開挖間隔時間對鐵路高邊坡穩定性影響

唐小軍 袁仕貴

（云南省鐵路集團有限公司，云南 昆明 650118）

0 引言

路塹是鐵路路基的重要形式之一，在深挖路塹邊坡開挖中，路塹邊坡開挖的時間間隔，即上一層路塹土層開挖與下層土體開挖的時間間隔，對路塹邊坡穩定有重要影響。目前許多學者對路塹邊坡開挖穩定性問題進行了較為深入細致的研究。

龔建輝[1]針對西部地區高速鐵路路塹邊坡開挖路易出現滑坡問題，基于成綿樂客運專線滑坡實際情況，對該線工程條件進行理論分析，并提出高陡邊坡滑坡針對性預防措施。孫崔源等[2]基于渝懷二線某車站改建工程，對既有鐵路路塹爆破開挖工程進行分析研究，認為通過改變臨空面方向及多元立體化防護手段，對控制飛石及降低對已有鐵路的危害有重要作用。李世信[3]對貴昆鐵路復線某明洞附近路塹施工技術進行分析，通過對明洞左側順層邊坡的清方及錨索加固，再通過6 根錨固樁加強，有效防止在路塹開挖時明洞裂縫的出現。彭永良等[4]研究了河北某擬建鐵路穿過古滑坡體路塹邊坡工程，通過分析現滑面和古滑面不同工況下的穩定性，全面分析鐵路路塹開挖對古滑坡的穩定性影響，提出了滑坡治理的針對性措施。王耀輝[5]結合蘭渝鐵路DK53 處路塹邊坡，通過對路塹邊坡開挖過程中產生滑坡的原因進行分析，認為地質因素、自然因素及工程原因是引發滑坡的主要原因，針對該路塹邊坡失穩原因，提出了針對性措施，并取得良好效果。石有權等[6]提出順層路塹邊坡的二臨空面、三臨空面概念，并認為這兩種臨空面情況下易出現順層滑坡，通過分析順層邊坡開挖的影響范圍，提出相應的加固措施。王明慧等[7]對山區高速鐵路建設中采用深路塹與隧道兩種方案進行比較分析，認為兩種方案的比選應從地質、環境、工程難度、經濟成本及運營安全五個方面進行綜合比較，并提出了針對性方案的選擇建議。

從上述研究成果來看，目前鐵路路塹邊坡研究涉及施工、設計、方案比選等諸多方面，研究范圍相對比較廣泛，研究深度也在逐步深入，但對于鐵路路塹高邊坡開挖時間間隔對邊坡穩定性的影響，目前涉及較少。因此，本文主要基于對鐵路高路塹邊坡開挖時間間隔進行研究，分析邊坡的位移、剪切應變及邊坡穩定性。

1 模型建立

本次研究以云南某在建鐵路項目深挖路塹段為研究對象，路塹開挖段為山麓斜坡地帶，研究區域為侵蝕構造，中低山溶蝕地貌，地形起伏幅度較大，研究路段長度為225m，其中路塹邊坡最大開挖深度為38.6m，屬于高邊坡。根據勘查院提供的勘查報告，研究工段覆蓋層主要有黏土、碎石組成，下伏巖層主要有風化、中風化泥巖構成。研究主要基于二維有限元軟件Geo-Studio，采用SIGMA/W 應力應變分析模塊，依據設計院提供的路塹斷面圖，選定該段較為典型的斷面作為建模對象，建立模型中，對地質分層進行了一定的簡化處理，通過將CAD 斷面圖導入Geo-Studio 軟件中，進行下一步建模。建立的簡化模型如圖1 所示，模型土層主要分為兩層，上層為覆蓋層，標記為藍色；下層為泥巖層，標記為紫色，開挖的區域用灰色表示。模型網格劃分為四邊形，網格尺寸控制較為均勻，邊長約為2m，為便于比較分析，模型在各級邊坡坡腳位置設置6 個監測點，如圖1 所示。

圖1 路塹開挖模型

2 不同間隔時間條件下路塹開挖模擬

本次數值模擬采用莫爾-庫侖模型（Mohr-Coulomb Model）本構模型，該本構模型能夠較好地分析巖土體應力應變情況，且本構模型需要的參數較易獲取，巖土層物理實驗與數值模擬試驗的參考資料也較為豐富，各種參數的取值也有較好的經驗范圍，因此具有較為廣泛的應用。本次模型的邊界約束條件：依據選取的典型斷面，左右方向為半無限土體空間，因此模型左右約束土體X 方向位移；而模型底部，認為既不能發生平移，也不能發生豎向移動，因此模型底部約束土體X 和Y 方向的位移，模型頂部還原土體本來的自由狀況，設定為自由面，不約束任意方向土體運動。

