隧道洞口段開挖面失穩模式及塌方演化機理

李奧 張頂立 董飛 黃俊 孫振宇 孫毅

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；3.中鐵十六局集團有限公司，北京 100018

隧道洞口段一般處于圍巖穩定性較差的斜坡面上，由于埋深較淺，開挖后圍巖難以形成承載體系，且洞口邊仰坡坡面容易受拉開裂，隧道和邊坡的安全性很難得到保證，有可能產生隧道塌方和邊坡滑移。隧道洞口段和邊坡一旦塌方，不僅處治困難，而且留有后患［1］。坡面正交型隧道洞口指隧道開挖面軸向與邊坡坡面走向基本垂直，隧道開挖軸向前后位置偏壓顯著。隧道開挖干擾邊坡的坡腳和滑移線，使得邊坡沿著隧道開挖面產生滑移，進一步造成隧道開挖面失穩，形成塌穿至地表的塌方形態［2］。

當前針對隧道洞口段的失穩機理開展了大量的研究。張翾等［3］研究某黃土隧道洞口段邊坡的坍塌機理，提出隧道滑塌段兩側及開挖面前方的圍巖所形成的隱性裂縫是造成邊坡坍塌的重要因素。郭小紅等［4］通過收集和整理山嶺隧道洞口段塌方以及滑坡災害資料，提煉出十大致災因素，并提出了山嶺隧道洞口段災害模糊綜合評價數學模型。王迎超［5］基于數值模擬和灰色理論揭示了隧道洞口段塌方破壞機制，并給出了隧道洞口段失穩理論判據。鄭彥奎［6］利用有限差分軟件FLAC 3D 分析了坡面正交型典型隧道洞口段邊坡的穩定性情況。王路路、唐小富等［7-8］采用極限分析上限法對隧道洞口邊仰坡的穩定性進行理論分析。吳大勇［9］基于尖點突變理論對隧道洞口段圍巖的穩定性進行研究。

隧道洞口段是隧道開挖中失穩風險最大、危害最大的位置，邊坡失穩將直接掩埋整個隧道，安全性控制難度較大。當前相關研究對隧道洞口段可能引發的安全事故類型不明確，對隧道開挖對邊坡的擾動規律認識不足，邊坡失穩的誘因以及隧道開挖面失穩模式不清晰，使得隧道洞口段位置選擇、管棚的支護設計缺乏理論依據。本文從邊坡自身的安全性出發，利用有限元極限分析法研究隧道開挖對邊坡的擾動影響和隧道開挖面自身的特性，揭示隧道洞口段開挖面失穩塌方機理，并分析管棚超前支護措施的效果。

1 邊坡安全性及其影響因素分析

對于含有節理、裂隙、斷層等復雜邊坡，其破壞機制往往與坡體結構類型組合、隧道的位置等參數有關，傳統邊坡安全性分析的滑面搜索方法不再適用。GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術規范》提出當邊坡破壞機制復雜時，可采用數值極限分析法。有限元極限分析法將有限元和數學規劃相結合，使得極限分析求解大規模復雜問題成為可能，通過數學規劃計算搜索巖土臨界破壞模式及極限荷載，避開了巖土失穩判據問題，成為巖土穩定性分析的有力工具，也極大地推動了塑性極限分析在工程界的運用［10-13］。OptumG2 軟件是一款專門用于巖土工程的有限元分析和極限分析軟件。

1.1 拉剪強度同步折減的安全系數計算方法

邊坡的安全性分析中常采用剪切強度折減法，針對剪切強度參數中的黏聚力c和內摩擦角φ，通過輸入不同的折減系數對c、tanφ進行折減迭代計算邊坡的安全系數［14-15］。研究表明，考慮剪切強度參數c、tanφ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，由c、tanφ表示的抗拉強度并沒有得到同等折減。對于滿足摩爾-庫侖屈服準則的材料，其屈服準則表達式為

式中：τ為剪應力；σ1為最大主應力；σ3為最小主應力。

當處于單軸受拉時，認為σ1=σ2=0，則單軸抗拉強度σt0為

折減后的抗拉強度σt1為

式中：FS為折減系數。

單軸抗拉強度折減系數FtS為

單軸抗拉強度折減系數FtS小于用剪切強度參數c、tanφ計算的折減系數FS，因此過高地估計了材料的抗拉能力，使得計算的安全系數偏大。對于受拉破壞的情況，其破壞程度取決于巖土體的抗拉強度，過高估計抗拉強度會使得計算結果偏危險。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：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

當采用強度折減法計算邊坡的安全系數時，必須針對邊坡安全性和破壞模式起作用的強度指標進行折減。若起作用的強度是抗剪強度，則只需要對抗剪強度指標進行折減；若起作用的強度僅為抗拉強度，則只需要對抗拉強度指標進行折減。因此提出考慮張拉-剪切破壞強度折減法，表達式為

