隧道洞口開挖誘導高陡邊坡滑動變形及支護研究*

呂 鑫，祝方才，高樂星，晏 仁

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

0 引言

洞口段施工是山嶺隧道安全、順利進洞的關鍵，直接關系到工程的工期和造價，但在實際進洞施工過程中常出現隧道邊仰坡滑塌等工程事故[1-5]。據不完全統計，2006—2016年，我國在公路、鐵路隧道建設過程中發生了多起洞口邊仰坡坍塌事故，造成巨大的經濟損失及惡劣的社會影響。發生此類事故的原因是多方面的，其主要原因為山嶺隧道洞口段往往存在地質條件差、埋深淺甚至偏壓等施工難點，加上施工擾動等外界因素的不利影響，稍有不慎便會導致進洞施工過程中的邊仰坡滑塌事故發生。然而，當前關于該類問題的研究相對較少，既有成果主要側重于隧道邊仰坡失穩原因和處治措施方面，未綜合考慮古滑坡、隧道邊仰坡失穩和隧道洞口大變形情況。

另外，原始數據怎樣快速準確地轉換為三維模型，一直也是各界所關注的熱點問題。各種曲面構成了物體的表面，可以說，三維模型就是以曲面擬合為基礎建立[6]。早在1997年，Piegl Les等就提出了關于使用B樣條曲面擬合的方法[7]，由于B樣條曲面具有直觀性、自動連續性等優點，近年來，基于B樣條曲面的自由曲面的重建方法被廣泛應用到各領域，同時也衍生出許多以此為基礎的優化方法。本文的地質建模將采用反算B樣條曲面理論[8]，對地層進行擬合從而建立三維地質模型。

本文以某高速公路隧道為例，針對該隧道進洞施工過程邊仰坡滑塌的處治方案及大變形控制技術，通過現場調查、數值模擬和現場測試的方法開展研究，以探明該高速公路隧道邊仰坡失穩的主要原因，進而提出相應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)。場區地層特性為：①覆蓋層 坡積層(Qdl)含碎石粉質黏土，呈可塑狀，含少量強風化基巖碎石、角礫，碎石成分為強風化板巖，粒徑0.2～2cm，場區均有分布，厚度 0～5m；②強風化層板巖 呈薄層狀，巖體破碎，呈松散碎裂結構，巖心呈砂狀，鉆探揭露厚度一般15～26m；③中風化層板巖 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的需要，在坡體上進行仰坡及便道開挖，導致因仰坡開挖切腳臨空，進口段仰坡多發多次開裂變形，坡體淺表層產生開裂變形形成多處牽引式裂縫，最長裂縫達52m，裂縫寬度一般0.2～2cm，最大達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

最遠裂縫距離隧道洞口約200m，滑坡寬度達130m，形成滑坡體，并有進一步擴大變形的趨勢，造成滑坡與上部既有的古滑坡體相接，導致古滑坡體出現復活趨勢，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，穩定性降低。將嚴重危及坡體上村寨居民的人身財產、高速公路隧道及下方某特大橋的建設安全，需進行工程處治。

2 B樣條曲面擬合

B樣條曲面方程由u，v方向上的控制點網格、單變量B樣條基函數和2個節點矢量構成，定義了一張張量積曲面，其曲面表達式為[9]：

(1)

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

實際勘探中測得的數據有限，為精確擬合實際地層曲面，需根據已知數據反算B樣條曲面控制點，得到足夠多的控制點后再進行曲面擬合。反算B樣條曲面擬合可分2步完成[8,10]：首先對數據點進行u方向的B樣條曲線擬合，然后對所得的數據點進行v方向的B樣條曲線擬合。

(2)

(3)

此時，可將式(3)視為一條樣條曲線，其控制點為ci(v) (i=0,1,…，m)，將此m+1個控制點代入式(2)即得以u為參數的曲線面。其中，必有n+1條過已知數據點的曲線，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)個控制點pi,j(i=0,1,…,m;j=0,1,…,n)，從而擬合地層曲面建立三維地質模型。

結合MIDAS GTS三維有限元軟件，根據以上B樣條曲面理論和實際勘探得到的數據點(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

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參數表(見表2)，表中物理力學參數是根據地質勘察報告，結合工程類比及相關規范獲得，縱向生成實體單元后最終得到完整的三維地質模型(見圖5)。

表2 邊坡各土層參數

圖5 三維地質模型

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際情況，建立的三維地質模型更加直觀連續。

3 切坡及支護對古滑坡的影響

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

古滑坡位置如圖6所示。大量實踐表明，滑坡破壞的主要位置即最大剪應變發生的區域，在邊坡穩定性有限元分析中，塑性區貫通的判定主要是依據剪切應變，因此需通過查看應變結果確定最危險滑動面，即在GTS/NX中查看等效塑性應變(E-EFFECTIVE PLASTIC)結果[11]，不同于描述變形過程中某一時刻的塑性應變，等效塑性應變是整個變形過程中塑性應變的累積結果。

圖6 古滑坡位置

圖7顯示切坡后坡體塑性區貫通，證實了邊仰坡開挖會導致古滑坡復活，沿著潛在最危險滑動面發生滑動變形，圖中貫通的塑性帶即為最危險滑動面，此時邊坡處于時效變形階段，為防止該邊坡整體失穩，需及時對其進行支護加固，加固方案采取鋼管樁對發育中的超高陡大型滑坡體進行初期加固，然后利用預應力錨索框架梁對超高陡大型滑坡體進行二次加固，最后采用雙級抗滑樁對超高陡大型滑坡體進行最終加固。其材料參數如表3所示。

