開挖隧道套拱底部誘發(fā)的邊坡穩(wěn)定性分析

伍明文,鄭明新,胡國(guó)平,郭杰森,黃 鋼,楊繼凱

(1.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,南昌 330013； 2.江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南昌 330013)

隨著我國(guó)高速公路的快速修建，線路穿越地形越來越復(fù)雜，隧道修建數(shù)量越來越多。所以公路隧道穿越地層的復(fù)雜程度加劇，對(duì)應(yīng)的建設(shè)環(huán)境也日趨嚴(yán)峻。在施工套拱時(shí)連續(xù)開挖擾動(dòng)側(cè)向偏壓坡體，特別是當(dāng)隧址位于側(cè)向邊坡潛在滑移面時(shí)，開挖卸荷削弱了側(cè)向邊坡原有的有效抗滑力，很容易誘發(fā)滑坡；同時(shí)開挖套拱底部卸荷引起圍巖及土體應(yīng)力重分布導(dǎo)致原有坡面出現(xiàn)損傷裂縫，嚴(yán)重影響隧道施工進(jìn)度及施工人員生命財(cái)產(chǎn)安全。

目前諸多學(xué)者就隧道開挖引起的邊坡失穩(wěn)開展研究，對(duì)于隧道套拱開挖引起上方邊坡失穩(wěn)的作用機(jī)理及防護(hù)研究的很少。李永明[1]針對(duì)公路偏壓隧道圍巖力學(xué)機(jī)理的分析，提出相應(yīng)的措施。吳紅剛[2]闡述了隧道與滑坡空間位置關(guān)系是決定隧道-滑坡體系相互作用模式的主要因素。陳思陽[3]以邊坡穩(wěn)定性計(jì)算為核心，對(duì)隧道邊坡采用強(qiáng)度折減法來計(jì)算坡體的穩(wěn)定性。趙威[4]對(duì)山區(qū)高速公路隧道洞口的邊坡進(jìn)行建模，通過分析隧道洞口邊坡最大剪切應(yīng)變、位移，得出影響隧道洞口邊坡穩(wěn)定的潛在區(qū)域并提出了防護(hù)性措施。肖堯[5]分析了地下水的變化對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響，同時(shí)提出了及時(shí)排出地下水能提高坡體的穩(wěn)定性。孫濤[6]介紹了柔性面層邊坡支護(hù)體系的組成，工作原理及施工工藝，實(shí)施了錨噴支護(hù)體系與柔性面層支護(hù)體系的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比。梁思龍[7]在邊坡支護(hù)工程采用預(yù)應(yīng)力錨索、錨桿與邊坡混凝土格構(gòu)梁形成整體，利用錨索、錨桿與巖層的抗摩擦力來抵抗山體邊坡產(chǎn)生的不良位移進(jìn)行研究。何文春[8]以某隧道進(jìn)口高邊坡開挖后及支護(hù)后的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。王月[9]應(yīng)用極限平衡法對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。以往研究大都集中于隧道開挖對(duì)上方坡體穩(wěn)定性的影響，然而偏壓隧道套拱開挖對(duì)其上方坡體的穩(wěn)定性影響研究較少。隧道套拱施工開挖對(duì)土體擾動(dòng)的隨機(jī)性使得潛在滑移面不易確定，這與一般邊坡的穩(wěn)定性問題既有相同點(diǎn)，又有自身的特點(diǎn)。針對(duì)在隧道套拱開挖過程中，由于坡體偏壓、地下水的影響及坡體支護(hù)不當(dāng)而引起的邊坡滑移進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的邊坡治理措施。

1 隧道工程概況與坡體變形分析

1.1 某大跨度隧道工程概述

該隧道工程位于福建漳州。隧道右洞全長(zhǎng)985 m，隧道按上下行分離雙向六車道設(shè)計(jì)，最大埋深為105 m，隧道主洞凈寬為15.27 m，凈高為10.27 m。

依據(jù)地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，施工區(qū)域進(jìn)口右洞主要巖性自上而下有：坡積含碎石黏土，全風(fēng)化凝灰熔巖，砂土狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖，碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖及中風(fēng)化凝灰熔巖。

線路區(qū)域?qū)儆谛聵?gòu)造活動(dòng)性軟弱的斷塊差異隆起區(qū)，隧道分布于第四系更新統(tǒng)殘坡積層與侏羅系強(qiáng)風(fēng)化-中風(fēng)化凝灰熔巖巖層內(nèi)；在套拱處坡體有明顯的地下水滲出，同時(shí)坡體表層土含水率較大。左側(cè)地下水高度為13 m，右側(cè)為20 m。

