軟巖條件下隧道進(jìn)洞口仰坡開挖的變形分析

袁千城, 朱愛軍, , 趙歡樂，涂芳瑞，陳權(quán)川

(1.貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 貴州 貴陽 550025；2.貴陽市建筑勘察設(shè)計有限公司， 貴州 貴陽 550081)

0 引言

隨著西部大開發(fā)的快速推進(jìn)，為滿足社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需求，高速公路、高速鐵路在 21世紀(jì)迅速發(fā)展起來。為了達(dá)到縮短距離以節(jié)省時間的目的，以西南地區(qū)為代表的全國大部分地區(qū)修建了大量隧道工程。隨著隧道工程數(shù)量的增多，一系列工程問題頻繁出現(xiàn)，開挖隧道進(jìn)出口段時常常出現(xiàn)仰坡變形及破壞，類似工程問題對施工人員的人身安全造成了威脅，影響施工進(jìn)度且超出項目預(yù)算，處理不好的話，對后期的運(yùn)營維護(hù)、參與方新項目的投標(biāo)等也造成一定的影響。

在工程問題頻發(fā)的背景下，很多學(xué)者對隧道進(jìn)洞口邊（仰）坡展開了研究并取得了一些進(jìn)展，鄒啟新、鄧家林[1]用有限元研究分析了南水北調(diào)邙山區(qū)隧洞進(jìn)口邊坡穩(wěn)定性，結(jié)果表明，主應(yīng)力差增大是促使滑動的本質(zhì)原因。朱合華、李新星等[2]針對麻池河1號連拱隧道開挖下邊仰坡的穩(wěn)定性變化進(jìn)行數(shù)值分析，給出了該工程邊仰坡的加固措施意見。鄭彥奎[3]利用工程地質(zhì)分析方法分析了洞口邊坡穩(wěn)定性影響因素，就坡角對邊坡穩(wěn)定性的影響做出了評價。盧歡[4]歸納出洞口段邊坡破壞模式有崩塌、傾倒、局部塌陷、堆塌、楔形及坡面破壞6類，并對鉆錢門隧道仰坡穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值研究。王根[5]結(jié)合具體工程研究了降雨條件下邊仰坡的穩(wěn)定性。曾佑江[6]推導(dǎo)出土質(zhì)和巖土混合邊坡在隧道支護(hù)與否情況下的穩(wěn)定性系數(shù)公式，結(jié)合寶蘭客運(yùn)線四處典型隧道洞口邊仰坡進(jìn)行了對比分析。軟巖條件下隧道進(jìn)洞口仰坡開挖的變形少有研究，本文依托貴州地區(qū)茍江隧道工程，利用FLAC3D建立模型，對軟巖條件下隧道進(jìn)洞口仰坡開挖（支護(hù)與不支護(hù)情況下）的變形及其規(guī)律進(jìn)行分析，以求為類似條件下隧道、仰坡的設(shè)計及施工提供參考。

1 數(shù)值模擬

本次模擬采用有限差分軟件 FLAC3D，該軟件具有強(qiáng)大的網(wǎng)格生成功能及計算能力，采用顯式的有限差分格式求解場的控制微分方程，結(jié)合混合單元離散模型，特別適用于分析漸進(jìn)破壞失穩(wěn)以及大變形，在模擬施工過程方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢。

1.1 模型建立

模型以貴州地區(qū)茍江隧道工程為依托，以平面施工圖中的坡體高程和地質(zhì)剖面圖中的地層分界線數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立三維模型，如圖1所示。綜合考慮數(shù)值模擬的尺寸效應(yīng)及隧道開挖的影響范圍，本次數(shù)值計算模型尺寸最終確定為：長×寬×高=258 m×160 m×（100～180）m。

在進(jìn)行隧道開挖之前，要先對山體進(jìn)行挖方（見圖2），挖至隧道進(jìn)洞高程，洞口形成仰坡。

圖1 三維模型

圖2 仰坡挖方

由于模型尺寸大、規(guī)整程度差，為了方便計算，故采用尺寸從1 m～5 m以六面體為主的漸變混合網(wǎng)格，在隧道周圍進(jìn)行局部加密（見圖3），單元總數(shù)為400 167個，節(jié)點總數(shù)為271 061個。模型的左右邊界約束其水平向位移，下邊界約束豎直向位移，地表為自由邊界。巖體選用摩爾—庫倫彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行參數(shù)賦值。

圖3 網(wǎng)格劃分

1.2 參數(shù)的選取

計算采用的材料參數(shù)優(yōu)先從依托工程隧道地質(zhì)勘察資料中獲取，對于未給出的參數(shù)，通過收集翻閱其他地勘報告、《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》[7]、《工程地質(zhì)手冊》[8]、《巖土工程新技術(shù)實用全書(第 3卷)》[9]、《巖石力學(xué)參數(shù)手冊》[10]及相關(guān)規(guī)范、文獻(xiàn)綜合確定，用于本次模擬的材料經(jīng)驗參數(shù)見表1～表3。

