隧道開挖對坡體穩定性的影響研究

朱　超

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300251)

1　工程簡介

羅家村隧道是大理—瑞麗鐵路重要控制工程之一，全長534 m，最大埋深54 m，最小埋深18 m。隧道區屬低山剝蝕、坡殘積緩坡地貌。山體大致走向為南北向，地勢東北高，西南低，起伏較大，地面高程1 540～1 745 m，相對高差200 m。橫向沖溝較發育，地面橫坡變化較大，10°～45°不等。區內上覆第四系全新統滑坡堆積體(Q4del)粉質黏土，沖洪積(Q4al+pl)粉質黏土、碎石土，殘坡積(Q4dl+el)粉質黏土、碎石土；下伏基巖為侏羅系中統花開左組一段泥巖夾砂巖及斷層影響帶壓碎巖。

隧道開挖至D2K28+072處，于D2K28+052處發生塌方，塌方后地表形成裂縫，且迅速明顯增大、增長，順著原有裂縫向大里程方向延伸，裂縫寬度1～12 cm，并形成多條橫向裂縫，長8～30m，寬1～6 cm。隨后洞內D2K28+040～+078段初期支護發生環向、縱向開裂，噴射混凝土掉塊，收斂變形增大。現場調查發現地表裂縫與隧道圍巖裂隙貫通，實質已形成山體開裂(見圖1)。

圖1　地表開裂與隧道相對位置示意

隧道山體開裂呈現以下特征：

①縱向、橫向均發生開裂。

②縱向開裂張開度小，延伸長，傾向變化較大。

③橫向開裂張開度較大，延伸相對較短，傾向與基巖巖層傾向大體一致，順坡傾向橫向溝谷。

④開裂部位巖體節理較發育，巖體較破碎。局部裂縫有泥質充填，表明其沿巖體節理面開裂形成。

2　坡體天然狀態下的穩定性分析

在邊坡穩定性分析領域，極限平衡法應用較多。

對坡體進行極限平衡分析時，一般采用比較特殊的條分方式，目前常用的條分法有瑞典法、bishop法、Janbu法、傳遞系數法等。

應用極限平衡原理，選用Slide軟件Bishop法計算分析坡體天然狀態下的穩定性。依據羅家村隧道工程勘察及隧址區實測資料，建立二維分析模型，如圖2所示。坡體內巖土體物理力學參數見表1。

表1　巖土體物理力學指標

圖2　穩定性分析二維模型

二維數值計算分析的結果表明，天然狀態下坡體抗滑穩定的安全系數K=1.27，潛在滑移面穿越擬開挖隧道洞身，坡體自穩能力較好。

3　隧道開挖對坡體穩定性的影響分析

強度折減技術的原理是利用公式(1)和(2)調整土體的強度指標c，φ，其中Ft為折減系數，然后對坡體進行有限元分析，通過不斷地增加折減系數Ft，反復分析坡體，直至其達到臨界破壞狀態，此時得到的折減系數即為安全系數Fs。

ct=c/Ft

(1)

φt=arctan(tanφ/Ft)

(2)

用強度折減有限元方法分析邊坡的穩定性，通常采用解的不收斂作為破壞標準，在用戶指定的收斂準則下算法不能收斂，表示應力分布不能滿足坡體的破壞準則和總體平衡要求，意味著出現破壞。

以羅家村隧道進口段坡體為研究對象，采用有限元強度折減法，選取Midas/GTS軟件建立計算模型，對隧道施工過程中坡體抗滑穩定狀態進行動態模擬，分析隧道開挖對坡體穩定性的影響。根據地質勘測部門提供的地質圖，在盡量與原地形相吻合的情況下簡化模型，取得了很好的效果。計算模型網格劃分如圖3～圖6所示。坡體材料特性按均質彈塑性考慮，采用莫爾—庫侖屈服準則。

圖4　坡體網格劃分側視

圖5　隧道網格劃分

圖6　隧道網格劃分側視圖

在模擬過程中，采用臺階法開挖，先開挖上臺階，計算一定時間步后施做上部初支，后開挖下臺階，釋放一定時間步后初支閉合，上下臺階錯距5 m。圍巖及支護結構物理力學參數如表2。