1.2 套拱開挖坡體變形分析概述

隧道位于整個(gè)邊坡的下方，沒有考慮隧道套拱開挖對(duì)套拱處邊坡的影響，隧道套拱在開挖時(shí)，由于右洞上部土體偏壓、地下水未及時(shí)排出，使得局部邊坡產(chǎn)生滑移，套拱處上方坡體出現(xiàn)了裂紋，如圖1所示。

圖1 邊坡坍塌、裂縫及坡體橫斷面(單位：m)

初期施工單位把套拱處的土體開挖至4 m深時(shí)，套拱處側(cè)坡已經(jīng)發(fā)生明顯鼓出并且表面有少量水滲出。之后進(jìn)行第二次開挖至設(shè)計(jì)套拱高程處時(shí)，套拱處上方側(cè)坡出現(xiàn)局部坍塌現(xiàn)象，在側(cè)坡上部縱深3～7 m處出現(xiàn)多條裂紋，裂紋最寬達(dá)6 cm，最長(zhǎng)裂紋達(dá)6.8 m。同時(shí)在坡體上部多處出現(xiàn)小流量的地下水冒出形成地表徑流。

2 加固方法比選數(shù)值分析

數(shù)值分析軟件采用Midas-GTS(SRM)[10-12]，該軟件在分析邊坡穩(wěn)定性時(shí)是基于有限元強(qiáng)度折減原理進(jìn)行分析的，它考慮了巖土體的非線性本構(gòu)關(guān)系，其計(jì)算結(jié)果不僅能以云圖的形式直觀反映失穩(wěn)邊坡滑動(dòng)面的位置，還可以反映滑動(dòng)面的形成、發(fā)展、貫通情況；并且還能得到邊坡巖土體加固處理后結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。

對(duì)套拱處坡體采用有限元強(qiáng)度折減理論進(jìn)行分析，該理論最早是由Zienkiewicz提出的，他提出在有限元中采用降低巖土體強(qiáng)度的方法來計(jì)算巖土工程的安全系數(shù)。具體表示如下:將土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)C和φ，用一個(gè)折減系數(shù)Fs進(jìn)行折減，然后用折減后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)CF和φF，取代原來的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)C和φ[13-15]。

2.1 邊坡計(jì)算模型的建立及物理參數(shù)的選取

(1)計(jì)算模型的建立

隧道圍巖、邊坡土體采用M-C屈服準(zhǔn)則，土體單元采用4節(jié)點(diǎn)、局部3節(jié)點(diǎn)二維平面單元模擬。模型計(jì)算范圍豎向(Y向)右側(cè)取25 m，左側(cè)取16 m，隧道走向?yàn)閄向取48 m。整個(gè)模型在底部為全部約束，地表及邊坡面定義為自由邊界，左右兩側(cè)均設(shè)為水平約束，如圖2所示。

圖2 套拱土體未開挖、開挖后未支護(hù)及支護(hù)邊坡模型

加固措施分3種：

①在邊坡表面施作厚度為20 cm的C20現(xiàn)澆混凝土框架。

②在錨桿加固區(qū)采用注漿加固。

③上部邊坡表面每隔1.5 m沿重力方向打入5根長(zhǎng)為8 m、錨固長(zhǎng)度為4 m的錨桿，側(cè)坡垂直坡面打入5根與上部邊坡同類型的錨桿，如圖3所示。

工法主要考慮開挖未支護(hù)與開挖支護(hù)進(jìn)行對(duì)比分析(同時(shí)兩種工法均考慮邊坡滲水與不滲水的情況，依據(jù)勘探資料可知，左側(cè)水頭為13 m，右側(cè)水頭為20 m。)。

圖3 套拱側(cè)邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)示意(單位：cm)

(2)物理參數(shù)的選取

邊坡土體及支護(hù)材料指標(biāo)的選取，根據(jù)室內(nèi)取土實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)院的地質(zhì)勘測(cè)資料以及邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)資料可知土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 模型中地層與結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

2.2 套拱處邊坡支護(hù)工法方案

方案中設(shè)計(jì)了6種工法進(jìn)行坡體支護(hù)后的穩(wěn)定性分析，6種工法可為含地下水和排除地下水兩類。每類可細(xì)分為如下3種：(1)開挖不支護(hù)；(2)開挖加局部坡體注漿及坡面混凝土支護(hù)；(3)開挖加局部坡體注漿、坡面混凝土支護(hù)及施作錨桿。

