內外組合施工擾動下隧道洞口邊坡穩定性分析

宋開忠，侯哲生，劉媛媛

(煙臺大學 土木工程學院, 山東 煙臺 264000)

在山區修建隧道工程時，經常會遇到在隧道洞口處大面積開挖或修建涵洞、路基等其它建筑設施的情況。結果，不可避免地會對隧道洞口處的邊坡圍巖造成擾動，并容易引起滑坡等地質災害，這是山區隧道建設過程中不容忽視的工程地質問題[1-2]。在整個隧道施工過程中，洞口段的施工一直以來又是一個難點、重點。尤其是在復雜地質地形條件下，再加上內外組合施工對土體的擾動，隧道洞口施工會變得更加的困難。雖然不少學者[3-7]已經對隧道洞口的邊坡穩定性做了很多研究與討論，但對在內外組合施工擾動下隧道洞口邊坡穩定性研究還比較少。因此本文在這些研究的基礎上，以清家溝隧道作為依托，通過MIDAS/GTS NX有限元分析軟件真實模擬其地形地質條件和動態施工過程，得到了隧道洞口段圍巖變形特征以及擾動影響的范圍，為今后相似工程項目提供一定的參考建議。

1 工程概況

1.1 隧道概況

邢汾高速公路所轄路段全長87.193 km，東部起點與邢臨高速、京港澳高速公路連接，終點位于冀晉省界。清家溝隧道是邢汾高速公路項目的重點控制性工程之一，位于清家溝村東側的山體斜坡上，地形起伏變化大，地質條件復雜。該隧道為左右雙向六車道分離式隧道，左線長850 m，起訖樁號ZK68+010—ZK68+860，設計縱坡2.4%；右線長885 m，起訖樁號YK68+005—YK68+890，設計縱坡2.0%。隧道內建筑界限凈寬14 m，限制高度5 m，最大埋深138 m。

1.2 工程地質概況

1.3 隧道洞口坍塌具體情況

隧道右線出口段連接高填方路堤，下面鋪設鋼筋混凝土涵洞。隧道出口的開挖和修建涵洞基礎的施工過程中，在出口位置開挖邊坡以形成一個臨空面，從而改變了原始的平衡狀態，再加上施工過程中對土體造成的擾動，加劇了邊坡的失穩，導致隧道出口的邊坡產生緩慢的滑移并出現裂縫?；芽p位置大概在YK68+860處，距離出口明暗交界線約為15 m，距離掘進的掌子面約為14 m?；麦w的水平裂縫寬度約為20 cm～35 cm，局部垂直滑移距離50 cm，坡底局部隆起量約為25 cm，涵洞基礎出現大約3 cm～5 cm的后移現象，裂縫的延伸長度約為50 m，現場整體概況和具體情況如圖1—圖4所示。

圖1 現場整體塌陷圖

圖2 局部水平裂縫寬度約為20 cm

圖3 局部垂直滑移距離約為50 cm

圖4 坡體底部局部隆起量約為20 cm～30 cm

1.4 隧道施工設計

隧道施工采用分部開挖法開挖，開挖之后應該及時進行初期支護的施工，必要時采取加固措施。隧道的主要支護結構是以噴射混凝土、鋼筋網、鋼拱架、中空注漿錨桿等組成的初期支護和二次襯砌組成的復合式襯砌。其中初期支護包括Φ25 mm中空注漿錨桿(間距100 cm×50 cm)，Φ8 mm鋼筋網(間距20 cm×20 cm)，I22b鋼拱架(縱向間距50 cm)，鋼架采用HRB335鋼筋連接，噴射28 cm厚C25早強混凝土；二次襯砌為60 cm～100 cm厚的C25鋼筋混凝土。本工程中分部開挖法的具體施工工序為：Ⅰ：上半段面拱部開挖；Ⅱ：上半斷面拱部初期支護(掛鋼筋網，安裝錨桿，噴混凝土)；Ⅲ：上半斷面兩側開挖；Ⅳ：上半斷面兩側初期支護；Ⅴ：下半斷面左側開挖；Ⅵ：下半斷面左側初期支護；Ⅶ：下半斷面右側開挖；Ⅷ：下半斷面右側初期支護；Ⅸ：全斷面模筑二次襯砌鋼筋混凝土，每次開挖以3 m一個進尺，具體襯砌設計及開挖方法如圖5所示。