式中：c1、φ1、T1分別為折減后的黏聚力、內摩擦角、抗拉強度。

基于OptumG2 軟件，利用文獻［16］的邊坡算例進行強度折減分析，采用剪切破壞和拉剪破壞兩種強度準則折減下的邊坡總耗散能量如圖2 所示。可知：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。典型邊坡的發生機制，對于大多數邊坡的破壞應為張拉+剪切的復合破壞模式，邊坡的前緣往往是剪切破壞，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明顯。因此存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接近，安全系數的結果也更精確。

圖2 兩種強度準則下的邊坡總耗散能量（單位：kJ）

1.2 邊坡安全系數和影響因素分析

基于有限元極限分析方法，分析隧道未開挖時邊坡自身穩定性，邊坡模型參數為：黏聚力c=100 kPa，抗拉強度T=0，拉應力截斷的傾角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。網格劃分如圖3 所示。模型網格自適應迭代次數為 3，當單元數為 500、1 000 和 2 000 時，運算結果：上限解安全系數分別為 1.469、1.440 和 1.434，下限解安全系數分別為1.407、1.420 和1.423。隨著單元數增加，上下限解的差異逐漸減小，因此設置網格數為2 000 即可滿足精度要求，邊坡安全系數上下限均值為1.43。極限平衡法邊坡滑移線見圖4，可知極限分析結果與極限平衡法［17］滑移線位置基本一致。

圖3 網格劃分

圖4 極限平衡法邊坡滑移線

分析相關參數對邊坡安全性的影響規律，得到邊坡安全系數與邊坡角、邊坡高度、黏聚力、內摩擦角的關系，見圖5?？芍哼吰陆嵌群瓦吰赂叨仍酱?，邊坡的穩定性越低；隨著黏聚力和內摩擦角增大，邊坡的安全系數逐漸增大，且呈線性相關關系。進一步分析邊坡安全性影響因素的顯著性，得到邊坡角、邊坡高度、黏聚力、內摩擦角的敏感度分布為：0.33、0.65、0.49、0.55，表明邊坡安全性影響因素的顯著性從大到小依次為邊坡高度、黏聚力、內摩擦角和邊坡角。

圖5 邊坡穩定性與相關參數的關系

2 隧道洞口段開挖面滑移式失穩機理

受地形條件和隧道線路要求所限，隧道洞口位置有時不得不選在高邊坡地段，在工程卸荷作用下，可能發生破壞形式為滑坡或隧道失穩塌方。針對坡面正交型隧道洞口，研究隧道開挖對邊坡的擾動特性，揭示開挖面失穩模式及塌方演化機理。

2.1 基于有限元極限分析法的開挖面失穩數值模擬

當隧道高度為10 m 時，隧道施工工法為全斷面法和臺階法，臺階法施工時上臺階高4 m，長8 m，邊坡參數與前節參數一致。全斷面法和臺階法施工下不同進洞長度的隧道開挖面和邊坡的剪切耗散能量分別見圖6、圖7?？芍核淼赖拈_挖破壞了邊坡原有坡腳，新的坡腳轉移到隧道開挖面處，使得邊坡滑移線后移，滑移體的范圍增大，隨著隧道進洞長度的增大，滑移線角度和滑移體范圍越來越大；臺階法施工時邊坡滑移線下端位于上臺階拱底處，使得臺階法施工的邊坡滑移線角度和滑移體范圍均小于全斷面施工。

圖6 全斷面法隧道和邊坡剪切耗散能量（單位：kJ）

圖7 臺階法隧道和邊坡剪切耗散能量（單位：kJ）

采取全斷面和臺階法施工時，隧道進洞過程中安全系數見圖8?？芍寒斶M洞長度較短時（10 m 以內），采取臺階法施工并及時施作初期支護，開挖面和邊坡能夠實現自穩；隨著進洞長度逐漸增大，邊坡滑移線后移，滑移線以內的土體范圍擴大，邊坡滑移失穩，進而導致隧道開挖面失穩塌方；采取全斷面開挖進洞長度10 m 時，邊坡和開挖面即會失穩；采取臺階法開挖會提高邊坡安全性，但當進洞長度超過15 m 時，邊坡安全系數也低于1。因此隧道洞口段開挖即使采取臺階法施工并及時施作初期支護，仍無法確保邊坡的穩定性。

圖8 安全系數

當臺階法施工隧道進洞長度為20 m 時，隧道開挖面失穩剪切耗散能量如圖9 所示?？芍?，開挖面和邊坡同時失穩時，邊坡滑移巖土體將從開挖面進入隧道，隧道開挖面后方拱頂以上的圍巖也產生失穩破壞。

圖9 開挖面失穩剪切耗散能量（單位：kJ）

隧道洞口段開挖面失穩變形如圖10所示?？芍赫w上水平位移大于豎向位移，水平位移、總位移主要集中于已開挖段的拱頂以上位置，豎向位移主要集中于滑移線以上位置；最大水平和最大總位移位于隧道洞口段拱頂處，最大豎向位移位于滑移面與地表交點處。