路塹邊坡開挖模擬，依據施工方案，土體自上而下總共分為5 個開挖階段，依據上下層開挖時間間隔不同，設定兩種不同的開挖方式：其一，上下層開挖間隔時間很短，上層路塹邊坡土體開挖卸荷應力未完全釋放，土體應變也沒來得及完全發生，因此直至第五層開挖完成，第一次開挖的路塹邊坡土體應力才完全釋放；其二，上下層開挖時間間隔很長，上層路塹邊坡土體開挖卸荷后，應力得到完全釋放，土體變形也完全發生，因此下層開挖不考慮上層應力釋放，土體累積應變不予考慮。通過對比分析兩種不同的開挖方式，分析不同開挖方式下邊坡土體的位移及最大剪切應變情況，模型中各土層的物理力學參數見表1。

表1 各巖土層力學參數參考值

3 模型計算結果分析

3.1 位移分析

采用兩種不同時間間隔開挖方式完成路塹開挖，通過分析可知，各層開挖時間間隔較短的快速開挖的路塹邊坡位移，均大于開挖時間間隔較長的慢速開挖方式的邊坡位移。對于坡腳監測點的位移量，快速開挖遠大于慢速開挖。

兩種開挖方式下的位移云圖見圖2、圖3，由位移云圖對比分析可以發現，采用慢速開挖時，X-Y 位移量最大值區域為0.12～0.14m；而采用快速開挖時，X-Y 位移量最大值區域為≥0.3m，且位移的平均值也比采用慢速開挖時大。通過位移監測及位移云圖分析可以得出，對于路塹邊坡土體，特別是覆蓋層土體產生的位移，快速開挖法遠大于慢速開挖法，因此，在不考慮其他因素條件下，采用慢速開挖方法，邊坡產生的位移較小，有利于邊坡的穩定。

圖2 慢速開挖完成后總位移圖

圖3 快速開挖完成后總位移云圖

3.2 剪應變分析

通過分析可知，當采用快速開挖時，覆蓋層監測點最大剪切應變與采用慢速開挖方式的監測點最大剪切應變值的差，遠大于下伏泥巖層監測點的最大剪切應變差值，這主要是由于覆蓋層土體力學性質要差于下伏泥巖。采用快速開挖方式下，覆蓋層每層土體開挖卸荷產生的應力還未完全消散，土體位移沒有完全釋放，下層開挖即進行，因此，出現每層開挖的位移及應變的累積；覆蓋層與下伏泥巖交界區域，土體性質差異較大，對于開挖方式更為敏感。

兩種開挖方式下的最大剪切應變云圖如圖4、圖5所示。通過應變云圖對比分析，可以明顯發現，不論采用何種開挖方式，覆蓋層與下伏泥巖交界區域土體最大剪切應變值是整個路塹各級邊坡土體中最大的。當采用慢速開挖時，最大剪切應變極大值區域為≥0.022；而采用快速開挖時，最大剪切應變極大值區域為≥0.075，且最大剪切應變的平均值也比采用慢速開挖的大。通過最大剪切應變監測對比表及最大剪切應變云圖分析，可以明顯得出，快速開挖方法下的路塹邊坡土體，特別是覆蓋層土體產生的最大剪切應變，遠大于慢速開挖方法產生的。因此，在不考慮其他因素條件下，采用慢速開挖方法，邊坡產生的最大剪切應變較小，有利于邊坡的穩定。

圖4 慢速開挖最大剪切應變云圖

圖5 快速開挖最大剪切應變云圖

4 結束語

通過以上分析可知，采用快速開挖方式的路塹邊坡土體的土體位移及最大剪切應變,絕大部分均大于采用慢速開挖方式的，特別是覆蓋層與下伏泥巖交界區域土體。因此，在對具有深厚覆蓋層地質條件下的路塹邊坡，宜采用慢速開挖方式，且必須在上層支護措施發揮作用時，方可進行下一層路塹開挖，特別是覆蓋層與下伏泥巖層交界區域土體防護加固措施，應在本層邊坡開挖完成后，立即組織施工，以防止邊坡發生失穩破壞。