滑坡體對其正交下穿隧道的變形影響

鞏 悅， 晏長根*， 于澎濤， 石玉玲， 包 含， 許江波

(1.長安大學(xué)公路學(xué)院， 西安 710064； 2.鄭州市交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院， 鄭州 450042； 3.長安大學(xué)地測學(xué)院， 西安 710064)

目前，長大隧道的數(shù)量和所占比例逐年遞增，使得隧道修建過程中遇到越來越多的復(fù)雜工程地質(zhì)條件，導(dǎo)致了各種地質(zhì)災(zāi)害的頻頻出現(xiàn)，其中山體滑坡便是隧道施工中常見的地質(zhì)災(zāi)害之一。在已經(jīng)發(fā)生過滑坡的山體中修建隧道時，滑坡體復(fù)活重新移動，造成隧道出現(xiàn)各種病害現(xiàn)象，同時對人們的生命和財產(chǎn)造成極大危害，對施工成本和施工期產(chǎn)生極大影響。

部分學(xué)者已經(jīng)針對這一工程問題展開了研究。許建聰?shù)萚1]在考慮降雨作用時，通過三維大變形彈塑性接觸有限元數(shù)值計算分析碎石土滑坡體的穩(wěn)定性，同時還分析降雨作用下碎石土古滑坡復(fù)活破壞的過程，準(zhǔn)確地評價該類型滑坡的穩(wěn)定性。胡鑫[2]根據(jù)三交鄉(xiāng)滑坡區(qū)的現(xiàn)場勘查，結(jié)合巖土體物理力學(xué)性質(zhì)研究，建立了三個剖面邊坡數(shù)值計算模型，對這三個剖面進行天然狀態(tài)和地震動荷載工況下的滑坡穩(wěn)定性進行了分析。 馬惠民[3]統(tǒng)計分析了1980年以來滑坡體病害段的隧道變形類型，提出了六種地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型：滑坡蠕動擠壓型、斜坡高陡型、牽引滑動型、上軟下硬層狀型、穿越破碎帶。陶志平等[4]建立了滑坡體隧道變形的四種地質(zhì)力學(xué)模型，并提出了相應(yīng)的工程防止措施。王永剛等[5]以陽坡里隧道工程背景，分析了隧道平行滑坡體滑動方向穿越滑坡體情況下，隧道與滑坡的相互作用受力分析及變形破壞模式。田斌等[6]通過非線性有限元方法，考慮滑坡體自重、地下水及降雨等影響因素，對滑坡體的變形與穩(wěn)定進行計算研究。鄭穎人等[7]通過有限元分析法在公路隧道中的應(yīng)用，計算了圍巖潛在破壞面和不同圍巖類別下的隧道安全系數(shù)。張靚[8]對滑坡斷隧道變形的原因進行了總結(jié)分析，發(fā)現(xiàn)巖體的流變性會造成山體位移場和應(yīng)力場重分布，從而引發(fā)滑坡再次移動。肖明等[9]提出了地下洞室在爆破開挖作用時，三維彈塑性損傷有限元計算的方法，推導(dǎo)了可計算地下洞室在爆破開挖時產(chǎn)生的圍巖松動圈范圍的公式。趙金等[10]通過工程實例總結(jié)和地質(zhì)模型的建立，對隧道-洞口滑坡體系的受力特征及隧道變形模式進行了研究。畢忠偉[11]采用Bayes方法推斷巖體力學(xué)參數(shù)，并對截尾分布形式下的可靠度進行了系統(tǒng)研究，為康家灣鉛鋅金礦巷道圍巖可靠性分析提供了力學(xué)參數(shù)取值科學(xué)依據(jù)總體來說，現(xiàn)有研究對滑坡段正交下穿隧道研究較少，當(dāng)隧道建設(shè)過程中從滑坡體下穿過時，對隧道與滑坡體之間相不影響的安全距離難以確定。依托國道G577線旱田至特克斯段公路改建工程項目特克斯隧道，對不同開挖距離下的正交下穿隧道和滑坡體的相互作用及變形特征進行了研究，以期為類似工程提供合理建議。