2.3 工法計(jì)算結(jié)果分析

(1)不同工法下的邊坡安全系數(shù)分析

經(jīng)數(shù)值分析可知，在對(duì)套拱處土體進(jìn)行開挖后，邊坡在支護(hù)與未支護(hù)條件下穩(wěn)定性安全系數(shù)如表2所示。

表2 邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)值

圖4 套拱土體開挖工法-邊坡安全系數(shù)曲線

由表2與圖4可知，工法1與工法4邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)均未達(dá)到規(guī)范中對(duì)一級(jí)邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)1.3的要求，因此，不宜采用直接開挖無支護(hù)施工，工法2、3、5、6均可達(dá)到邊坡安全穩(wěn)定的要求。當(dāng)?shù)叵滤醇皶r(shí)排除時(shí)，工法3相對(duì)工法2與工法1更穩(wěn)定，并且工法3邊坡安全系數(shù)較工法2提高34.28%。若能及時(shí)排出地下水就可排除地下水滲流的影響，相同支護(hù)工法下工法5比工法2穩(wěn)定性提升22.92%，工法6與工法3對(duì)比穩(wěn)定性提高41.49%，可以體現(xiàn)滲流對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響極大，在排出地下水后再進(jìn)行坡體的支護(hù)能更好地提升坡體的支護(hù)效果。

(2)不同工法下的側(cè)坡總位移分析

不同支護(hù)工法下隧道套拱處側(cè)坡總位移如圖5所示。從表2可知，工法1的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.043，邊坡整體處于暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)在該工法下局部坡體位移不收斂，造成部分坡體失穩(wěn)。工法2是在工法1基礎(chǔ)上改進(jìn)后得到的支護(hù)工法，在開挖完套拱處土體后對(duì)坡面施作混凝土支護(hù)及局部坡體注漿，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)從1.043提高到1.375，大于1.3，側(cè)坡最大總位移為7.1 mm，如圖5(b)所示。對(duì)于工法3而言，考慮后期隧道爆破開挖施工會(huì)擾動(dòng)坡體，不利于坡體的長(zhǎng)期穩(wěn)定，為提高坡體自身穩(wěn)定，需在坡體注漿區(qū)域打入錨桿加強(qiáng)支護(hù)，這時(shí)側(cè)坡面最大總位移為2.79 mm，坡腳總位移為2.33 mm，如圖5(c)所示，穩(wěn)定系數(shù)從1.375上升到1.846，相比最低穩(wěn)定性系數(shù)提高42.06%，可以說坡面已大體穩(wěn)定，滿足后期隧道的開挖。

當(dāng)排除地下水時(shí)在不同支護(hù)工法下側(cè)坡總位移見圖5(d)～圖5(f)所示。主要邊坡加固方式跟圖5(a)～圖5(c)相類似，區(qū)別在于是否考慮邊坡滲流。通過分析可知圖5(d)～圖5(f)側(cè)坡最大總位移分別為28.2、0.993 mm與0.340 mm。因此在同種支護(hù)工法下，排除地下水后支護(hù)坡體的穩(wěn)定性優(yōu)于未排除地下水的支護(hù)坡體的穩(wěn)定性。

圖5 不同工法下側(cè)坡總位移

從圖5、圖6可知，套拱處側(cè)坡5個(gè)測(cè)點(diǎn)總位移值最小為工法6，最大為工法1。說明排除坡體中的地下水同時(shí)做好坡面混凝土支護(hù)、局部坡體施作錨桿及注漿支護(hù)能夠極大提高坡體自身的穩(wěn)定性(從圖5(a)可知，工法1側(cè)坡各點(diǎn)位移值均大于其他工法，側(cè)坡面已失穩(wěn)，所以未在圖6中描繪)。

圖6 套拱土體開挖工法-側(cè)坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)總位移曲線

(3)不同工法下邊坡有效塑性應(yīng)變分析

通過塑性區(qū)的分布位置、貫通情況及有效塑性應(yīng)變值的大小，可以選出最適宜的坡體支護(hù)工法，從而提高邊坡的穩(wěn)定性，為邊坡的治理與加固提供條件。

