坡面平行型洞口段隧道塌方演化機理研究

李 奧 董 飛 黃 俊 孫振宇 盧志飛

(1.蘇交科集團股份有限公司，南京 210019； 2.北京交通大學城市地下工程教育部重點實驗室，北京 100044)

隧道洞口段一般處于坡度較陡的淺埋偏壓地段，且圍巖破碎程度高，成拱效應差，圍巖一旦破壞，易波及地表造成地面塌陷[1]。隧道軸線與邊坡的走向之間的角度不同，使得洞口段隧道塌方形態有所差異。坡面平行型洞口是指隧道軸線與坡面走向基本上一致，隧道左右兩側偏壓明顯，安全風險較大，隧道開挖常會誘發山體滑坡和隧道拱頂薄弱處塌方。另外，隧道洞口與滑移線位置不同，其引發的隧道塌方模式和特性差異較大，分別為隧道處在滑移線內形成的整體式塌方以及隧道與滑移線相交形成的擠壓式剪切塌方[2]。

當前，針對坡面平行型洞口段隧道開挖引發的邊坡和隧道圍巖穩定性問題，已有學者開展大量研究。閆天璽等從地質角度發現淺埋偏壓洞口段隧道圍巖失穩的影響因素，提出圍巖破壞模式可歸結為重力坍塌和膨脹內鼓的協同破壞模式[3]；于群群等結合監測數據和數值模擬方法，分析了隧道洞口段圍巖的破壞機制，提出隧道淺埋側拱肩處易出現拱形拉伸屈服塑性帶是引發圍巖失穩的關鍵[4]；朱小鵬采用有限元軟件ABAQUS，研究了不同開挖方法對隧道洞口淺埋偏壓段圍巖穩定性的影響[5]；陳云超基于有限差軟件FLAC3D，分析邊坡坡率、巖層傾角和隧道埋深等因素對隧道洞口邊坡穩定性影響[6]；張維基于現場施工和數值模擬，研究了隧道洞口段施工過程中出現失穩破壞的原因[7]；唐沅基于應用極限平衡理論和有限元數值模擬方法(MIDAS NX)，對隧道明挖后未支護邊坡進行穩定性計算[8]；左清軍等將突變理論和監測數據的結合，開展淺埋偏壓隧道圍巖突變失穩分析[9]；王偉等對淺埋偏壓隧道口的軟弱圍巖綜合加固處治和超前支護措施進行了系統性的研究[10]。當前相關研究對洞口段隧道開挖可能引發的圍巖失穩機理已經有清晰認識，但對邊坡的擾動規律缺乏定量分析，而洞口段隧道與邊坡的滑移線之間的復雜位置關系，使得洞口段隧道位置的確定、安全性控制措施的選擇缺乏理論依據。以下基于有限元極限法，分析邊坡自身的穩定性，進一步考慮隧道開挖的位置對邊坡和隧道安全性的影響進行分析，同時研究坡面平行型隧道洞口段隧道安全性控制措施。

1 基于有限元極限法的邊坡安全性分析

有限元極限分析法(FELA)將經典塑性極限定理與有限元相結合，充分利用有限元離散處理復雜土層、荷載和邊界條件的強大能力[11-12]，以及塑性極限分析法可以從下限和上限兩個方向逼近極限破壞真實解的精確計算優點，無需假定破壞模式，通過數學優化方式自動搜索最優的破壞模式，并給出破壞荷載和安全系數的嚴格上下解。其中，OptumG2軟件是一款專門用于巖土工程的有限元極限分析軟件。

1.1 考慮抗拉強度同步折減的安全系數

邊坡的安全性分析中常采取剪切強度折減法，對剪切強度參數c，tanφ進行折減，通過輸入不同的折減系數來迭代計算邊坡的安全系數[13-14]，研究表明，考慮c，tanφ抗剪參數的強度折減法，只適用于壓剪型破壞，且在抗剪強度折減過程中，c，tanφ表示的抗拉強度并沒有得到同等折減。因此，過高估計材料的抗拉能力，會使計算的安全系數偏大；而對于受拉破壞的情況，其破壞取決于圍巖的抗拉強度，過高估計抗拉強度，會使計算結果偏危險。以下對摩爾-庫倫屈服準則進行修正，采用拉伸截斷來描述拉應力作用下的屈服，如圖1所示。圖中，c為黏聚力；φ為內摩擦角；T為抗拉強度；φt為拉應力截斷的傾角。