圖10 隧道洞口段開挖面失穩變形云圖（單位：mm）

2.2 隧道洞口段開挖面失穩塌方演化機理

隧道洞口段開挖面失穩塌方演化機理如圖11 所示?？芍撼跏紶顟B時邊坡存在潛在滑移線（AB），但由于邊坡自身安全系數較高，邊坡可實現自穩；隨著隧道的開挖，邊坡的原有坡腳消失，新的坡腳產生于隧道開挖面處，采取全斷面施工時，由于邊坡高度保持不變，但隧道開挖客觀上增大了邊坡坡度，使得邊坡滑移線（A1B1）后移，滑移線的角度也隨之增大，隧道和邊坡的安全系數降低；與全斷面工法相比，臺階法施工降低了邊坡的高度，減小了邊坡滑移線（A2B2）的角度，隧道和邊坡的安全系數得到提高。

圖11 隧道洞口段開挖面失穩塌方演化機理

隧道洞口段開挖面失穩塌方模式為典型的滑移式失穩塌方，在隧道開挖面前后位置將形成滑移區和頂部塌方區。失穩過程為：開挖擾動引發邊坡失穩的同時，滑移線以內的巖土體將從隧道開挖面進入隧道，使得開挖面的塌方從隧道內延伸至邊坡地表處，形成漏斗形的塌穿形態，如圖12所示。已開挖隧道的拱頂上方圍巖由于埋深極淺無法自穩形成塌方區，全部塌方荷載將加載到開挖面后方的支護上。

圖12 隧道洞口段開挖面失穩塌方事故（阮家窯隧道）

3 隧道洞口段管棚超前支護措施

超前大管棚進洞是目前隧道主要采用的進洞方式。超前大管棚能夠有效減小隧道開挖對于邊坡的擾動，同時減少由于巖土體自重產生的豎向荷載，對穩定前方土體非常有效，能夠確保邊坡和隧道施工安全［18］。

大管棚施工時，一般先在洞口開挖輪廓外施作管棚套拱，采用錨桿使其和洞口邊仰坡連成一體，增加仰坡的穩定性。管棚套拱主要為超前管棚的施工提供導向和支架作用，然后再施工大管棚，大管棚主要采用鋼管加注漿的方式。洞口段常用管棚長度一般為20 ～ 80 m，特殊情況下管棚打設長度可達到100 ～300 m，常用的管棚直徑為89、108、159 mm，管棚壁厚一般為4、6 mm。

通過極限分析法分析管棚在洞口段的作用效果。管棚采用φ108×6 mm 熱軋無縫鋼花管，長度30 m，注漿厚度0.5 m，管棚與注漿土體采用實體單元，管棚參數和注漿參數按文獻［18］選取。隧道施工方法為全斷面法和臺階法，在單根管棚（30 m）的支護下，進洞長度15 m 時邊坡的剪切耗散能量和不同進洞長度下邊坡的安全系數如圖13 所示?？芍诠芘镏ёo下，邊坡的滑移線被管棚截斷，上段滑移線角位于管棚端部，下段滑移線角位于開挖面拱腳處。管棚提供豎向支護力，很好地約束了滑移體的豎向位移，使得邊坡的安全系數提高明顯，采取全斷面法開挖，進洞15 m仍能保證安全。但隨著隧道進洞長度越來越大，下滑移線的坡角逐漸增大，安全系數逐漸降低。當進洞長度為25 m時，管棚只能支護隧道開挖面前方5 m，且此時安全系數小于1，表明當前的參數下，管棚支護段設置為30 m 是不足的，因此管棚長度設置為60 m，可選擇60 m 長的管棚或設置兩根管棚在中間位置進行搭接。

圖13 管棚支護下邊坡剪切耗散能量和安全系數

分析結果表明，采用60 m 管棚超前支護下，臺階法和全斷面法施工進洞25 m 時邊坡安全系數分別為1.392、1.317，此時隧道和邊坡安全得到有效保障。因此坡面正交型隧道中管棚的支護長度需要結合邊坡的滑移線進行分析。

4 結論

1）邊坡穩定性計算應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，使得安全系數的結果更準確。

2）邊坡安全系數影響因素的顯著性從大到小依次為：邊坡高度、黏聚力、內摩擦角和邊坡角。

3）隧道洞口段開挖面失穩塌方模式為典型的滑移式失穩塌方，即在隧道開挖面前后位置分別形成滑移區和頂部塌方區。

4）隧道洞口段管棚的施作長度應結合邊坡的特性進行設計，確保管棚能夠有效地穿過邊坡的滑移線。采用60 m 管棚超前支護下，臺階法和全斷面法施工進洞25 m 時邊坡安全系數分別為1.392、1.317，此時隧道和邊坡安全得到有效保障。