繪制不同工法下坡體有效塑性應(yīng)變區(qū)域分布，見圖7。鑒于坡腳處為整個(gè)坡體最薄弱的部位，所以僅對(duì)該位置的有效塑性應(yīng)變值進(jìn)行分析。從工法1～工法6，邊坡坡腳處最大有效塑性應(yīng)變值從48.4降為0.109，如圖8所示，工法1有效塑性應(yīng)變值均大于其他工法，所以未在圖中描繪出來。在考慮地下水時(shí)，工法1較工法2可知，如果僅對(duì)坡體開挖不支護(hù)，這時(shí)邊坡會(huì)發(fā)生局部失穩(wěn)。若對(duì)開挖邊坡用混凝土支護(hù)+局部坡體注漿支護(hù)后，坡腳處有效塑性應(yīng)變值從48.4變?yōu)?.476，支護(hù)后邊坡已基本穩(wěn)定下來。工法2較工法3可知，若考慮后期隧道開挖對(duì)坡體的影響，需對(duì)注漿區(qū)域土體再進(jìn)行錨桿加固。加固后坡腳有效塑性應(yīng)變從0.476降為0.116，這時(shí)坡體變得更加穩(wěn)定，能有效地降低后期隧道施工對(duì)坡體的擾動(dòng)。在排除地下水時(shí)，對(duì)比工法4、工法5與工法6可知，坡腳有效塑性應(yīng)變從0.275降為0.109，所以支護(hù)工法6相比其他5種工法而言，更適宜坡體的支護(hù)。

綜上所述可知，要使坡體支護(hù)效果得到較大的提升，需及時(shí)排除地下水，對(duì)開挖后坡面施作混凝土支護(hù)，局部坡體進(jìn)行注漿與錨桿支護(hù)，方可提高坡體的穩(wěn)定性。

圖7 不同工法下邊坡有效塑性應(yīng)變

圖8 套拱土體開挖工法-坡腳處最大有效塑性應(yīng)變值曲線

2.4 套拱開挖后邊坡位移監(jiān)測(cè)分析

(1)邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

在套拱處邊坡產(chǎn)生局部破壞后，我們把監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在側(cè)坡以及坡體上部，沿隧道軸線縱向布置，側(cè)坡每間隔3 m布置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，坡體上部每間隔4 m布置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置見圖9，以監(jiān)測(cè)坡體后期變形發(fā)展以及施作支護(hù)后的穩(wěn)定性變化情況。

圖9 套拱處邊坡測(cè)點(diǎn)布置示意

(2)邊坡變形監(jiān)測(cè)分析

套拱處側(cè)坡及上方局部坡體各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降曲線如圖10、圖11所示(坡體支護(hù)施工于監(jiān)測(cè)第10日開始，第11日施工完成，支護(hù)工法選擇工法6進(jìn)行施作)。監(jiān)測(cè)前10 d坡體未做任何支護(hù)施工，同時(shí)通過5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在X與Y方向的變形值可以看出，坡體變形依舊在持續(xù)發(fā)展。由圖10可知，測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2在X方向的位移比側(cè)坡上的測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)5小。通過圖11可知：測(cè)點(diǎn)5在Y方向發(fā)生較大的隆起，這是由于上方坡體下滑擠壓作用而導(dǎo)致坡腳處土體產(chǎn)生隆起。10 d后施工單位對(duì)坡體進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)與地下水的排除作業(yè)，施工作業(yè)完成后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化逐漸趨于穩(wěn)定，這也將更有利于今后坡體的穩(wěn)定，為將來隧道的開挖打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖10 套拱開挖后上部坡體各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平方向位移時(shí)程曲線(正值表示向右移動(dòng)，負(fù)值表示向左移動(dòng))

圖11 套拱開挖后上部坡體各監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎直方向位移時(shí)程曲線(正值表示向上移動(dòng)，負(fù)值表示向下移動(dòng))

3 結(jié)論

(1)隧道套拱的開挖而致使上方局部坡體滑移失穩(wěn)的原因如下：上覆土體偏壓產(chǎn)生的側(cè)壓力、富含于土中的地下水未及時(shí)排除及坡體支護(hù)不到位所導(dǎo)致。通過數(shù)值法中的強(qiáng)度折減分析可知，及時(shí)排除地下水同時(shí)對(duì)坡體做出適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)，能極大提高坡體的穩(wěn)定性，更有利于隧道后期的施工的順利進(jìn)行。

(2)坡體在未排除地下水與排除地下水時(shí)，采用同種支護(hù)工法對(duì)比發(fā)現(xiàn)前者穩(wěn)定性比后者差，更不利于套拱處邊坡的穩(wěn)定；6種支護(hù)方案對(duì)比發(fā)現(xiàn)，坡面混凝土支護(hù)、坡體注漿及錨桿支護(hù)相比其他工法更有利于邊坡的穩(wěn)定。

(3)對(duì)于隧道套拱開挖導(dǎo)致上方局部坡體滑移進(jìn)行了初次探討，通過數(shù)值法與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合，分析了套拱上方邊坡失穩(wěn)變形特征及相應(yīng)處理措施，對(duì)隧道套拱的施工及上方坡體支護(hù)可提供一定的參考。