邊坡滑移影響下膨脹性土質隧道上覆土體塌方過程分析

徐欽健

(中鐵九局集團第九工程有限公司，吉林長春 130021)

地下工程的施工常面臨巖土性質的隱蔽性和不確定性，巖土體材料存在節理裂隙使得巖土體力學性質產生隨機變異［1-3］。特別是對于膨脹性土質隧道，施工期極易因季節性強降雨的入滲，引起土層的強烈脹縮，物理、力學性質發生明顯改變，導致隧道塌方失穩，局部甚至出現通天型塌方。開挖過程中，如果對特殊性土層處置不當，會造成連續不斷的坍塌事故。目前對于公路路基膨脹性土的問題解決得較好，但是對于膨脹性土質隧道的研究在國內外相對較少。

國內外在膨脹性土的理論與試驗、數值模擬等方面做了許多研究。文獻［4］系統研究了膨脹性土的膨脹能力，認為要充分研究膨脹性土體的膨縮能力，最直接的辦法是分析組成土體黏土礦物的類型與建立規范化的膨脹指標;文獻［5］對膨脹性土的膨脹潛力與膨脹壓力進行研究，認為通過控制膨脹性土中添加的纖維摻量與纖維高寬比，可以有效降低膨脹性土的膨脹潛勢;文獻［6］用有限元數值模擬方法分析了邊坡地形、裂隙位置、裂隙開展深度及裂隙滲透特性等對邊坡降雨入滲的影響;文獻［7］研究了膨脹性土的主要性狀、邊坡的穩定性分析與處理辦法。

國內外對邊坡影響下膨脹性土質隧道上覆土體塌方演化過程研究較少。本文采用數值分析軟件，主要模擬洞室在開挖釋放荷載作用下，因緊鄰邊坡滑移產生額外荷載，使膨脹性土質隧道產生坍塌，從位移、應力分布和破壞方式等角度揭示隧道塌方機制。

1 工程概況

山西省婁煩縣一膨脹性土質隧道為雙線鐵路隧道，所處地段地貌單元主要為丘陵、梁及峁，山峰相連，沖溝發育，多呈“V”字形，出露高程約1 266～1 170 m，相對高差約96 m。地表多為種植土，出露巨厚的第四系上更新統風積、沖積砂質黃土。在地表下20～60 m為上第三系膨脹性土質，膨脹潛勢為中～強。其中，第四系上更新統風積、沖積砂質黃土黃褐色，松散 ～密實，稍濕，成分以砂質土為主，層厚＞50 m，承載力在150～200 kPa。上第三系膨脹性土呈紅褐色，硬塑，結構致密，呈菱形狀，土內分布有裂隙，斜交剪切裂隙發育，由細膩的膠體顆粒組成，斷口光滑，局部有鈣質結核，出露地形坡度平緩(＜12°)，無明顯的自然陡坎，承載力在150～200 kPa。地下水主要為孔隙、裂隙潛水，受地形地貌、基巖裂隙等發育程度控制，裂隙水主要補給來源為大氣降水，以垂直排泄為主，徑流排泄速度快。

隧道所在地區具有以下地質特點:梁峁起伏、坡度陡峻、溝深谷狹、高差懸殊是本區地貌的總體特點;以梁峁及樹枝狀溝谷組合為基本特征，梁峁間彼此溝壑相隔，地形坡度較陡，土質疏松，徑流侵蝕作用強烈，沖溝十分發育，總體呈樹枝狀分布;由于坡度陡峭、高差懸殊、天然植被覆蓋少，梁峁頂部至溝底的各種流水侵蝕都很活躍，容易成為滑坡、崩塌等重力地貌的集中發育地段。該膨脹性土質隧道縱斷面如圖1所示。

圖1 隧道縱斷面

2 上覆土體塌方離散元(UDEC)數值模擬

2.1 土體坍塌情況概述

建設期隧道受偏壓、高仰邊坡及地質特點的影響，膨脹性土吸水增濕膨脹，緊鄰邊坡發生滑移，擠壓洞室發生塌方。空間形態上表現為邊坡滑移方向與隧道前進軸線方向垂直。

這種空間形態的變形破壞，最先在邊坡與支護結構作用面上出現一些與邊坡運動方向垂直的裂縫，在接觸面附近，裂縫發展變化最快。隨著土體膨脹變形發展，裂縫面逐漸擴大，裂縫寬度逐漸增寬，逐漸發展出數量眾多的次生相交裂縫。膨脹變形過程增大了對型鋼及噴射混凝土結構的擠壓，整個拱部與頂部向洞室內部方向變形，邊墻結構逐漸剝離，底板彎曲變形，洞室向凈空面收縮。隨著時間的發展，初期支護體系被破壞，拱架屈曲，拱部與頂部結構剝落、位移，完全失去支撐能力，地表下陷，上覆土體下落涌入洞內。空間形態上邊墻與腰部圍巖滑移推動產生變形裂縫處的支護結構，腰部和頂部噴射混凝土逐漸剝落、初期支護掉塊、型鋼屈曲、裂縫密集增多并擴大。變形破壞過程由慢及快，襯砌結構逐漸喪失承載能力，直至變形過大，支護整體發生破壞，相互作用處土體垂直下落，掩蓋隧道與支護體系，隧道發生洞內塌方。邊坡滑移影響下襯砌裂縫如圖2所示。