1.3 開挖過程模擬及支護(hù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)

開挖洞口時，從上至下依次卸荷，分5級開挖形成邊（仰）坡。需要支護(hù)時，每開挖一級，施做格構(gòu)梁和打入錨索，最后施加預(yù)應(yīng)力。

表1 巖體材料參數(shù)

表2 邊（仰）坡支護(hù)錨索的材料參數(shù)

表3 格構(gòu)梁支護(hù)材料參數(shù)

模擬中涉及到的支護(hù)結(jié)構(gòu)有預(yù)應(yīng)力錨索、格構(gòu)梁（見圖4），所有支護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型。預(yù)應(yīng)力錨索通過外部建模軟件批量建立導(dǎo)出 dxf文件，再導(dǎo)入模擬軟件中，利用軟件中的Cable單元模擬，segments命令進(jìn)行單元分割。錨索分為自由段和錨固段，模擬中預(yù)應(yīng)力施加在自由段，預(yù)應(yīng)力段施加范圍由結(jié)構(gòu)單元的CID編號控制。

同樣，先外部建立格構(gòu)梁，然后再導(dǎo)入，并賦予材料參數(shù)。用Beam單元來模擬，通過控制單元的最大長度（maximum-length）對格構(gòu)梁進(jìn)行分割，對齊錨索的節(jié)點，便于結(jié)構(gòu)單元間連接。格構(gòu)梁基礎(chǔ)需要嵌入巖體，根據(jù)工程經(jīng)驗嵌入深度取0.5 m。

圖4 仰坡支護(hù)結(jié)構(gòu)

1.4 監(jiān)測點設(shè)置

設(shè)置監(jiān)測點、線，用于監(jiān)測仰坡Y向位移隨開挖過程的變化，在仰坡坡面分別設(shè)置1條縱向監(jiān)測線Z和1條橫向監(jiān)測線H，在仰坡中線與仰坡邊界線交叉處設(shè)置坡頂監(jiān)測點O見圖5。

2 仰坡開挖變形分析

2.1 模型整體和切片展示的位移（Y向）分析

無支護(hù)情況下：如圖6（a）、圖6（c）所示，開挖完成后，坡面位移明顯，坡面的較大位移區(qū)域主要集中在仰坡的第2級與第3級仰坡之間。結(jié)合地質(zhì)條件分析可知，是由于該區(qū)域是強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖和強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層分界處，無支護(hù)的隧道端墻面區(qū)域位移也相對較大。如圖6（a）所示，以仰坡中線為分界，仰坡的上部較大位移區(qū)域右移，由圖3可以看出，右側(cè)地勢略高于左側(cè)。

圖5 坡面監(jiān)測點、線（俯視圖）

支護(hù)情況下：如圖6（b）、圖6（d）所示，開挖完成后，最大位移值約為0.0158 m，與無支護(hù)情況時約0.0178 m相比下降了11%左右, 無支護(hù)的隧道端墻面成為最弱處，位移明顯增大，并且成為位移較大集中區(qū)域，而對于仰坡而言，第2級與第3級仰坡之間位移雖然有所減小，但仍為坡面較大位移集中區(qū)域。

圖6 仰坡Y向位移（單位：m）

綜合以上分析可知，開挖完成后，仰坡坡面較大位移集中區(qū)域位于第2級與第3級仰坡之間（即強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖和強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層分界處），并且不受支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響；支護(hù)結(jié)構(gòu)能在一定程度上抑制坡面位移大小，并且能改變較大位移集中區(qū)域，使之位于坡體最弱處，但并不能改變仰坡坡面上部較大位移區(qū)域右移趨勢，該趨勢只受地形影響。

2.2 模型坡頂監(jiān)測點隨開挖變化的位移（Y向）分析

如圖7所示，每開挖完一級仰坡后，坡頂位移逐漸趨于穩(wěn)定，直至下一級仰坡開挖為止，邊坡上部開挖時穩(wěn)定趨勢較為明顯。支護(hù)結(jié)構(gòu)能明顯控制仰坡變形，在仰坡下部開挖后最為明顯。

圖7 坡頂監(jiān)測點O的Y向位移

2.3 坡面橫向和縱向位移隨開挖的變化

由于本次研究主要集中在仰坡坡面，所以本次分析不對第1級開挖進(jìn)行分析。

無支護(hù)情況下（坡面橫向H監(jiān)測線）：如圖8（a）所示，對于仰坡而言，第5級開挖完成之后，每開挖完一級，以仰坡中線為分界，右側(cè)位移均大于左側(cè)；整個開挖過程中，左側(cè)位移隨仰坡逐級開挖增加量比右側(cè)小，在仰坡上部開挖時最為明顯。這在一定程度上表明坡體右側(cè)更容易發(fā)生變形破壞，由圖3可以看出，右側(cè)地勢略高于左側(cè)。