1 工程概況

國道G577線特克斯隧道位于新疆西北部，采用雙洞分離式隧道方案，主洞開挖寬度為10.6 m。隧道設(shè)計線路ZK96+700～ZK97+130自滑坡體下正交穿過，主滑方向近似垂直于隧道軸向，坡度在30°～45°?；瑒用孀畲舐裆?0～20 m?；瑒用媛裆钐幘嗨淼蓝错敒?0～60 m。如圖1所示。

滑坡體后緣地表堆積體開裂、錯落，開裂寬度大于20 cm,錯落達80 cm,呈圓弧形向兩側(cè)發(fā)展?；麦w中、后部，有數(shù)條近似平行的張性裂縫,最寬達20 cm,可見深度50 cm,無明顯錯落?；麦w中部,有斷續(xù)延伸的弧形裂縫,最大開裂寬度達20 cm,斷續(xù)延伸達50 m以上，如圖2所示。

圖1 特克斯隧道左洞進口Fig.1 The left hole entrance of Turks tunnel

圖2 滑坡體現(xiàn)場裂縫Fig.2 Cracks in the landslide

2 特克斯隧道與滑坡體監(jiān)測分析

2.1 滑坡體位移監(jiān)測

沿隧道設(shè)計線路，在隧道正上方滑坡體表面設(shè)置。監(jiān)測點1-1、1-2、1-3布置在滑坡軸線上(正北正南方向)，分布布設(shè)在滑坡坡腳、坡面、坡頂處。監(jiān)測點2-1、2-2、2-3間隔20 m布置在隧道正上方，沿隧道縱向開挖方向(自東向西方向)布設(shè)，監(jiān)測點位于滑坡體中部，如圖3所示。

圖3 滑坡體監(jiān)測點布設(shè)Fig.3 The monitoring points of the landslide

當(dāng)隧道開挖到距2-1下方20 m時開始監(jiān)測，到經(jīng)過2-3下方20 m后終止。開挖到8 d時，掌子面在2-1正下方；開挖到16 d時，掌子面在2-2正下方；開挖到25 d時，掌子面在2-3正下方。

采用全站儀對監(jiān)測點進行監(jiān)測，豎直方向沉降以全站儀中監(jiān)測的Z方向(豎直方向)位移變化數(shù)據(jù)顯示；而水平方向位移變化以全站儀監(jiān)測的N方向(正北方向)和E方向(正東方向)表示。

圖4 滑坡體位移監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.4 The landslide displacement monitoring data

由滑坡滑動方向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖4)可知，豎直方向上，當(dāng)隧道開挖至監(jiān)測點下方時，滑坡體坡腳位置沒有沉降，滑坡體中部和滑坡體坡頂出現(xiàn)沉降位移，經(jīng)過20 d位移不再發(fā)生變化，最終達到10 mm左右。水平方向上，當(dāng)隧道開挖至監(jiān)測點斷面下方時，滑坡體坡腳位置沒有位移變化；滑坡體中部(監(jiān)測點1-2)位移變化最大，向南移動(沿滑坡滑動方向)18 mm，向東移動7 mm；滑坡體坡頂位移變化較小，向南移動4 mm。向東移動5 mm。

由隧道軸線方向上位移監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖4)可知，豎直方向上，當(dāng)隧道開挖到監(jiān)測點下方時，隧道上方的沉降快速增加，經(jīng)過10 d左右達到穩(wěn)定狀態(tài)，沉降不再增加。監(jiān)測點2-1沉降為16 mm，監(jiān)測點2-2沉降為12 mm，監(jiān)測點2-3沉降為15 mm。水平方向上，當(dāng)隧道開挖至各監(jiān)測點下方時，監(jiān)測點開始發(fā)生移動，經(jīng)過20 d左右位移變化穩(wěn)定，監(jiān)測點2-1向南移動7 mm，向東移動8 mm；監(jiān)測點2-2向南移動9 mm，向東移動9 mm；監(jiān)測點2-3向南移動6 mm，向東移動6 mm。

2.2 隧道收斂變形監(jiān)測

特克斯隧道路線設(shè)計中，左洞經(jīng)滑坡體下穿過，右洞未經(jīng)過滑坡體。因此，選取了左右洞兩個相同斷面(K97+010和ZK97+010)拱頂下沉和周邊收斂的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為代表斷面，對比在相同巖性和相同埋深的條件下滑坡段隧道和正常段隧道的變形。

