隧道洞口開挖誘導(dǎo)高陡邊坡滑動(dòng)變形及支護(hù)研究*

呂 鑫，祝方才，高樂星，晏 仁

(1.中鐵北京工程局集團(tuán)第二工程有限公司，湖南 長沙 410116； 2.湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007)

0 引言

洞口段施工是山嶺隧道安全、順利進(jìn)洞的關(guān)鍵，直接關(guān)系到工程的工期和造價(jià)，但在實(shí)際進(jìn)洞施工過程中常出現(xiàn)隧道邊仰坡滑塌等工程事故[1-5]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2006—2016年，我國在公路、鐵路隧道建設(shè)過程中發(fā)生了多起洞口邊仰坡坍塌事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失及惡劣的社會(huì)影響。發(fā)生此類事故的原因是多方面的，其主要原因?yàn)樯綆X隧道洞口段往往存在地質(zhì)條件差、埋深淺甚至偏壓等施工難點(diǎn)，加上施工擾動(dòng)等外界因素的不利影響，稍有不慎便會(huì)導(dǎo)致進(jìn)洞施工過程中的邊仰坡滑塌事故發(fā)生。然而，當(dāng)前關(guān)于該類問題的研究相對(duì)較少，既有成果主要側(cè)重于隧道邊仰坡失穩(wěn)原因和處治措施方面，未綜合考慮古滑坡、隧道邊仰坡失穩(wěn)和隧道洞口大變形情況。

另外，原始數(shù)據(jù)怎樣快速準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為三維模型，一直也是各界所關(guān)注的熱點(diǎn)問題。各種曲面構(gòu)成了物體的表面，可以說，三維模型就是以曲面擬合為基礎(chǔ)建立[6]。早在1997年，Piegl Les等就提出了關(guān)于使用B樣條曲面擬合的方法[7]，由于B樣條曲面具有直觀性、自動(dòng)連續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)，近年來，基于B樣條曲面的自由曲面的重建方法被廣泛應(yīng)用到各領(lǐng)域，同時(shí)也衍生出許多以此為基礎(chǔ)的優(yōu)化方法。本文的地質(zhì)建模將采用反算B樣條曲面理論[8]，對(duì)地層進(jìn)行擬合從而建立三維地質(zhì)模型。

本文以某高速公路隧道為例，針對(duì)該隧道進(jìn)洞施工過程邊仰坡滑塌的處治方案及大變形控制技術(shù)，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法開展研究，以探明該高速公路隧道邊仰坡失穩(wěn)的主要原因，進(jìn)而提出相應(yīng)的滑坡處治措施為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

云南省中部某高速公路隧道，隧道進(jìn)口段仰坡原始地貌為單斜地形，原始斜坡自然坡度在 20°～35°，坡體大多為階梯狀耕地，植被稀疏，為侵蝕～剝蝕低中山地貌(見圖1)。場(chǎng)區(qū)地層特性為：①覆蓋層 坡積層(Qdl)含碎石粉質(zhì)黏土，呈可塑狀，含少量強(qiáng)風(fēng)化基巖碎石、角礫，碎石成分為強(qiáng)風(fēng)化板巖，粒徑0.2～2cm，場(chǎng)區(qū)均有分布，厚度 0～5m；②強(qiáng)風(fēng)化層板巖 呈薄層狀，巖體破碎，呈松散碎裂結(jié)構(gòu)，巖心呈砂狀，鉆探揭露厚度一般15～26m；③中風(fēng)化層板巖 呈薄層狀，巖體較破碎～較完整，巖心多呈砂狀，少量塊狀。

圖1 某高速公路隧道滑坡全貌

因高速公路隧道建設(shè)的需要，在坡體上進(jìn)行仰坡及便道開挖，導(dǎo)致因仰坡開挖切腳臨空，進(jìn)口段仰坡多發(fā)多次開裂變形，坡體淺表層產(chǎn)生開裂變形形成多處牽引式裂縫，最長裂縫達(dá)52m，裂縫寬度一般0.2～2cm，最大達(dá)8cm，坡體上部村寨部分民房開裂，如圖2，3所示。

圖2 坡面裂縫

圖3 村寨民房墻體開裂

最遠(yuǎn)裂縫距離隧道洞口約200m，滑坡寬度達(dá)130m，形成滑坡體，并有進(jìn)一步擴(kuò)大變形的趨勢(shì)，造成滑坡與上部既有的古滑坡體相接，導(dǎo)致古滑坡體出現(xiàn)復(fù)活趨勢(shì)，隧道洞口段施工也減小了邊仰坡支撐力，使得隧道變形增加，穩(wěn)定性降低。將嚴(yán)重危及坡體上村寨居民的人身財(cái)產(chǎn)、高速公路隧道及下方某特大橋的建設(shè)安全，需進(jìn)行工程處治。

