高陡邊坡下隧道洞口區穩定性研究

摘要：為研究隧道開挖工法對高陡邊坡下隧道洞口區穩定性的影響，文章依托某實際隧道工程，采用FLAC3D軟件建立了相應的三維模型，對三臺階法、環形預留核心土法和CRD法開挖施工進行模擬分析，并與現場監測結果進行對比，得到如下結論：（1）對比三種工法開挖時隧道圍巖和邊坡變形可知，CRD法為最適宜，采用該工法開挖隧道時，洞口區圍巖和邊坡變形最小；（2）數值模擬所得圍巖及邊坡變形變化規律與現場監測結果基本一致，故采用數值法進行隧道施工優化具有一定的可行性；（3）為減少隧道開挖對洞口區邊坡的影響，采用CRD法進行隧道開挖，結合錨索預加固可有效提高邊坡穩定性。

關鍵詞：隧道洞口區；高陡邊坡；圍巖變形；邊坡穩定性；FLAC3D；CRD法；隧道開挖

中圖分類號：U453.1

0 引言

隨著我國經濟的不斷發展，交通規劃規模不斷增大，隧道工程的修建也不斷增多，但同時也帶來了許多技術問題。隧道洞口區高陡邊坡失穩和圍巖坍塌現象時有發生，故為了提高隧道施工的安全性，對隧道洞口區邊坡及圍巖穩定性的研究至關重要。對此，大量學者進行了深入研究。張京伍等［1］基于極限分析上限法分析了存在孔隙水壓力作用時，隧道洞口仰坡坡頂裂縫分布位置對其整體穩定性的影響。王凱等［2］以四川某淺埋偏壓隧道為例，利用Midas軟件研究了降雨入滲對洞口邊坡的影響，并對比分析了錨索和抗滑樁兩種結構的支護效果。徐平等［3］采用強度折減法反演了某隧道洞口邊坡的穩定性，獲取了相應的巖體強度參數，據此設計了相應的支護措施，并通過工程實踐驗證其支護效果。張志強等［4］利用FLAC 3D軟件分析了隧道開挖時，洞口邊坡的變形失穩模式，并進一步分析了采空區對坡體變形的影響。邵珠山等［5］利用ABAQUS軟件分析了邊坡坡腳、降雨入滲及隧道開挖等因素對隧道洞口邊坡穩定性的影響，并探討了不同支護措施的加固效果。倪向龍等［6］根據6組黃土地區隧道洞口滑坡的典型案例，進行深入的理論分析，并利用數值模擬研究了隧道開挖對邊坡變形的影響。上述研究證明了數值模擬應用于隧道圍巖和邊坡變形分析的可靠性，但未對隧道開挖工法進行深入分析。本文依托某實際工程，利用FLAC 3D軟件研究了三種隧道開挖工法對隧道洞口區圍巖及邊坡穩定性的影響。

1 工程概況

依托工程隧道總長為1 622 m，其埋深最大處為134 m。隧道洞口處邊坡植被稀少、風化嚴重，因人類活動影響，其坡度約為60°。在天然狀態下，隧道洞口邊坡尚能保持穩定，但是由于邊坡自身土層力學性質較差，且地表存在多條可見裂縫，故其一旦受到隧道施工的擾動，極易產生較大變形。分析該邊坡情況可知，隧道施工可能造成其內部產生張拉或剪切破壞，從而導致滑坡災害的發生。

隧道洞身周圍主要為坡積土和風化巖，圍巖等級多為Ⅳ、Ⅴ級，其內部裂隙發育，地下水發育。在未有干擾的情況下，圍巖在重力作用下處于穩定狀態，但是隧道開挖施工會使其內力發生重分布，當其內力超過土體能承受的強度時，圍巖會產生較大的塑性變形。考慮到該隧道圍巖松散破碎、難以形成穩定拱結構的特點，可認為隧道存在極大的局部塌陷風險，需要采取一定的支護措施。