圖5 隧道襯砌設計及開挖工序斷面圖

2 隧道建模

2.1 建立模型

為了能夠真實模擬其地形地質條件，本次建模采用MIDAS/GTS NX有限元分析軟件中特有的地形數據生成器。通過清家溝隧道右線出口段真實地形圖建立了原始地形地貌。由圣維南原理[8]和有限元離散誤差可知，隧道開挖對周圍圍巖的應力和應變影響一般不超過3倍～5倍洞跨外的范圍，因此本模型的邊界范圍取為100 m×222 m×124 m。模型邊界條件采用自動約束條件，上表面為自由邊界，與坐標軸Y軸互相垂直的兩平面采用Y方向約束，與坐標軸X軸互相垂直的兩平面為X方向約束，與坐標軸Z軸垂直的底面為完全約束[9-10]。具體三維模型如圖6所示。

圖6 有限元計算模型圖

2.2 計算參數

巖土體材料模型采用Mohr-Coulomb[11-12]本構模型，通過3D實體單元模擬，初期支護和二襯采用彈性本構模型，使用2D板單元模擬，錨桿采用1D植入式桁架模擬，數值計算方法用Newton-Simpson方法進行迭代計算。根據《公路隧道設計規范》[13](JTG D70/2—2014)和《公路隧道設計細則》[14](JTG/T D70—2010)，再結合工程地質勘察報告來選取模型參數，具體參數如表1所示。

表1 計算參數

3 數值計算與結果

在此次建模分析中，依次模擬了清家溝隧道右線出口洞口段邊坡在自然狀態下、外部施工(坡腳開挖)、內部施工(隧道開挖)以及內外組合施工(坡腳開挖+隧道開挖)四種工況下的穩定性。為了進行比較分析，計算了四種工況的穩定性系數。根據得出的不同工況下邊坡穩定性系數、邊坡剪應變以及洞口周邊圍巖的變形情況，分析了剪切應變的變化特征和圍巖變形范圍。

3.1 不同工況下邊坡穩定性系數計算

采用MIDAS/GTS NX軟件中內置的強度折減系數法(SRM)[15-16]來分析四種工況的邊坡穩定性，得到其安全穩定性系數(見表2)和土體剪應變增量。

表2 邊坡穩定性系數

由表2可以看出在自然狀態下，清家溝隧道洞口邊坡處于穩定狀態。其中外部施工(坡腳開挖)比內部施工(隧道開挖)對邊坡的穩定性影響更大，那是因為坡腳開挖在坡腳處形成臨空面，洞口段巖體又破碎，完整性較差，更容易在坡腳處形成應力集中現象。當進行內外組合施工(坡腳開挖+隧道開挖同時進行)，此時對邊坡的擾動影響變為最大，并加劇了邊坡產生滑坡失穩，產生較大裂縫，這也符合現場實際情況。

3.2 不同工況下邊坡剪應變對比分析

通過數值模擬計算，可以得到不同工況下邊坡剪應變圖，如圖7所示。從圖中可以看出，四種工況下邊坡的剪應變都形成一個圓弧狀的曲面，而且都集中于從邊坡坡腳開挖處一直延伸至邊坡坡頂這樣一個范圍。從剪應變數值上分析，在邊坡坡頂處最小，在坡腳開挖處達到最大。其次可以看出在自然狀態下和坡腳開挖時，最大剪應變范圍集中在坡腳，這也驗證了在坡腳處容易形成應力集中現象。隨著隧道開挖和坡腳+隧道開挖，最大剪應變范圍也從坡腳向坡頂延伸，并在坡腳開挖+隧道開挖時貫通?；趶姸日蹨p有限元法中邊坡失穩判據：當出現潛在滑移面貫通，就可以判定該邊坡失穩。因此可以判斷在坡腳開挖+隧道開挖時邊坡已經失穩，這也說明了內外組合施工對隧道洞口邊坡的擾動最大?；谝陨咸卣?，可以判定邊坡所形成的圓弧面就是邊坡失穩時所產生的滑動曲面。這和現場實際情況邊坡破壞所產生的裂縫曲線相差不大，也驗證了在邁達斯有限元軟件中，采用強度折減系數法來計算邊坡穩定性也是正確的。

