香麗高速公路洼里別隧道開挖過程的數值模擬與分析*

徐勇 邱樹茂 李知軍 陳亮

1.云南省建設投資控股集團有限公司 云南 昆明 650000；2.北京交通大學 土木建筑工程學院 北京 100044；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所 北京 100081

引言

香（格里拉）-麗（江）高速公路位于我國滇西北高原地區，該地區山區分布廣泛，逢山開隧的過程中，受工程地質、水文地質和人為施工造成的影響，難免會引發各種地質災害。其中，隧道穿越滑坡體產生失穩破壞是最常見的一種病害。本文采用數值模擬的方法，分析了洼里別隧道施工過程邊坡的穩定與變形之間的關系。

1 工程概況

1.1 概況

根據實地調查及對當地村民的調查訪問，洼里別隧道進口端分布一老滑坡體，自然斜坡在20世紀90年代發生過一次大規模滑動，滑坡周界清晰，圈椅狀滑坡地貌明顯。滑坡體寬度約500m，長約640m，滑體厚約50m，總體積約16000km3。據村民介紹，自2009年斜坡坡腳所在的松坡河上游修建水電站之后，該范圍內的山體斜坡變形逐年減小，近幾年未見明顯的變形跡象。隨著隧道的開挖，隧道洞口上方的斜坡體出現了向河側變形和沉降變形，后緣裂縫尚未貫通，滑坡側界及剪出口尚未形成，推測滑坡體處于主滑帶蠕動階段向主滑體擠壓階段的過渡過程，尚處于暫時穩定狀態[1]。

研究區上覆第四系殘坡積層(Q4el+dl）含礫粉質黏土、碎石土。下伏基巖為三疊系下統（T1）灰色、灰褐色板巖。洼里別隧道進口斜坡為上覆第四系堆積體，主要為含礫粉質黏土和碎石土。場區的地下水類型主要有2種，分別為第四系堆積層中的孔隙水和基巖裂隙水。基巖裂隙水主要為強風化帶裂隙富水、導水，勘察期間鉆孔揭露的地下水位較高。

1.2 滑坡體特征

滑坡后緣表現為臺坎，整體走向5 5°，后緣陡坎高0.5～4m。滑坡左界主要表現為錯臺，錯臺高約3～6m，整體走向340°。其中在右洞上方發現新近形成的錯臺，下錯高度約20cm。滑坡右界整體走向314°，右界表現為陡坎，上部錯臺表現不明顯，下部表現為陡坎，陡坎高2～5m不等。滑坡前緣位于坡體下部的松坡河內。根據現場調查，松坡河與村民耕地兩者之間的坡面，大多數植被東倒西歪，多處見馬刀樹。滑坡前緣（坡體下部）坡面分布較多塊石，坡面土體潮濕，多處見地下水出露。松坡河附近見多處坍塌病害，坍塌體揭露地層主要為黑色碎石土。松坡河左岸（滑坡位于右岸）揭露中風化板巖，量得片理產狀95°∠54°。根據現場調查可以看出，該滑坡暫時處于穩定狀態，但是在松坡河河流下切作用、地震作用、強降雨作用等多因素誘發下，滑坡可能復活失穩。

2 數值模擬

2.1 計算模型和材料參數

在工程地質調查的基礎上，根據工程地質資料，采用Midas GTS NX軟件建立滑坡和隧道的三維地質模型（圖1），充分利用范圍內的監測資料和試驗資料，采用有限差分法，導入FLAC3D軟件模擬自然、開挖、降雨、地震等多種工況，計算滑坡與隧道的位移和變形，分析斜坡體和隧道結構的應力應變，研究滑坡與隧道的變形規律和相互作用關系，揭示滑坡作用下隧道受力情況、變形特征和失穩破壞機理，評價影響范圍和可能產生的工程地質問題[2]。根據地質資料，計算中采用的物理力學參數見表1和表2。

圖1 洼里別滑坡-隧道數值模型

圖2 隧道剖面塑性變形區分布云圖

表1 斜坡體巖土層參數表

表2 隧道支護結構參數表

2.2 斜坡計算結果分析

斜坡有限元計算結果如圖2。從塑性區分布圖可以看出，塑性區的分布范圍非常廣泛，主要分布在隧道上部及下部的滑體處，塑性區并未完全貫通，斜坡未出現整體滑移破壞。但隧道開挖引起斜坡發生局部剪切破壞，主要位于隧道進口處上方50m和下方80m區域內，滑坡后緣發生張拉破壞。總體來說，隧道的開挖引起了滑坡體產生一定的位移，其中Y和Z方向的變形相對較大，主要由于隧道開挖引起圍巖的卸荷，導致圍巖向洞室方向變形移動，隧道頂部產生一定范圍的卸荷帶（沉降較大的范圍），使得地表產生一定的沉降。與此同時，受隧道開挖影響，滑坡體產生變形移動帶動隧道產生變形[3]。