圖1 考慮抗拉強度的摩爾庫倫強度準則

基于OptumG2軟件，利用邊坡算例進行強度折減分析[15]，模型中，邊坡高100 m，邊坡坡率為1∶0.2。采用剪切破壞和拉剪破壞強度準則折減下邊坡總耗散圖(見圖2)，可以看出，壓剪破壞下坡腳和后緣大致處于一個圓弧上，而拉剪破壞強度準則下后緣近似于垂直，表明后緣受拉破壞。剪切破壞和拉剪破壞強度準則折減下的安全系數分別為1.242，1.142，拉剪破壞下的安全系數較小。對于大多數邊坡的破壞，應為“張拉+剪切”的復合破壞模式，邊坡前緣多為剪切破壞，而后緣往往會產生拉裂破壞，且高陡邊坡后緣的張拉破壞更為明顯。因此，在張拉破壞的情況下，采用“拉剪強度同等折減的強度折減法”計算的結果與邊坡實際破壞方式更為接近，安全系數也更精確。

圖2 兩種強度準則下的邊坡總耗散能量(單位：kJ)

1.2 邊坡安全系數分析

基于有限元極限分析方法分析隧道未開挖時土質邊坡自身穩定性，其中，黏聚力c=100 kPa；抗拉強度T=0 kPa，φt=90°；內摩擦角φ=25°；邊坡角β=45°；邊坡高度h=50 m；重度γ=20 kN/m3。網格劃分結果見圖3，模型網格自適應迭代次數為3，當單元數目為500、1 000和2 000時，上限解安全系數分別為1.469、1.44和1.434，下限解安全系數分別為1.407、1.42和1.423。隨著單元數目的增加，上下限解的差異逐漸減小。設置網格數目為2 000即可滿足精度要求。極限分析方法模擬邊坡穩定性結果見圖4、圖5，剪切耗散能即剪切耗散功率是材料塑性破壞的重要指標，指剪切力沿著隧道開挖面剪切破壞面所做的功率，從剪切耗散能的云圖可以看出，存在明顯的剪切耗散能集中，集中的邊界即是邊坡失穩的破壞面。同時可以得到，極限分析結果與極限平衡安全系數結果(FS=1.43)吻合[16]，滑移線位置也基本一致(見圖6)。

圖3 網格劃分結果(單元數2 000)

圖4 邊坡剪切耗散能量(單位：kJ)

圖5 邊坡總變形(單位：mm)

圖6 基于極限平衡法的邊坡安全系數

2 坡面平行型洞口段隧道塌方機理

對于坡面平行型隧道洞口，隧道開挖易誘發山體滑坡和隧道拱頂薄弱處塌方。坡面平行型隧道拱頂塌方主要有兩類[17]：一類是隧道整體在滑坡體中，隨滑坡體整體滑動塌方；二類是隧道與坡體滑面相交，在滑坡體滑動擠壓下發生塌方(見圖7)。分析隧道與邊坡的二維空間位置對隧道與邊坡安全性影響時，應考慮處于最危險狀態隧道對邊坡的影響，此時隧道未得到有效支護，即隧道存在未支護段。以下研究隧道開挖存在未支護時對邊坡的擾動，使得邊坡產生滑移失穩，進而引發隧道失穩的過程。

圖7 坡面平行型洞口段隧道塌方類型

2.1 隧道位置對邊坡和隧道安全性的影響

在洞口段邊坡處進行隧道開挖，不可避免地會對邊坡造成一定影響，使得邊坡安全系數降低，使其從安全狀態向非安全狀態發展。邊坡參數與上節一致，假定圓形隧道直徑為10 m，當隧道圓心與邊坡中點水平距離變化時，得到隧道與邊坡不同水平距離下模型剪切耗散能(見圖8)和安全系數結果(見圖9)。

圖8 不同水平距離下模型的剪切耗散能(單位：m)

由圖8、圖9可知，隨著隧道從水平方向逐漸遠離邊坡坡面，安全系數呈現先減小后增大趨勢，其原因是隧道開挖后未采取支護，使得隧道圍巖松動變形，進而引起邊坡滑動。隧道先逐漸靠近邊坡滑移線，與滑移線相交后逐漸遠離滑移線，當隧道與邊坡滑移線相交時，安全系數最低為1.18。安全系數最低時即隧道開挖最危險位置，隧道和邊坡失穩塌方風險較大，可能導致塌方掩埋隧道。