2 數值模型及參數

為研究隧道開挖過程中，圍巖和邊坡的變形規律，本文采用FLAC 3D軟件，基于工程實際情況進行一定簡化，建立三維數值模型及相應監測點如圖1所示。

模型底部設置全約束，四周設置法向約束，坡表無約束。模型采用Mohr-Coulomb本構，用1單元模擬隧道開挖過程。根據工程設計，洞口段采用超前大管棚和超前小導管進行支護，洞身段采用錨桿混凝土進行支護。其中管棚采用pile單元模擬，小導管采用beam單元模擬，錨桿采用cable單元模擬，混凝土采用實體單元模擬。隧道圍巖及支護參數如表1所示。

3 隧道施工優化

隧道開挖常見的方法主要有三臺階法、環形預留核心土法以及交叉中隔墻（CRD）開挖法。三臺階法將隧道分為上下兩個工作面，而后按一定順序進行開挖。環形預留核心土法常用于圍巖較為軟弱的區域，先保留核心部分土體，進行上拱面開挖和支護，后再進行其他部分開挖。該方法對圍巖擾動相對較小，可以極大地提高隧道開挖的安全性，但也存在開挖步距過小等問題。CRD法常用于洞徑較大、圍巖較為軟弱的隧道，將其分成了左右兩部分開挖，每開挖步進尺相對較少，而中隔墻的存在大大加強了支護效果。

各方法具體開挖和支護流程示意圖如圖2所示。

3.1 隧道圍巖變形對比

采用三臺階法進行隧道開挖施工模擬時，隧道圍巖在拱頂處產生較大的豎向位移，表現為沉降變形，最大值約為36 mm。拱底表現為向上隆起，究其原因是該開挖法形成的斷面較大，從而導致偏應力增加，使圍巖產生了一定的膨脹。拱腳和拱腰處表現為較大的水平變形，最大值約為12 mm，水平變形發生在初支之前，究其原因是隧道圍巖力學性質較差，且隧道開挖擾動較大，使其初始應力平衡狀態發生了變化，從而產生變形破壞。因此在隧道開挖施工前，應當采取一定措施，進行預加固。

采用環形預留核心土法進行隧道開挖，因核心土開挖順序略靠后，可提供一定的臨時支撐作用，減少了對圍巖的擾動，故而可在初支前對圍巖變形起到一定的控制作用。模擬此方法進行開挖施工所得拱頂最大沉降變形較小于三臺階開挖法，約為27.5 mm。因應力的擠壓作用，隧道拱底表現為向上隆起。拱腳和拱腰處的水平變形約8.5 mm。

采用CRD工法進行隧道開挖時，其最大沉降變形發生于拱頂左側，靠近中隔墻位置處，其值約為22 mm，拱底表現為向上隆起，其變形值小于前兩種方法。拱腰處水平變形最大，其值為7 mm。相較于三臺階法與環形預留核心土法，采用CRD法進行隧道開挖施工時，圍巖變形最小，究其原因是中隔墻的存在減少了工作面的進尺空間以及開挖對非鄰近區域圍巖的擾動。此外，仰拱的存在也很好地控制了圍巖變形。

三種工法下隧道拱頂的沉降變形如圖3所示。由圖3可知，三種工法施工時，隧道拱頂沉降變形規律基本一致，在初始開挖時，因隧道圍巖的應力狀態發生改變，出現應力集中現象，故拱頂沉降值急劇增大。而隨著開挖進深的不斷增加，隧道支護的逐漸完善，開挖區逐漸遠離監測斷面，拱頂沉降變形速率逐漸減小，其值也逐漸趨于平穩。對比三種工法下拱頂沉降值可知，采用CRD法開挖時，隧道拱頂沉降值最小，圍巖相對穩定。