圖7 各種工況下剪應變圖

3.3 開挖完成后圍巖變形分析

根據以上分析，知道內外組合施工擾動下對隧道洞口邊坡的穩定性影響最大。為了比較直觀的了解內外組合施工對邊坡擾動的影響，所以本次模擬了隧道開挖過程中對洞口邊坡的影響范圍。選取了開挖掌子面距離隧道洞口10 m、19 m、28 m、37 m處的洞口表面和坡腳整體位移情況，如圖8—圖11所示。

圖8 隧道開挖距離洞口37 m位移圖

圖9 隧道開挖距離洞口28 m位移圖

從圖8—圖11可知：剛開始隧道向前掘進，由于處于巖質較好的巖層，距離洞口較遠，隧道開挖對洞口上方邊坡的影響很小。當開挖至洞口距離為37 m、28 m、19 m、10 m時，隧道洞口正上方5 m的位置分別發生了15.90 cm、18.3 cm、22.74 cm、33.23 cm的滑移，坡腳涵洞基礎處分別發生了26.62 cm、27.65 cm、28.63 cm、28.99 cm的隆起；每向前開挖9 m，洞口處分別增加了2.40 cm、4.44 cm、10.49 cm，坡腳處分別增加了1.03 cm、0.99 cm、0.35 cm。由此可得：隨著隧道開挖掌子面距離洞口越來越近，對隧道洞口處的位移影響范圍越來越大，并且沿洞口周邊向四周逐漸減小，對坡腳涵洞基礎位置的位移影響速率也在逐漸減小。

圖10 隧道開挖距離洞口19 m位移圖

圖11 隧道開挖距離洞口10 m位移圖

4 結 論

本文通過對清家溝隧道洞口邊坡進行三維動態數值模擬，并進行其不同工況下邊坡穩定性系數的計算，再對比了不同工況下邊坡剪應變，最后分析了內外組合施工擾動下隧道洞口圍巖的變形情況，得出以下結論：

(1) 采用強度折減系數法(SRM)對清家溝隧道不同工況下邊坡穩定性計算表明：在自然狀態下，邊坡穩定性系數為1.24，邊坡處于穩定狀態。分別進行坡腳開挖和隧道開挖對邊坡的穩定性都產生了影響，但是邊坡的穩定性系數都大于1，邊坡還處于穩定狀態。當在進行坡腳和隧道同時開挖時，其洞口邊坡穩定性系數為0.97，邊坡已經發生了破壞，說明內外組合施工對隧道洞口處的擾動最大。

(2) 經過MIDAS/GTS NX三維動態數值模擬，并結合邊坡的剪應變增量變化情況分析，得到隧道邊坡剪應變呈圓弧狀分布，沿邊坡滑移面從坡頂向下依次增大，并在坡腳處達到最大值。最大剪應變從邊坡坡腳一直延伸至邊坡坡頂，并在內外組合施工擾動下形成貫通區。

(3) 清家溝隧道邊坡在隧道開挖過程中最不穩定部分為隧道洞口處，并且沿洞口附近向四周逐漸減小。因此，為保證隧道洞口在施工過程中的順利進行，需要在施工時時刻監測隧道洞口處的圍巖變形，尤其是洞口正上方的滑坡和坡腳處的拱起，并針對這種情況采取必要的加固處理措施。