由圖5隧道拱頂下沉監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，K97+010斷面在33 d時拱頂下沉的變化速率小于0.15 mm/d，圍巖變化趨于穩(wěn)定，累計下沉30.48 mm，平均下沉速率0.92 mm/d；ZK97+010斷面在44 d時拱頂下沉速率達到0.15 mm/d以下，圍巖變化趨于穩(wěn)定，累計下沉92.6 mm，平均下沉速率2.10 mm/d。

由圖6隧道收斂變形監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，K97+010斷面上臺階監(jiān)測至15 d時，收斂速率為0.32 mm/d，此時下臺階開挖監(jiān)測中斷，累計收斂11.94 mm，平均收斂速率0.80 mm/d；下臺階監(jiān)測至14 d時，收斂速率為0.15 mm/d，圍巖已經(jīng)趨于穩(wěn)定，累計收斂12.15 mm，平均收斂速率0.87 mm/d。ZK97+010斷面上臺階監(jiān)測至15 d時，收斂速率為2.92 mm/d，此時下臺階開挖，監(jiān)測中斷，累計收斂達到55.12 mm，平均收斂速率3.67 mm/d；下臺階監(jiān)測至23 d時，收斂速率為0.10 mm/d，圍巖已經(jīng)趨于穩(wěn)定，累計收斂38.12 mm，平均收斂速率1.66 mm/d。

2.3 監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)特克斯滑坡體監(jiān)測數(shù)據(jù)知，當(dāng)隧道開挖至監(jiān)測點斷面下方時，監(jiān)測點開始移動，經(jīng)過20 d左右位移變化穩(wěn)定，監(jiān)測點的水平位移變化和地表沉降都較小；對于滑坡體而言，坡腳位置位移變化很小，滑坡體中部(監(jiān)測點1-2)位移變化最大，坡頂位移變化較小。整體來看，滑坡體位移變化很小，表明開挖擾動沒有造成滑坡體的滑動，隧道開挖對上部滑坡體位移影響很小。

根據(jù)特克斯隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)可得，滑坡體段隧道的變形速率，拱頂下沉達到92.6 mm，周邊收斂38.12 mm、變形速率達到4.5 mm/d，變形持續(xù)時間在40～50 d；對比相同埋深相同巖性條件時滑坡體段隧道和正常段隧道的變形可知，隧道的收斂變形、變形速率和變形持續(xù)時間均大于滑坡體外隧道段。

3 滑坡體-隧道數(shù)值模擬分析

3.1 滑坡體下穿隧道數(shù)值分析模型

3.1.1 模型建立

結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)情況，通過FLAC3D建立模型進行計算，如圖7所示。取垂直于隧道軸線為x軸，模型最左端為x軸的起點，隧道軸線方向為y軸，坐標(biāo)系z軸向上。模型x軸方向長度為160 m，y軸方向長度50 m，坡體最高點位置為160 m。

邊界條件設(shè)置：模型底部施加x、y、z方向的約束，在模型的左右兩側(cè)邊界上施加x方向約束，在模型的前后邊界上施加y方向的約束，模型的上部邊界為自由面。數(shù)值模擬計算采用彈塑性本構(gòu)模型，模型計算參數(shù)按照特克斯隧道上部巖土體參數(shù)進行設(shè)置,如表1所示。

3.1.2 模擬工況設(shè)計

隧道正交下穿滑坡體時，有兩個因素滑坡-隧道體系的整體穩(wěn)定性影響很大。一是隧道的開挖位置與滑動帶的距離滑坡-隧道體系的穩(wěn)定性；二是隧道的開挖位置與滑坡體的相對位置關(guān)系影響滑坡-隧道體系的穩(wěn)定性。因此，在進行數(shù)值模擬時主要從這兩個方面設(shè)計模擬工況，如表2所示。同時，以在相同地層關(guān)系并且沒有滑坡體的情況作為參照組，對比分析隧道受力特征和隧道開挖對斜坡的位移影響。

表1 數(shù)值模擬巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖7 滑坡體下穿隧道數(shù)值分析模型Fig.7 Numerical analysis model of tunnel under landslide