支護(hù)情況下（坡面橫向H監(jiān)測線）：如圖8（b）所示，對于仰坡而言，第2級開挖監(jiān)測點最大位移約為0.006 m，比無支護(hù)情況下第2級開挖監(jiān)測點最大位移約0.008 m（見圖8（a））減小了25%，很明顯支護(hù)結(jié)構(gòu)抑制了仰坡的變形。第5級開挖完成之后，每開挖完一級，以仰坡中線為分界，右側(cè)位移均大于左側(cè)，隨仰坡逐級開挖位移增加量右側(cè)大于左側(cè)，這一規(guī)律與無支護(hù)情況下一致。

圖8 仰坡坡面橫向監(jiān)測線H的Y向位移

無支護(hù)情況下（坡面縱向Z監(jiān)測線）：如圖 9（a）所示，對于仰坡而言，較大位移點先是出現(xiàn)在仰坡第4級中部，約為0.005 m，隨著開挖的進(jìn)行，較大位移點逐級下移，并且最終維持在第2級與第3級仰坡之間不再變化。

支護(hù)情況下（坡面縱向Z監(jiān)測線）：如圖9（b）所示，對于仰坡而言，支護(hù)后同監(jiān)測線上監(jiān)測點位移有所下降，第2級開挖監(jiān)測點最大位移約為0.01 m，比無支護(hù)情況下第2級開挖監(jiān)測點最大位移約0.014 m（見圖9（a））減小了29%。隨著開挖的進(jìn)行，較大位移點逐級下移，并且最終維持在第2級與第3級仰坡之間不再變化。

圖9 仰坡坡面縱向監(jiān)測線Z的Y向位移

綜合以上分析可知，對于仰坡而言：支護(hù)結(jié)構(gòu)抑制了仰坡的變形；無論支護(hù)與否，受地形影響，第5級開挖完成之后，每開挖完一級，以仰坡中線為分界，仰坡右側(cè)位移均大于左側(cè)，隨仰坡逐級開挖位移增加量右側(cè)大于左側(cè)；較大位移點隨開挖逐級下移，并且最終維持在第2級與第3級仰坡之間不再變化，這與2.1節(jié)中仰坡坡面較大位移集中區(qū)域分析結(jié)果相對應(yīng)。

2.4 模型最大剪應(yīng)變增量分析

無支護(hù)情況下：如圖10（a）、圖10（c）所示，開挖完成后，最大剪應(yīng)變增量在第2級與第3級仰坡之間貫通，正好與仰坡坡面較大位移集中區(qū)域相對應(yīng)，最大值也在該區(qū)域。

支護(hù)情況下：如圖10（b）、圖10（d）所示，坡面區(qū)域有所改觀，在仰坡中下部最為明顯。

2.5 模型塑性區(qū)分布分析

無支護(hù)情況下：如圖11（a）、圖11（c）所示，開挖完成后，坡面表部出現(xiàn)大面積剪切塑性區(qū)，在仰坡中下部較為集中，局部出現(xiàn)張拉塑性區(qū)。

支護(hù)情況下：如圖11（b）、圖11（d）所示，坡體內(nèi)剪切塑性區(qū)減少。由此可以推斷開挖仰坡過程中可能會出現(xiàn)局部滑動現(xiàn)象，開挖后及時支護(hù)能降低滑動的可能性。

圖10 仰坡最大剪應(yīng)變增量

圖11 仰坡塑性區(qū)

3 結(jié)論

（1）開挖完成后，仰坡坡面較大Y向位移集中區(qū)域位于第2級與第3級仰坡之間（即強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖和強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層分界處），并且不受支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響；支護(hù)結(jié)構(gòu)能在一定程度上抑制仰坡變形，在仰坡下部開挖后最為明顯，并且能改變較大Y向位移集中區(qū)域，使之位于坡體最弱處。

（2）無論支護(hù)與否，受地形影響，仰坡坡面上部較大Y向位移區(qū)域右移；第5級仰坡開挖完成之后，每開挖完一級，以仰坡中線為分界，仰坡右側(cè)Y向位移均大于左側(cè)，隨仰坡逐級開挖Y向位移增加量右側(cè)大于左側(cè)。

（3）每開挖完一級仰坡后，坡頂Y向位移逐漸趨于穩(wěn)定，直至下一級仰坡開挖為止，仰坡上部開挖時穩(wěn)定趨勢較為明顯。

（4）受地形及仰坡巖體分布情況影響，隧道進(jìn)洞口仰坡開挖時，在右側(cè)第2級與第3級仰坡之間（即強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖和強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層分界處），較大Y向位移集中，最大剪應(yīng)變增量貫通且較大，坡面表部出現(xiàn)大面積剪切塑性區(qū)，可能發(fā)生局部滑動，對該部位應(yīng)根據(jù)實際情況采取支護(hù)措施。