開挖間隔時間對鐵路高邊坡穩(wěn)定性影響

唐小軍 袁仕貴

（云南省鐵路集團(tuán)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(wěn)定有重要影響。目前許多學(xué)者對路塹邊坡開挖穩(wěn)定性問題進(jìn)行了較為深入細(xì)致的研究。

龔建輝[1]針對西部地區(qū)高速鐵路路塹邊坡開挖路易出現(xiàn)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(jìn)行理論分析，并提出高陡邊坡滑坡針對性預(yù)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(jìn)行分析研究，認(rèn)為通過改變臨空面方向及多元立體化防護(hù)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(fù)線某明洞附近路塹施工技術(shù)進(jìn)行分析，通過對明洞左側(cè)順層邊坡的清方及錨索加固，再通過6 根錨固樁加強(qiáng)，有效防止在路塹開挖時明洞裂縫的出現(xiàn)。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(xiàn)滑面和古滑面不同工況下的穩(wěn)定性，全面分析鐵路路塹開挖對古滑坡的穩(wěn)定性影響，提出了滑坡治理的針對性措施。王耀輝[5]結(jié)合蘭渝鐵路DK53 處路塹邊坡，通過對路塹邊坡開挖過程中產(chǎn)生滑坡的原因進(jìn)行分析，認(rèn)為地質(zhì)因素、自然因素及工程原因是引發(fā)滑坡的主要原因，針對該路塹邊坡失穩(wěn)原因，提出了針對性措施，并取得良好效果。石有權(quán)等[6]提出順層路塹邊坡的二臨空面、三臨空面概念，并認(rèn)為這兩種臨空面情況下易出現(xiàn)順層滑坡，通過分析順層邊坡開挖的影響范圍，提出相應(yīng)的加固措施。王明慧等[7]對山區(qū)高速鐵路建設(shè)中采用深路塹與隧道兩種方案進(jìn)行比較分析，認(rèn)為兩種方案的比選應(yīng)從地質(zhì)、環(huán)境、工程難度、經(jīng)濟(jì)成本及運營安全五個方面進(jìn)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(shè)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(wěn)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(jìn)行研究，分析邊坡的位移、剪切應(yīng)變及邊坡穩(wěn)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(qū)域為侵蝕構(gòu)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(jù)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(fēng)化、中風(fēng)化泥巖構(gòu)成。研究主要基于二維有限元軟件Geo-Studio，采用SIGMA/W 應(yīng)力應(yīng)變分析模塊，依據(jù)設(shè)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(zhì)分層進(jìn)行了一定的簡化處理，通過將CAD 斷面圖導(dǎo)入Geo-Studio 軟件中，進(jìn)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(biāo)記為藍(lán)色；下層為泥巖層，標(biāo)記為紫色，開挖的區(qū)域用灰色表示。模型網(wǎng)格劃分為四邊形，網(wǎng)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(shè)置6 個監(jiān)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(shù)值模擬采用莫爾-庫侖模型（Mohr-Coulomb Model）本構(gòu)模型，該本構(gòu)模型能夠較好地分析巖土體應(yīng)力應(yīng)變情況，且本構(gòu)模型需要的參數(shù)較易獲取，巖土層物理實驗與數(shù)值模擬試驗的參考資料也較為豐富，各種參數(shù)的取值也有較好的經(jīng)驗范圍，因此具有較為廣泛的應(yīng)用。本次模型的邊界約束條件：依據(jù)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(rèn)為既不能發(fā)生平移，也不能發(fā)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(shè)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(jù)施工方案，土體自上而下總共分為5 個開挖階段，依據(jù)上下層開挖時間間隔不同，設(shè)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(yīng)力未完全釋放，土體應(yīng)變也沒來得及完全發(fā)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(yīng)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(yīng)力得到完全釋放，土體變形也完全發(fā)生，因此下層開挖不考慮上層應(yīng)力釋放，土體累積應(yīng)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(yīng)變情況，模型中各土層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各巖土層力學(xué)參數(shù)參考值

3 模型計算結(jié)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(jiān)測點的位移量，快速開挖遠(yuǎn)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(fā)現(xiàn)，采用慢速開挖時，X-Y 位移量最大值區(qū)域為0.12～0.14m；而采用快速開挖時，X-Y 位移量最大值區(qū)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(jiān)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(chǎn)生的位移，快速開挖法遠(yuǎn)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(chǎn)生的位移較小，有利于邊坡的穩(wěn)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(yīng)變分析

通過分析可知，當(dāng)采用快速開挖時，覆蓋層監(jiān)測點最大剪切應(yīng)變與采用慢速開挖方式的監(jiān)測點最大剪切應(yīng)變值的差，遠(yuǎn)大于下伏泥巖層監(jiān)測點的最大剪切應(yīng)變差值，這主要是由于覆蓋層土體力學(xué)性質(zhì)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(chǎn)生的應(yīng)力還未完全消散，土體位移沒有完全釋放，下層開挖即進(jìn)行，因此，出現(xiàn)每層開挖的位移及應(yīng)變的累積；覆蓋層與下伏泥巖交界區(qū)域，土體性質(zhì)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(yīng)變云圖如圖4、圖5所示。通過應(yīng)變云圖對比分析，可以明顯發(fā)現(xiàn)，不論采用何種開挖方式，覆蓋層與下伏泥巖交界區(qū)域土體最大剪切應(yīng)變值是整個路塹各級邊坡土體中最大的。當(dāng)采用慢速開挖時，最大剪切應(yīng)變極大值區(qū)域為≥0.022；而采用快速開挖時，最大剪切應(yīng)變極大值區(qū)域為≥0.075，且最大剪切應(yīng)變的平均值也比采用慢速開挖的大。通過最大剪切應(yīng)變監(jiān)測對比表及最大剪切應(yīng)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(chǎn)生的最大剪切應(yīng)變，遠(yuǎn)大于慢速開挖方法產(chǎn)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(chǎn)生的最大剪切應(yīng)變較小，有利于邊坡的穩(wěn)定。

圖4 慢速開挖最大剪切應(yīng)變云圖

圖5 快速開挖最大剪切應(yīng)變云圖

4 結(jié)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(yīng)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(qū)域土體。因此，在對具有深厚覆蓋層地質(zhì)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(hù)措施發(fā)揮作用時，方可進(jìn)行下一層路塹開挖，特別是覆蓋層與下伏泥巖層交界區(qū)域土體防護(hù)加固措施，應(yīng)在本層邊坡開挖完成后，立即組織施工，以防止邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。