圖9 邊坡安全系數與水平距離的關系

當隧道圓心與邊坡中點水平距離為10 m，得到隧道與邊坡不同豎向距離下模型的剪切耗散能(見圖10)和安全系數(見圖11)。與上文的結論基本一致，越靠近隧道滑移線，安全系數越低。當隧道開挖處于滑移線的正下方，且靠近邊坡的坡腳時，邊坡的安全系數也較低。故隧道從水平方向遠離邊坡的滑移線比從豎直方向遠離邊坡的滑移線更為安全。

圖10 不同豎向距離下模型的剪切耗散能(單位：m)

圖11 邊坡安全系數與豎向距離的關系

2.2 隧道位置建議

《鐵路隧道設計規范》給出了偏壓隧道外側拱肩山體最大覆蓋厚度t[18](見圖12)，此建議值只顧及邊坡的坡面角度，而未考慮邊坡高度和邊坡滑移面位置等。一般情況下，最大覆蓋厚度應結合邊坡的破裂面進行考慮，根據坡腳和隧道滑移線的位置(見圖13)，將隧道可能出現的區域劃分為A、B、C區，根據3個區域內隧道距離坡腳和隧道滑移線的距離，以及前文多種工況下的安全系數對比，可以得知3個區域內安全系數依次增大，即FSA

圖12 偏壓隧道外側拱肩最大覆蓋厚度建議值

圖13 洞口段隧道位置分布

3 安全控制措施

當邊坡自身的安全系數較低，或由于隧道開挖使得邊坡的安全系較低時，邊坡和隧道的安全性無法滿足要求，可采取反壓回填措施或采取邊坡加固措施(注漿加固、錨索、錨桿或土釘等)[19]。同時可以采用周邊帷幕注漿加固或大管棚支護等隧道超前支護和加固措施，以減小隧道施工對邊坡的擾動。

3.1 隧道周邊帷幕注漿加固

以隧道圓心與邊坡坡面中點水平距離為25 m，豎向距離為0 m位置處隧道為例，此時隧道與邊坡滑移線相交，未采取加固措施時邊坡安全系數為1.17。當采取厚度為0.5 m、1 m、2 m和3 m周邊帷幕注漿，注漿材料黏聚力c=500 kPa，內摩擦角φ=35°，開挖后，邊坡安全系數分別為1.275、1.32、1.38和1.43，接近邊坡未受開挖時安全系數上限解1.434。從剪切耗散圖(見圖14)可見，即使隧道與邊坡初始滑移線相交，但采取注漿加固后進行隧道開挖，當注漿厚度達到一定時(2 m)，邊坡滑移線較為完整，表明在注漿加固后的圍巖能夠對隧道施工擾動進行隔離，減小隧道施工對邊坡滑移線的擾動。

圖14 周邊帷幕注漿加固下邊坡的剪切耗散能

3.2 坡腳反壓回填

通過對邊坡的坡腳采取反壓回填措施，得到邊坡的剪切耗散能(見圖15)，由圖15可知，反壓回填本質上起到降低了邊坡的高度的作用，使得邊坡滑移線向上移動，滑移線的角度減小。當邊坡回填2 m、5 m、7.5 m和10 m時，邊坡的安全系數分別為1.15、1.20、1.21和1.23。回填后，邊坡安全系數有較大提高，且回填高度越大，控制效果越好，但反壓回填效果低于帷幕注漿效果，且無法避免對邊坡滑移線造成影響。

圖15 反壓回填下邊坡的剪切耗散能

4 結論

基于有限元極限分析方法，研究邊坡自身的穩定性，進一步考慮隧道開挖的位置對邊坡和隧道安全性的影響進行分析，并研究坡面平行型隧道洞口段隧道安全性控制措施。相關結論如下。

(1)剪切破壞和拉剪破壞強度準則折減下的安全系數分別為1.242，1.142，拉剪破壞下的安全系數較小。采取考慮張拉剪切同步折減的邊坡安全系數計算方法，能夠真實模擬邊坡的失穩，確保安全系數的結果更準確。

(2)隧道位置越靠近邊坡的滑移線，邊坡的安全系數越低，故隧道應盡量遠離邊坡的坡腳和潛在滑移面位置，且隧道應整體往上移動，避免隧道處于邊坡滑移線的下方。

(3)反壓回填措施本質上起到降低邊坡的高度的作用，通過對隧道施工擾動進行有效隔離，均使得邊坡的安全系數有所提升。當注漿厚度達到一定時(2 m)，注漿加固隔離效果較好，邊坡滑移線完整。注漿加固的效果明顯優于反壓回填。