐漸減小。設(shè)置網(wǎng)格數(shù)目為2 000即可滿足精度要求。極限分析方法模擬邊坡穩(wěn)定性結(jié)果見圖4、圖5，剪切耗散能即剪切耗散功率是材料塑性破壞的重要指標(biāo)，指剪切力沿著隧道開挖面剪切破壞面所做的功率，從剪切耗散能的云圖可以看出，存在明顯的剪切耗散能集中，集中的邊界即是邊坡失穩(wěn)的破壞面。同時(shí)可以得到，極限分析結(jié)果與極限平衡安全系數(shù)結(jié)果(FS=1.43)吻合[16]，滑移線位置也基本一致(見圖6)。

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果(單元數(shù)2 000)

圖4 邊坡剪切耗散能量(單位：kJ)

圖5 邊坡總變形(單位：mm)

圖6 基于極限平衡法的邊坡安全系數(shù)

2 坡面平行型洞口段隧道塌方機(jī)理

對于坡面平行型隧道洞口，隧道開挖易誘發(fā)山體滑坡和隧道拱頂薄弱處塌方。坡面平行型隧道拱頂塌方主要有兩類[17]：一類是隧道整體在滑坡體中，隨滑坡體整體滑動(dòng)塌方；二類是隧道與坡體滑面相交，在滑坡體滑動(dòng)擠壓下發(fā)生塌方(見圖7)。分析隧道與邊坡的二維空間位置對隧道與邊坡安全性影響時(shí)，應(yīng)考慮處于最危險(xiǎn)狀態(tài)隧道對邊坡的影響，此時(shí)隧道未得到有效支護(hù)，即隧道存在未支護(hù)段。以下研究隧道開挖存在未支護(hù)時(shí)對邊坡的擾動(dòng)，使得邊坡產(chǎn)生滑移失穩(wěn)，進(jìn)而引發(fā)隧道失穩(wěn)的過程。

圖7 坡面平行型洞口段隧道塌方類型

2.1 隧道位置對邊坡和隧道安全性的影響

在洞口段邊坡處進(jìn)行隧道開挖，不可避免地會(huì)對邊坡造成一定影響，使得邊坡安全系數(shù)降低，使其從安全狀態(tài)向非安全狀態(tài)發(fā)展。邊坡參數(shù)與上節(jié)一致，假定圓形隧道直徑為10 m，當(dāng)隧道圓心與邊坡中點(diǎn)水平距離變化時(shí)，得到隧道與邊坡不同水平距離下模型剪切耗散能(見圖8)和安全系數(shù)結(jié)果(見圖9)。

圖8 不同水平距離下模型的剪切耗散能(單位：m)

由圖8、圖9可知，隨著隧道從水平方向逐漸遠(yuǎn)離邊坡坡面，安全系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大趨勢，其原因是隧道開挖后未采取支護(hù)，使得隧道圍巖松動(dòng)變形，進(jìn)而引起邊坡滑動(dòng)。隧道先逐漸靠近邊坡滑移線，與滑移線相交后逐漸遠(yuǎn)離滑移線，當(dāng)隧道與邊坡滑移線相交時(shí)，安全系數(shù)最低為1.18。安全系數(shù)最低時(shí)即隧道開挖最危險(xiǎn)位置，隧道和邊坡失穩(wěn)塌方風(fēng)險(xiǎn)較大，可能導(dǎo)致塌方掩埋隧道。

圖9 邊坡安全系數(shù)與水平距離的關(guān)系

當(dāng)隧道圓心與邊坡中點(diǎn)水平距離為10 m，得到隧道與邊坡不同豎向距離下模型的剪切耗散能(見圖10)和安全系數(shù)(見圖11)。與上文的結(jié)論基本一致，越靠近隧道滑移線，安全系數(shù)越低。當(dāng)隧道開挖處于滑移線的正下方，且靠近邊坡的坡腳時(shí)，邊坡的安全系數(shù)也較低。故隧道從水平方向遠(yuǎn)離邊坡的滑移線比從豎直方向遠(yuǎn)離邊坡的滑移線更為安全。

圖10 不同豎向距離下模型的剪切耗散能(單位：m)