表2 數(shù)值模擬工況設(shè)計

3.2 模擬計算結(jié)果分析

3.2.1 下穿距離對滑坡-隧道變形體系的變形影響

如圖8所示，在相同埋深、相同坡度下，在滑坡體下開挖隧道時滑坡體的位移變化和隧道變形比斜坡下方開挖隧道造成的坡體位移變化和隧道變形大，說明在相同埋深和相同巖性的情況下，滑坡體移動會增大隧道變形。隨著隧道開挖距離滑動帶的距離變大，滑坡體-隧道體系相互作用影響變小。當(dāng)隧道頂部距離滑動帶3D時，隧道開挖對滑坡—隧道體系影響很小，滑坡體位移變形較小；同時滑坡體與隧道之間的相互作用也較小。

工況5中設(shè)計的隧道埋深和地層結(jié)構(gòu)與特克斯滑坡段的地質(zhì)條件相符合。根據(jù)模擬計算結(jié)果顯示：隧道拱頂累計下沉為4.84 cm，隧道周邊累計收斂值為1.02 cm。而滑坡體的豎向位移在隧道正上方處相對較大為0.89 cm，水平位移為0.21 cm。此時，隧道開挖引起滑坡體坡頂處豎向位移達到0.59 cm左右，水平位移為0.28 cm。工況5和工況6與現(xiàn)場監(jiān)測的對比工況類似，但從結(jié)果來看隧道的變形有所差別，這是由于數(shù)值模擬采用的物理力學(xué)參數(shù)不能考慮具體的圍巖的完整性和穩(wěn)定性，所以數(shù)值模擬得到的收斂變形與特克斯隧道滑坡段的收斂變形相差較大，但與正常段隧道的收斂變形基本相符。同時需考慮現(xiàn)場滑坡體上裂隙分布，水由裂縫向下滲透，會弱化下部巖土體的力學(xué)性能，導(dǎo)致隧道開挖時拱頂下沉和收斂變形量比正常段大。

圖8 工況1～6滑坡與隧道的累計位移Fig.8 The cumulative displacement of landslide and tunnel in the first to sixth working condition

3.2.2 開挖位置對滑坡-隧道體系的影響

圖9 工況1、7、8滑坡與隧道的累計位移值Fig.9 The cumulative displacement values of landslides and tunnels inworking conditions 1, 7 and 8

如圖9所示，對比工況1、工況7和工況8可知，當(dāng)隧道在滑坡體下方開挖時，開挖位置處于滑坡體中部時對滑坡體造成的位移變化最大，而滑坡體對隧道變形影響也最大。其次，在滑坡體坡腳位置開挖隧道時，滑坡-隧道體系受到的影響較大。而在滑坡體坡頂位置開挖隧道，滑坡體與隧道所受影響最小。數(shù)值分析結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測中，對滑坡體監(jiān)測點1-1、1-2、1-3的監(jiān)測結(jié)果規(guī)律一致。

4 結(jié)論

以國道G577線旱田至特克斯段公路特克斯隧道為研究背景，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)資料進行了多組數(shù)值模擬分析，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論。

(1)滑坡段的隧道收斂變形大于正常段的隧道收斂變形，并且滑坡段的隧道收斂變形到穩(wěn)定狀態(tài)的持續(xù)時間較長。

(2)隧道頂部與滑動帶的距離對隧道的變形影響較大，通過增大隧道與滑坡體的距離可以使隧道避免產(chǎn)生較大的收斂變形或襯砌變形破壞，可把3D看作臨界影響深度。

(3)當(dāng)隧道在滑坡體中部進行開挖時，對滑坡體的影響范圍最大，坡腳其次，坡頂影響最小。

(4)對于特克斯隧道而言，滑坡體位移變化很小，滑坡體與其下方隧道產(chǎn)生的相互作用微弱。但是由于水沿著滑坡體上裂縫滲透等原因，滑坡段隧道圍巖穩(wěn)定性較差，隧道的收斂變形更大。因此在隧道工程設(shè)計中不僅要考慮滿足與滑坡體安全距離的要求，還應(yīng)根據(jù)其較差的圍巖選擇合適的支護方式。