圖7 切坡未加固等效塑性應變

表3 邊坡加固材料參數

在GTS/NX建模過程中，除土體采用實體單元外，其他均采用結構單元進行模擬。因為實體單元雖比較直觀，但數據提取和處理有些困難，同時數據有時會出現很大誤差，應用結構單元得到的數據較精確，結構單元還可簡化計算，像錨桿、梁等結構GTS/NX中就有類似的材料參數可供選擇輸入，況且對于隧道邊坡這種較復雜的結構，關注的重點是結構總體受力情況，因此除土體外其他結構使用結構單元更方便。

抗滑樁以受彎為主且長度遠大于橫截面尺寸，相比于梁單元與其他單元同時用時須共節點，植入式梁單元無須共節點，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、土釘等結構單元；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中材料參數則通過試驗結合工程經驗獲得。

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

在最遠地表裂縫及主裂縫外2～3m依據實際地形情況各做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置預應力錨索進行預加固，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°，預應力600kN，橫截面積1.8×10-4m2，漿液黏結力1×106N/m，抗拉強度 1 860MPa， 漿體內摩擦角20°，錨索端部設置框架梁，豎梁及橫梁截面尺寸均為0.6m×0.6m，采用C30鋼筋混凝土現澆。

圖9顯示切坡后的坡體最大位移達282mm，主要滑動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定狀態。且通過強度折減法計算得出的初始應力場中邊坡的安全系數為1.1，不滿足隧道洞口仰坡安全系數的規范要求，在采用鋼管樁、錨索和抗滑樁等復合式支擋結構加固后，邊坡的安全系數為1.406 64(>1.3)，達到JTG/T 3334—2018《公路滑坡防治設計規范》要求：在滑坡防治安全等級為I級正常工況下穩定安全系數在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律，對邊坡進行布點監測，布置如圖11所示。取切坡后孔JZK3，JZK5，JZK6的深部位移實際監測數據如圖12所示。

圖11 監測孔布置

圖12 JZK3，JZK5，JZK6深部位移監測斷面(單位：m)

由圖12可知，切坡后距JZK3，JZK5，JZK6孔口0.6，2，3.3m處的實測位移約為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，坡體趨于穩定狀態，與數值模擬的結果也相一致。監測數據還顯示，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，將會誘發坡體沿潛在滑移面產生更深層次的滑動。

4 隧道進口開挖與邊坡施工及支護耦合分析

隧道進口的開挖不僅易造成新的滑坡災害，且對古滑坡也有一定影響[13]。隧道進口開挖時，由于開挖坡度與原始坡度的突變導致突變處應力、應變值激增，可能使邊坡最大剪應變區域貫通，形成潛在滑移面[14]，給隧道安全進洞施工帶來極大困難。分析隧道進口開挖與邊坡間的相互作用原理及隧道進口邊坡的穩定性動態便顯得尤為重要。

在結合B樣條曲面擬合理論與MIDAS GTS有限元軟件建立更加貼合實際情況的三維地質模型基礎上，借助MIDAS GTS/NX模擬隧道進口開挖，每次開挖進尺為25m。

數值模擬顯示，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時滑移量達320mm，坡體產生向臨空面的變形，極易造成洞口處滑坡。且隧道開挖后周圍巖體產生變形，在支護結構薄弱的情況下加劇了隧道洞口段坡體的變形發展，坡體底部出現剪應力集中現象，如圖14所示，因此得出隧道的開挖施工擾動是該隧道進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變

圖15 加固后的邊仰坡位移云圖

根據現場提供的監測數據和數值模擬結果繪制位移-時間監測曲線如圖16所示，其顯示：對照分析JZK3，JZK5，JZK6數值模擬與實測位移的位移-時間曲線，各測點位移隨著隧道開挖逐漸呈增大趨勢，但隨著支護加固措施的完成，位移量漸趨穩定。

圖16 位移-時間監測曲線

通過對某高速公路隧道進口段在隧道開挖不同時段邊仰坡變形、應力分布及加固后邊仰坡變形的模擬研究，并對照實際監測資料分析得出，隧道開挖施工會造成圍巖擾動，坡體底部出現應力集中然后引起邊坡變形，邊坡變形又反作用于隧道洞身，而對邊坡進行了支護加固后隧道洞口大變形也隨之趨于穩定，表明該支護方案合理有效。

5 結語

1)在小樣本情況下，根據反算B樣條曲面擬合理論，結合MIDAS GTS/NX三維有限元軟件可對地層曲面進行擬合建立更加符合實際的隧道洞口段高陡邊坡三維地質模型。

2)通過對切坡支護前后坡體的位移變化、坡體塑性區、隧道開挖時邊坡的變形特征及應力、應變進行數值模擬分析，評估了隧道洞口段高陡邊坡穩定性。

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

4) 提出了鋼管樁+預應力錨索框架梁+抗滑樁的復合式支擋結構支護加固方案，對比數值模擬與現場監測結果，證明了該支護方案的合理有效性，可為類似工程提供借鑒。