圖11 邊坡安全系數(shù)與豎向距離的關(guān)系

2.2 隧道位置建議

《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》給出了偏壓隧道外側(cè)拱肩山體最大覆蓋厚度t[18](見圖12)，此建議值只顧及邊坡的坡面角度，而未考慮邊坡高度和邊坡滑移面位置等。一般情況下，最大覆蓋厚度應(yīng)結(jié)合邊坡的破裂面進(jìn)行考慮，根據(jù)坡腳和隧道滑移線的位置(見圖13)，將隧道可能出現(xiàn)的區(qū)域劃分為A、B、C區(qū)，根據(jù)3個(gè)區(qū)域內(nèi)隧道距離坡腳和隧道滑移線的距離，以及前文多種工況下的安全系數(shù)對比，可以得知3個(gè)區(qū)域內(nèi)安全系數(shù)依次增大，即FSA

圖12 偏壓隧道外側(cè)拱肩最大覆蓋厚度建議值

圖13 洞口段隧道位置分布

3 安全控制措施

當(dāng)邊坡自身的安全系數(shù)較低，或由于隧道開挖使得邊坡的安全系較低時(shí)，邊坡和隧道的安全性無法滿足要求，可采取反壓回填措施或采取邊坡加固措施(注漿加固、錨索、錨桿或土釘?shù)?[19]。同時(shí)可以采用周邊帷幕注漿加固或大管棚支護(hù)等隧道超前支護(hù)和加固措施，以減小隧道施工對邊坡的擾動(dòng)。

3.1 隧道周邊帷幕注漿加固

以隧道圓心與邊坡坡面中點(diǎn)水平距離為25 m，豎向距離為0 m位置處隧道為例，此時(shí)隧道與邊坡滑移線相交，未采取加固措施時(shí)邊坡安全系數(shù)為1.17。當(dāng)采取厚度為0.5 m、1 m、2 m和3 m周邊帷幕注漿，注漿材料黏聚力c=500 kPa，內(nèi)摩擦角φ=35°，開挖后，邊坡安全系數(shù)分別為1.275、1.32、1.38和1.43，接近邊坡未受開挖時(shí)安全系數(shù)上限解1.434。從剪切耗散圖(見圖14)可見，即使隧道與邊坡初始滑移線相交，但采取注漿加固后進(jìn)行隧道開挖，當(dāng)注漿厚度達(dá)到一定時(shí)(2 m)，邊坡滑移線較為完整，表明在注漿加固后的圍巖能夠?qū)λ淼朗┕_動(dòng)進(jìn)行隔離，減小隧道施工對邊坡滑移線的擾動(dòng)。

圖14 周邊帷幕注漿加固下邊坡的剪切耗散能

3.2 坡腳反壓回填

通過對邊坡的坡腳采取反壓回填措施，得到邊坡的剪切耗散能(見圖15)，由圖15可知，反壓回填本質(zhì)上起到降低了邊坡的高度的作用，使得邊坡滑移線向上移動(dòng)，滑移線的角度減小。當(dāng)邊坡回填2 m、5 m、7.5 m和10 m時(shí)，邊坡的安全系數(shù)分別為1.15、1.20、1.21和1.23?；靥詈?，邊坡安全系數(shù)有較大提高，且回填高度越大，控制效果越好，但反壓回填效果低于帷幕注漿效果，且無法避免對邊坡滑移線造成影響。

圖15 反壓回填下邊坡的剪切耗散能

4 結(jié)論

基于有限元極限分析方法，研究邊坡自身的穩(wěn)定性，進(jìn)一步考慮隧道開挖的位置對邊坡和隧道安全性的影響進(jìn)行分析，并研究坡面平行型隧道洞口段隧道安全性控制措施。相關(guān)結(jié)論如下。

(1)剪切破壞和拉剪破壞強(qiáng)度準(zhǔn)則折減下的安全系數(shù)分別為1.242，1.142，拉剪破壞下的安全系數(shù)較小。采取考慮張拉剪切同步折減的邊坡安全系數(shù)計(jì)算方法，能夠真實(shí)模擬邊坡的失穩(wěn)，確保安全系數(shù)的結(jié)果更準(zhǔn)確。

(2)隧道位置越靠近邊坡的滑移線，邊坡的安全系數(shù)越低，故隧道應(yīng)盡量遠(yuǎn)離邊坡的坡腳和潛在滑移面位置，且隧道應(yīng)整體往上移動(dòng)，避免隧道處于邊坡滑移線的下方。

(3)反壓回填措施本質(zhì)上起到降低邊坡的高度的作用，通過對隧道施工擾動(dòng)進(jìn)行有效隔離，均使得邊坡的安全系數(shù)有所提升。當(dāng)注漿厚度達(dá)到一定時(shí)(2 m)，注漿加固隔離效果較好，邊坡滑移線完整。注漿加固的效果明顯優(yōu)于反壓回填。