2 B樣條曲面擬合

B樣條曲面方程由u，v方向上的控制點(diǎn)網(wǎng)格、單變量B樣條基函數(shù)和2個(gè)節(jié)點(diǎn)矢量構(gòu)成，定義了一張張量積曲面，其曲面表達(dá)式為[9]：

(1)

式中：Pi,j(i=0,1,…,m;j=0,1,…,n)為構(gòu)成三維空間中控制網(wǎng)格的點(diǎn)陣列，大小為(m+1)×(n+1)；Ni,p(u)和Nj,q(v)分別為定義在節(jié)點(diǎn)矢量U和V上的p，q次B樣條基函數(shù)。節(jié)點(diǎn)矢量U=[u0,u1,…,um+p+1]，V=[v0,v1,…,vn+q+1]。

實(shí)際勘探中測(cè)得的數(shù)據(jù)有限，為精確擬合實(shí)際地層曲面，需根據(jù)已知數(shù)據(jù)反算B樣條曲面控制點(diǎn)，得到足夠多的控制點(diǎn)后再進(jìn)行曲面擬合。反算B樣條曲面擬合可分2步完成[8,10]：首先對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行u方向的B樣條曲線擬合，然后對(duì)所得的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行v方向的B樣條曲線擬合。

(2)

(3)

此時(shí)，可將式(3)視為一條樣條曲線，其控制點(diǎn)為ci(v) (i=0,1,…，m)，將此m+1個(gè)控制點(diǎn)代入式(2)即得以u(píng)為參數(shù)的曲線面。其中，必有n+1條過已知數(shù)據(jù)點(diǎn)的曲線，稱其為截面曲線。

(4)

(5)

通過式(5)反算可求得B樣條曲面的(m+1)×(n+1)個(gè)控制點(diǎn)pi,j(i=0,1,…,m;j=0,1,…,n)，從而擬合地層曲面建立三維地質(zhì)模型。

結(jié)合MIDAS GTS三維有限元軟件，根據(jù)以上B樣條曲面理論和實(shí)際勘探得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)(見表1)，擬合的地層曲面如圖4所示。

圖4 地表B樣條曲面擬合

表1 地表鉆孔坐標(biāo)

同理，依次可擬合出第2層和第3層地層的曲面圖，然后參考邊坡主要巖土力學(xué)參數(shù)表(見表2)，表中物理力學(xué)參數(shù)是根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，結(jié)合工程類比及相關(guān)規(guī)范獲得，縱向生成實(shí)體單元后最終得到完整的三維地質(zhì)模型(見圖5)。

表2 邊坡各土層參數(shù)

圖5 三維地質(zhì)模型

反算B樣條曲面擬合方法很好地解決了小樣本情況下地層曲面擬合精度不夠的問題，使擬合的地層曲面更加貼合實(shí)際情況，建立的三維地質(zhì)模型更加直觀連續(xù)。

3 切坡及支護(hù)對(duì)古滑坡的影響

基于B樣條曲面擬合建立的三維地質(zhì)模型(見圖5)，使用GTS/NX模擬實(shí)際工程中的切坡與支護(hù)過程。

古滑坡位置如圖6所示。大量實(shí)踐表明，滑坡破壞的主要位置即最大剪應(yīng)變發(fā)生的區(qū)域，在邊坡穩(wěn)定性有限元分析中，塑性區(qū)貫通的判定主要是依據(jù)剪切應(yīng)變，因此需通過查看應(yīng)變結(jié)果確定最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，即在GTS/NX中查看等效塑性應(yīng)變(E-EFFECTIVE PLASTIC)結(jié)果[11]，不同于描述變形過程中某一時(shí)刻的塑性應(yīng)變，等效塑性應(yīng)變是整個(gè)變形過程中塑性應(yīng)變的累積結(jié)果。

圖6 古滑坡位置

圖7顯示切坡后坡體塑性區(qū)貫通，證實(shí)了邊仰坡開挖會(huì)導(dǎo)致古滑坡復(fù)活，沿著潛在最危險(xiǎn)滑動(dòng)面發(fā)生滑動(dòng)變形，圖中貫通的塑性帶即為最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，此時(shí)邊坡處于時(shí)效變形階段，為防止該邊坡整體失穩(wěn)，需及時(shí)對(duì)其進(jìn)行支護(hù)加固，加固方案采取鋼管樁對(duì)發(fā)育中的超高陡大型滑坡體進(jìn)行初期加固，然后利用預(yù)應(yīng)力錨索框架梁對(duì)超高陡大型滑坡體進(jìn)行二次加固，最后采用雙級(jí)抗滑樁對(duì)超高陡大型滑坡體進(jìn)行最終加固。其材料參數(shù)如表3所示。