表2　巖土體物理力學指標

圖7為隧道開挖過程中坡體抗滑穩定安全系數變化曲線，可見隧道開挖對坡體穩定性有較大影響。坡體在天然狀態下的穩定安全系數為2.825，可見二維狀態下的計算值偏于保守。在隧道進尺20～45 m段，坡體的抗滑穩定安全系數降低速率最大，坡體的穩定性受到隧道開挖的影響最大。此時，坡體由于地層中巖體的碎裂結構及開挖卸荷作用抗滑力降低較大，內部變形趨勢在坡面上表現為碎石幾何位置的調整，在開挖的初始階段，坡面巖體發生松動變形，局部有順層滑塌趨勢，地表出現小規模的開裂。隨著開挖進程的深入，坡體下部臨空面積增大，坡體抗滑穩定能力持續降低，滑移失穩趨勢增強，坡面巖體變形增大，地表開裂規模也隨之增大，坡體安全系數K在隧道開挖至55 m后降低速率減小明顯，最終收斂于1.872。此時，坡體內巖體破碎程度降低，整體性較好，隧道開挖對坡體的穩定性影響程度逐漸減弱，直至不再產生影響。隧道開挖沒有導致坡體滑動失穩破壞，坡體自穩能力較好，但整體穩定性變化較大，施工中務必采取治理措施，防止坡體的開裂破壞隧道結構。

圖7　安全系數變化曲線

4　結束語

隨著隧道工程的開挖進尺，其對圍巖的擾動影響十分強烈。地應力在隧道開挖過程中不斷進行調整、轉移和應力集中，并且形成次生應力場，巖體中伴隨產生卸荷裂隙。巖體中裂隙更為發育，結構面之間相互切割，巖體亦成碎裂塊狀。由于巖體的自身重力及隧道開挖的卸荷作用，山體沉降失穩，加上結構面的切割作用，巖體松動破碎，裂隙張開，且多處形成切層連通，巖體之間開裂加劇，結構面完全貫通，最終導致了羅家村隧道山體的開裂。

盡管隧道工程開挖后進行了支護結構的施工，但是支護始終滯后于開挖，隧道一旦開挖，圍巖的彈塑性變形將在短時間內完成。即使支護完成之后，仍需一定時間的固結、硬化過程，在此過程中，圍巖繼續變形。工程的原位巖體是有初始應力的，而支護結構逐漸開始受力，并最終參與地層的新的應力平衡。在此期間，大部分構造應力已經釋放，釋放過程勢必引起大范圍的巖體位移，隧道開挖不可避免的引起圍巖移動，最終促使山體的開裂。支護結構強度的不足，還會引起隧道結構的變形甚至破壞。

在隧道施工過程中，務必加強支護，嚴格控制分臺階開挖的步距，可選用超前小導管與剛架支撐體共同組成支護系統，小導管起到超前管棚和注漿管作用，通過注漿形成加固層，提高圍巖的整體性和自穩能力，防止掘進中的過大變形和垮塌。

[1]王思敬，等.地下工程巖體穩定分析[M].北京：科學出版社，1984

[2]朱大勇，錢七虎，周早生,等.復雜形狀硐室圍巖應力的彈性解析分析[J].巖石力學與工程學報，1998(4)：402-404

[3]于學馥，鄭穎人,等.地下工程圍巖穩定性分析[M].北京：煤炭工業出版社，1983．

[4]陳帥宇，周維垣，楊強,等.二維快速拉格朗日法進行水布亞地下廠房的穩定性分析[J].巖石力學與工程學報，2003，22(7)：1047-1053

[5]孫紅月，尚岳企，張春生.硐室圍巖薄弱區三維數值模擬研究[J].巖石力學與工程學報，2004，23(13)：2192-2196

[6]余衛平，耿克勤，汪小剛.某水電站地下廠房硐室群圍巖穩定性分析[J].巖土力學，2004，25(12)：1955-1960