2.2 數值模型的建立

參照該膨脹性土質隧道設計參數，采用通用離散元軟件UDEC模擬平面應變下的隧道開挖過程。依托地質資料、地質復勘和土體坍塌斷面的揭示，統計發現主要存在3組節理，且埋深愈淺，表面節理愈發育。利用UDEC模擬軟件自帶的JSET命令將圍巖生成3組帶有隨機參數分布的節理，具體參數見表1。

圍巖采用摩爾—庫倫(change cons=3)模型，節理采用庫倫滑動模型(change jcons=2)模型。對于選取的DK75+230斷面模型邊界條件為側向邊界和底邊邊界設置法向約束，上表面設置自由邊界，地應力按自重應力場添加，側向壓力系數取0.285，初期支護采用beam梁單元模擬。計算模型尺寸為115 m(寬)×103 m(高)。

圖2 邊坡滑移影響下襯砌裂縫效果

表1 節理參數

2.3 數值模擬結果分析

模擬計算洞室變形破壞、內部塌方時，塊體間會因失去聯結力而相互分離，繼而通過不平衡力無法控制坍塌效果，因此通過穩態計算方法來控制計算過程。

1)位移矢量與豎向位移分布(圖3)。由圖3可以看出，頂部土體向右滑動擠壓塌方區域土體，洞室上覆區出現大范圍豎直方向位移。位移變形過大，支護結構破壞，土體沿豎直方向落入洞室，掩埋隧道。

2)最大、最小主應力分布。洞室內部發生變形破壞的最大、最小主應力分布如圖4所示，可以看出，塌方過程中上覆土體很多區域塊體最大、最小主應力均已變為0，說明塊體間已失去聯結能力，即洞室處于大體積坍塌滑落狀態，直至坍塌過程結束，山體達到新的平衡。

3)土層增濕膨脹引起邊坡滑移產生額外荷載，超過型鋼抗壓極限，引起支護結構屈曲變形，造成洞室襯砌變形破壞，導致圍巖產生了較大的豎直方向位移，垂直下落充填、掩埋洞室。因邊坡滑移影響，洞室內部左側墻體最先受到荷載作用，邊墻與拱頂出現裂縫，隨著型鋼變形破壞，裂縫密集增多、寬度擴大，支護結構脫落，上覆圍巖受自重和額外荷載擠壓作用，出現大量豎直方向位移。數值模擬結果見圖5，實際破壞情況見圖6。

綜上分析，隧道開挖以后，圍巖原有的天然應力狀態被破壞，引起開挖區域附近應力重分布。圍巖較容易在低圍壓和高應力差的環境下發生變形破壞，即便在有支護條件下亦是如此。當支護結構不能提供足夠的支護力，或者說因邊坡滑移而增加的額外荷載導致支護結構變形破壞，圍巖變形得不到有效的約束控制時圍巖變形隨之產生。建設期洞室坍塌正是由于邊坡滑移，產生額外荷載，使支護結構屈曲變形，直至破壞，上覆土體發生大體積塌方。

圖4 最大、最小主應力分布

圖5 模擬破壞情況

圖6 實際破壞情況

綜合數值分析結果與真實破壞情況，為避免類似隧道坍塌的發生，給出如下建議:

圖3 洞室坍塌位移矢量與豎向位移分布示意

1)洞頂上方區域必須回填密實，頂部地表盡量卸載、反壓，盡可能減少兩側土體對襯砌產生的不對稱側壓，減小剩余偏壓力對隧道整體穩定的影響。

2)邊坡發生滑移，在變形可控范圍，應立即封閉地表土體裂縫與襯砌貫通裂縫，尤其是滑移作用面附近的張開裂縫。洞室內部增加臨時剛性支撐，并與初支結構連接形成整體，以增加洞室內部穩定性，控制圍巖變形。

3)地表徑向注漿。建議對洞室內部采用對穿注漿錨索加固拱部以上地層，從下往上，間隔跳孔注漿，防止大體積坍塌的產生。

4)初期支護增強。減少型鋼排距，采用高強度、低回彈噴射混凝土噴射頂部及邊墻，保證有足夠承載力抵抗圍巖變形。

3 結論

1)非飽和膨脹性土增濕膨脹，引起緊鄰邊坡滑移，產生額外荷載，附加在支護結構上，導致型鋼屈曲、支護結構變形、破壞，形成洞室內部塌方。建設期隧道正是由于區域性強降水的入滲及引排水措施的不當引起了中等偏強膨脹潛勢的膨脹性土膨脹變形，引起洞室坍塌。

2)數值分析結果表明，邊坡滑移影響下，洞室內出現大范圍豎向位移，位移最大值出現在土體頂部區域。發生變形破壞時，土體聯結能力喪失，最大、最小主應力大部分已變為0;內部左側墻體最先受到荷載作用，邊墻與拱頂出現裂縫，隨著型鋼變形破壞，裂縫密集增多、寬度擴大，支護結構脫落，上覆土體進入隧道，掩埋洞室。模擬結果與現場真實情況破壞方式基本一致。

3)針對隧道的實際情況，結合數值分析結果，提出了以回填、封閉及注漿為主，以加強初期支護及采用新型高強、低回彈的噴射混凝土為輔的預防措施。

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