圖7 切坡未加固等效塑性應(yīng)變

表3 邊坡加固材料參數(shù)

在GTS/NX建模過程中，除土體采用實(shí)體單元外，其他均采用結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬。因?yàn)閷?shí)體單元雖比較直觀，但數(shù)據(jù)提取和處理有些困難，同時(shí)數(shù)據(jù)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)很大誤差，應(yīng)用結(jié)構(gòu)單元得到的數(shù)據(jù)較精確，結(jié)構(gòu)單元還可簡化計(jì)算，像錨桿、梁等結(jié)構(gòu)GTS/NX中就有類似的材料參數(shù)可供選擇輸入，況且對(duì)于隧道邊坡這種較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，關(guān)注的重點(diǎn)是結(jié)構(gòu)總體受力情況，因此除土體外其他結(jié)構(gòu)使用結(jié)構(gòu)單元更方便。

抗滑樁以受彎為主且長度遠(yuǎn)大于橫截面尺寸，相比于梁單元與其他單元同時(shí)用時(shí)須共節(jié)點(diǎn)，植入式梁單元無須共節(jié)點(diǎn)，因此采用植入式梁單元模擬抗滑樁較合適；植入式桁架單元一般用于模擬如忽略彎曲的錨索、土釘?shù)冉Y(jié)構(gòu)單元；板單元可考慮平面受拉、受壓、平面受剪、平面外受彎、厚度方向的剪切，故用板單元模擬框架梁。表3中材料參數(shù)則通過試驗(yàn)結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)獲得。

加固措施平面布置如圖8所示。

圖8 邊坡加固措施平面布置

在最遠(yuǎn)地表裂縫及主裂縫外2～3m依據(jù)實(shí)際地形情況各做3排φ108×6鋼管樁，鋼管樁長25～30m，1m×1m 梅花形布置；I—I，II—II，III—III斷面：在滑坡前緣均設(shè)置1排抗滑樁支擋，1排共5～8根，間距5m，長24～26m，截面尺寸為2.4m×3.6m；在隧道仰坡中下部設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行預(yù)加固，錨索長26～33m，錨索沿坡面方向間距3～3.4m，傾角為20°，III—III斷面錨索傾角30°，預(yù)應(yīng)力600kN，橫截面積1.8×10-4m2，漿液黏結(jié)力1×106N/m，抗拉強(qiáng)度 1 860MPa， 漿體內(nèi)摩擦角20°，錨索端部設(shè)置框架梁，豎梁及橫梁截面尺寸均為0.6m×0.6m，采用C30鋼筋混凝土現(xiàn)澆。

圖9顯示切坡后的坡體最大位移達(dá)282mm，主要滑動(dòng)部位為隧道洞口仰坡及古滑坡位置處。由圖10可知，加固后隧道洞口仰坡和古滑坡的滑移量非常小，滑坡最大位移僅7mm，可判斷加固后隧道洞口仰坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。且通過強(qiáng)度折減法計(jì)算得出的初始應(yīng)力場(chǎng)中邊坡的安全系數(shù)為1.1，不滿足隧道洞口仰坡安全系數(shù)的規(guī)范要求，在采用鋼管樁、錨索和抗滑樁等復(fù)合式支擋結(jié)構(gòu)加固后，邊坡的安全系數(shù)為1.406 64(>1.3)，達(dá)到JTG/T 3334—2018《公路滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》要求：在滑坡防治安全等級(jí)為I級(jí)正常工況下穩(wěn)定安全系數(shù)在1.20～1.30[12]。

圖9 切坡未加固坡體位移云圖

圖10 切坡加固后坡體位移云圖

為更全面地了解邊坡的變形規(guī)律，對(duì)邊坡進(jìn)行布點(diǎn)監(jiān)測(cè)，布置如圖11所示。取切坡后孔JZK3，JZK5，JZK6的深部位移實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖12所示。

圖11 監(jiān)測(cè)孔布置

圖12 JZK3，JZK5，JZK6深部位移監(jiān)測(cè)斷面(單位：m)

由圖12可知，切坡后距JZK3，JZK5，JZK6孔口0.6，2，3.3m處的實(shí)測(cè)位移約為190，270，160mm，使用鋼管樁、錨索和抗滑樁加固后位移量分別控制在20，50，80mm左右。這表明隨加固措施逐漸完成，坡體趨于穩(wěn)定狀態(tài)，與數(shù)值模擬的結(jié)果也相一致。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還顯示，邊坡深部存在一定的位移，但位移量不大且隨著深度增加而減小，這是受到隧道開挖影響，若隧道及滑坡處治不及時(shí)，將會(huì)誘發(fā)坡體沿潛在滑移面產(chǎn)生更深層次的滑動(dòng)。