2.3 隧道結構計算結果分析

通常來講，由于巖土體的性質、結構面的性質或者隧道開挖方式等多方面的影響因素，隧道開挖可能對洞徑3～5倍范圍內的圍巖造成擾動。在斜坡不良地質體內開挖隧道，滑坡體的變形和應力的變化與隧道的變形及應力變化是相互影響的。在隧道開挖過程中，隧道周圍巖土體的應力應變會直接關系到斜坡整體的穩定性。雖然隧道開挖時斜坡體的應力沒有出現較大的變化，但滑坡體的滑動變形直接影響隧道結構的變形和應力變化[4]。

通過計算的結果進行分析可知，隧道開挖后隧道襯砌X方向的位移主要向X正方向變形，隧道洞口至洞內60m處X方向的變形位移1.2～1.7cm；隧道的拱頂比拱底的位移更大，隧道左幅襯砌的位移比右幅襯砌的位移更大；隧道襯砌Y方向的位移主要向河側方向（Y負方向）變形，從隧道洞口至洞內60m范圍內Y方向的變形量為0.4cm～1.04cm，超過60m至大里程方向范圍的隧道部分基本沒有位移，推測滑坡的最深滑動面在距離洞口60m附近。在進洞60m范圍內襯砌的最大位移主要集中在隧道頂部的位置，且左幅隧道襯砌的位移比右幅隧道襯砌的位移較大，在實際現場施工過程中，隧道左幅的襯砌開裂程度比右幅的嚴重，與實際現象相符合。主要原因是隧道開挖擾動導致隧道頂部部分的土體松動，牽引更遠的巖土體產生松動變形，從而引起局部巖土體的滑動變形，滑坡體的下滑推力作用在隧道襯砌上，襯砌混凝土的強度無法承受下滑推力，使得襯砌產生變形。因此隧道的變形主要是沿著滑動面的剪切變形。隧道內襯砌Z方向的位移主要向沉降方向（Z負方向）變形，從隧道洞口至洞內60m范圍內Z的變形量為0.3cm～1.6cm。Z方向的變形主要集中在左幅隧道上，在拱頂處位移最大，達到1.6cm。

由以上結果可以看出，隧道穿越斜坡體的中部時，在隧道開挖的擾動下，斜坡的應力和位移發生重分布，開挖破壞了斜坡體原有平衡，坡體內的應力和位移發生重分布，開挖面形成一個自由面，隧道圍巖產生松動，引起隧道上部分的滑體向下產生擠壓蠕動變形，從而誘發滑坡的變形蠕動，滑體產生下滑推力，滑體的下滑推力作用在隧道上超過了襯砌混凝土的強度，使得隧道進口段60m范圍內的隧道結構受到較大的滑坡推力擠壓作用，產生較大的壓應力和位移變形，使其出現變形開裂，隨著隧道的進一步開挖，滑坡體的變形量增加，襯砌開裂也迅速發展。滑坡體變形產生下的滑推力作用在隧道頂部，隧道的底部受到向上的土體抗力，隧道在滑動面處受到的剪力和彎矩都達到最大，隧道很容易在滑面處剪切破壞，造成隧道襯砌的變形開裂，當隧道產生變形后，使得周圍巖土體更加松動，使斜坡體產生下滑蠕變，導致斜坡穩定性下降，滑體產生更大的變形，加劇隧道變形。而且斜坡體的下滑力對隧道產生的偏壓作用使得隧道受力不均，襯砌產生非對稱受力和變形[5]。

3 結束語

本文通過建立了香麗高速公路洼里別隧道三維地質模型，模擬斜坡在隧道開挖工況下情形。分析了滑坡與隧道在開挖工況下的應力應變以及位移情況。研究表明在隧道開挖的擾動下，隧道圍巖產生松動，引起隧道上部分的滑體向下產生擠壓蠕動變形，滑體的下滑推力作用在隧道上，并超過了襯砌混凝土的強度，使得隧道結構受到較大的滑坡推力擠壓作用，產生較大的位移變形，同時，也使得隧道襯砌周圍的巖體進一步松動變形，牽引斜坡更大范圍的蠕滑變形，導致斜坡穩定性下降，加劇隧道變形。