隧道開挖對邊坡穩定性的影響規律

柳墩利

(國家鐵路局 工程質量監督中心，北京 100891)

隧道往往穿越邊坡，有些邊坡存在古滑坡體或者山體裂縫,如果開挖過程中沒有對邊坡穩定性進行深入研究，很可能引發工程問題。例如，2004年3月29日武九線盛洪卿隧道施工中，由于邊坡不穩定引起隧道襯砌破壞，工程損失巨大;成昆線東榮河隧道所處的邊坡中存在滑坡面，在開挖擾動下隧道出現嚴重變形，甚至出現了整體位移。因此，開展下穿邊坡隧道力學特性的研究，對于保障施工安全和工程質量具有重要的理論和實際意義[1-2]。

馬惠民等[3]結合近年來我國山區公路建設中的滑坡及高邊坡研究和工程實踐，介紹了高邊坡病害的防治理論和技術。覃林[4]分析了隧道分步開挖對邊坡變形和受力的影響以及隧道開挖后邊坡的變形和受力規律。汪洋[5]研究了深埋長大山嶺隧道軟巖大變形機理，針對隧道施工進行災害預測和治理措施研究。謝曉東[6]研究了施工時序對松潘縣某隧道出口邊坡穩定性的影響，并將不同治理措施予以對比分析。此外，運用數值分析軟件模擬隧道開挖對邊坡影響規律的研究較多[7-9]。

本文以典型隧道下穿邊坡工程為依托，通過模型試驗和數值分析研究邊坡和隧道的相互作用。通過研究隧道開挖時邊坡的受力特點，選擇合理的隧道施工方案以避免滑坡等災害。

1 工程概況

一隧道位于涇河左岸的三級階地及黃土殘垣區，溝谷發育，溝內小型淺層滑坡錯落發育。地表覆蓋黃土，位于砂巖上。黃土主要為第四系上更新統黏質黃土，具有Ⅳ級自重濕陷性，濕陷厚度約20～40 m。隧道進口埋深較淺，部分地段位于濕陷性土層，對工程施工影響較大。隧道整體上屬于淺埋隧道，位于泥石流、滑坡等災害易發區。

隧道全長范圍內層屬Ⅳ級圍巖段。隧道右幅起止樁號為YK4+255—YK5+120，全長865 m；左幅為ZK4+295—ZK5+255，全長960 m。在下穿邊坡隧道中選取其中的100 m作為試驗模型的原型。其斷面尺寸見圖1。

圖1 原型斷面尺寸(單位:m)

2 隧道下穿邊坡模型試驗

2.1 試驗模型

試驗模型根據實際工程的邊坡形狀及工程地質條件制作。隧道邊坡巖土的物理力學參數見表1。原型與模型尺寸對比見表2。模型試驗監測內容有：①隧道開挖過程中邊坡的受力特性；②隧道開挖時邊坡位移。

表1 巖土物理力學參數

表2 原型與模型尺寸對比

2.2 模型制作

用中細沙為骨料，以酒精松香溶液為膠結劑，以石膏粉為填縫材料,按一定比例配制模型相似材料。在模型填筑過程中，應特別注意模型土密度的相似性，通過在夯實過程中控制橡膠錘的擊打次數保證其密度。只有盡可能使模型的密度與實際工程中的密度成一定的比例才能保證試驗的精確度。

選取模型隧道的中部截面布置壓力盒?？紤]到本次模型試驗還要監測隧道開挖過程中邊坡的穩定情況，共布置了21個壓力盒，如圖2所示。每次開挖3 cm 采集1次數據。

圖2 模型隧道周邊壓力盒布置

光柵多點位移計是用來監測開挖過程中邊坡表面的位移。在模型邊坡處埋設好位移監測點。監測的位置如圖3所示。

圖3 位移測點布設

根據隧道實際施工，在無支護情況下全斷面開挖，開挖循環進尺為3 cm。隧道開挖模型如圖4。

圖4 隧道開挖模型

2.3 模型試驗結果分析

試驗測試項目之一是監測隧道圍巖及邊坡壓力變化。在進行隧道開挖過程中由于掌子面不斷接近監測截面，每個監測點的壓力值發生變化。為了能對監測的數據及應力釋放過程進行全面研究，對監測數據進行了歸一化處理。監測的斷面位于模型中間。當掌子面未到達監測斷面時距離記為負數，通過監測斷面后距離記為正數。表3為徑向荷載釋放率。

表3 徑向荷載釋放率 %

圖5 隧道洞壁應力釋放過程

圖5是全斷面隧道開挖掌子面不斷推進過程中洞壁應力釋放過程。主要監測了隧道拱頂、邊墻和底板這3個部位的應力變化。可以看出，在開挖過程中隧道圍巖荷載的應力釋放主要受到隧道開挖圍巖擾動的影響，應力變化較為明顯。在掌子面越過監測斷面后，應力釋放加速。

邊坡位移每開挖10 cm記錄1次數據，經過處理后，選取偶數測點繪制位移曲線，如圖6所示。

圖6 邊坡位移曲線

由圖6可知，邊坡地表位移不斷增加，最大的位移達到了1.28 mm。當掌子面開挖到50 cm處時，邊坡位移突然增大。這是由于隧道的開挖使得臨空面不斷增大。

3 數值模擬分析

3.1 數值模型

采用ABAQUS數值模擬隧道的全斷面法開挖過程，并將數值計算結果與模型試驗結果作對比。模型的大小及形狀根據開挖對土體的影響范圍確定。模型的左右邊界施加水平方向的約束，底部邊界施加豎直方向的約束。對邊坡隧道結構進行網格的劃分，將模型用 2 232 個節點劃分為 2 015 個單元。

3.2 數值模擬結果分析

計算步驟依次是加載地應力、應力釋放、施作支護、移除開挖單元，分析各步驟邊坡及圍巖的位移、應力、應變變化情況。

1)各階段水平位移

用改變圍巖參數的方法動態模擬隧道開挖過程。不同階段水平位移云圖見圖7。

圖7 不同階段水平位移云圖(單位：m)

由圖7可知，在下穿邊坡隧道開挖過程中Ⅳ級圍巖位移較小而邊坡的位移比較大。由于隧道上方邊坡區域的地質情況較差，在開挖的擾動下其穩定性受到了影響。

2)圍巖及邊坡應力(見圖8)

圖8 不同階段最大主應力云圖(單位：Pa)

由圖8可知：在應力釋放后，應力分布云圖呈蝴蝶狀，隧道兩側邊墻附近出現負應力，最大主應力主要分布在隧道拱頂和底部。隨著隧道的開挖邊坡巖土層出現松動現象，應力出現負值。激活襯砌單元后，邊坡上部應力變大，坡腳處應力變小，邊墻處以及在激活襯砌單元后隧道四周的圍巖壓力都有所減少。

4 結論與建議

本文以一隧道下穿邊坡工程為依托，通過模型試驗和數值模擬方法對下穿邊坡隧道開挖過程中的應力、位移變化規律展開研究。主要結論及建議如下：

1)隧道開挖對邊坡的位移影響明顯，對邊坡和圍巖的穩定性影響最大是在開挖完成后拱頂處于臨空狀態的階段，模型試驗與數值分析結果有較好的一致性。

2)針對該隧道所處的邊坡中存在滑坡體的情況，建議先做好穩定邊坡的工作，先治坡，后進洞。邊坡下穿隧道時應及時調整支護方案，減小開挖擾動，防止滑坡災害，保證施工安全。