4 隧道進(jìn)口開挖與邊坡施工及支護(hù)耦合分析

隧道進(jìn)口的開挖不僅易造成新的滑坡災(zāi)害，且對(duì)古滑坡也有一定影響[13]。隧道進(jìn)口開挖時(shí)，由于開挖坡度與原始坡度的突變導(dǎo)致突變處應(yīng)力、應(yīng)變值激增，可能使邊坡最大剪應(yīng)變區(qū)域貫通，形成潛在滑移面[14]，給隧道安全進(jìn)洞施工帶來極大困難。分析隧道進(jìn)口開挖與邊坡間的相互作用原理及隧道進(jìn)口邊坡的穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)便顯得尤為重要。

在結(jié)合B樣條曲面擬合理論與MIDAS GTS有限元軟件建立更加貼合實(shí)際情況的三維地質(zhì)模型基礎(chǔ)上，借助MIDAS GTS/NX模擬隧道進(jìn)口開挖，每次開挖進(jìn)尺為25m。

數(shù)值模擬顯示，隨著隧道開挖，如圖13所示，邊仰坡的滑移量逐漸變大，開挖100m時(shí)滑移量達(dá)320mm，坡體產(chǎn)生向臨空面的變形，極易造成洞口處滑坡。且隧道開挖后周圍巖體產(chǎn)生變形，在支護(hù)結(jié)構(gòu)薄弱的情況下加劇了隧道洞口段坡體的變形發(fā)展，坡體底部出現(xiàn)剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖14所示，因此得出隧道的開挖施工擾動(dòng)是該隧道進(jìn)口邊仰坡變形的直接誘因。加固后的邊仰坡位移云圖如圖15所示，可以看出，隧道進(jìn)口處邊仰坡的位移明顯變小，隧道洞口變形得到有效控制。

圖13 隧道分別開挖25，50,75，100m邊坡位移云圖

圖14 隧道開挖后邊坡的剪切應(yīng)變

圖15 加固后的邊仰坡位移云圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果繪制位移-時(shí)間監(jiān)測(cè)曲線如圖16所示，其顯示：對(duì)照分析JZK3，JZK5，JZK6數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)位移的位移-時(shí)間曲線，各測(cè)點(diǎn)位移隨著隧道開挖逐漸呈增大趨勢(shì)，但隨著支護(hù)加固措施的完成，位移量漸趨穩(wěn)定。

圖16 位移-時(shí)間監(jiān)測(cè)曲線

通過對(duì)某高速公路隧道進(jìn)口段在隧道開挖不同時(shí)段邊仰坡變形、應(yīng)力分布及加固后邊仰坡變形的模擬研究，并對(duì)照實(shí)際監(jiān)測(cè)資料分析得出，隧道開挖施工會(huì)造成圍巖擾動(dòng)，坡體底部出現(xiàn)應(yīng)力集中然后引起邊坡變形，邊坡變形又反作用于隧道洞身，而對(duì)邊坡進(jìn)行了支護(hù)加固后隧道洞口大變形也隨之趨于穩(wěn)定，表明該支護(hù)方案合理有效。

5 結(jié)語

1)在小樣本情況下，根據(jù)反算B樣條曲面擬合理論，結(jié)合MIDAS GTS/NX三維有限元軟件可對(duì)地層曲面進(jìn)行擬合建立更加符合實(shí)際的隧道洞口段高陡邊坡三維地質(zhì)模型。

2)通過對(duì)切坡支護(hù)前后坡體的位移變化、坡體塑性區(qū)、隧道開挖時(shí)邊坡的變形特征及應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行數(shù)值模擬分析，評(píng)估了隧道洞口段高陡邊坡穩(wěn)定性。

3)揭示了隧道進(jìn)口邊仰坡變形問題的起因是邊仰坡的開挖導(dǎo)致古滑坡復(fù)活，加上隧道開挖施工擾動(dòng)導(dǎo)致圍巖松弛變形，圍巖變形又引起邊坡失穩(wěn)，而邊坡失穩(wěn)又反作用于隧道洞身，形成惡性循環(huán)。

4) 提出了鋼管樁+預(yù)應(yīng)力錨索框架梁+抗滑樁的復(fù)合式支擋結(jié)構(gòu)支護(hù)加固方案，對(duì)比數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，證明了該支護(hù)方案的合理有效性，可為類似工程提供借鑒。