三種工法下隧道拱腰處的水平變形如下頁圖4所示。由圖4可知，三種工法施工時，隧道拱腰水平變形規律基本一致，在初始開挖時，拱腰水平變形隨著開挖進深的增大而增大；而后隨著隧道開挖斷面遠離監測斷面及圍巖支護的完善，拱腰水平變形速率逐漸減小，其值也逐漸趨于平穩。對比三種工法下拱腰水平變形值可知，采用CRD法開挖時，隧道拱腰水平變形最小，圍巖相對穩定。故綜合考慮隧道圍巖豎向及水平變形，CRD法開挖對隧道圍巖的影響最小。

3.2 隧道洞口區邊坡穩定性分析

采用三臺階法進行隧道開挖時，洞口區邊坡土體存在向下滑移的趨勢，最大沉降位移值約為83 mm。邊坡自坡腳到坡肩形成了貫通且連續的滑動面，且在坡腳處出現了最大剪應變率，說明隧道開挖對洞口區邊坡坡腳產生了較大的擾動。使用強度折減法計算得到隧道開挖后邊坡的安全系數為0.93，為不穩定狀態。由上可知，三臺階法開挖隧道對洞口區邊坡有較大的擾動，可能造成滑坡等災害的發生，故需要采取一定的措施對邊坡進行支護和加固。

采用環形預留核心土法進行隧道開挖時，洞口區邊坡土體存在向下滑移的趨勢，最大沉降位移值約為80 mm。邊坡最大剪應變率出現于坡腳處，逐漸向上延伸至坡肩處，其滑動面尚未貫通，但存在分段滑移的趨勢。使用強度折減法計算得到隧道開挖后邊坡的安全系數為1.06，其穩定狀態好于三臺階法開挖，但仍存在潛在滑動趨勢。故采取該方法施工時，需要對邊坡變形進行監測，同時減少開挖擾動，加強邊坡支護，避免滑動面貫通，形成滑坡。

采用CRD法進行隧道開挖時，洞口區邊坡土體存在向下滑移的趨勢，最大沉降位移值約60 mm。邊坡最大剪應變率出現于邊坡中部偏上位置，自坡腳至坡肩存在分段滑移趨勢，一旦受到擾動，即可形成連續貫通的滑動面。使用強度折減法計算得到隧道開挖后邊坡的安全系數為1.14，其穩定狀態較前兩種工法更好，但為避免人為擾動及其他外部因素的影響，還是應當采取一定的措施加固支護邊坡，避免其產生滑動破壞。

由上可知，采用CRD工法進行隧道開挖時，對隧道洞口區邊坡穩定性的影響最小，故該工法最為適宜。

4 現場監測對比

根據數值分析結果實際工程采用CRD法進行施工，采用初支和二襯相結合的支護方式，對現場隧道斷面相同位置處進行監測，得到其拱頂沉降和水平變形結果如圖5所示。由圖5（a）可知，現場監測結果與數值模擬所得拱頂沉降變化規律基本一致，可隨著隧道開挖進深的增加，將拱頂沉降變形分為急劇上升期和逐漸平穩期。在急劇上升期時，隧道拱頂沉降變形量可達總變形量的50%，后增長率逐漸降低，最終到達平穩狀態。由圖5（b）可知，現場監測結果與數值模擬所得水平變形變化規律基本一致，隨著隧道開挖進深的增加，先急劇增大，后逐漸趨于穩定。現場實測值略大于數值模擬結果，主要是因為數值模擬存在一定的簡化，考慮到的影響因素相對較少。對比圖5（a）、圖5（b）兩圖可知，隧道拱頂沉降值遠大于水平變形值，故應當對拱頂圍巖變形進行監測，并加強支護，以控制其變形。

設計采用12排9列鉆孔孔徑為16 mm的6根鋼絞線錨索對坡面進行加固，設計其張拉力為700 kN，其余參數見表1。采用CRD法進行隧道開挖施工模擬，可得錨索加固后邊坡最大沉降位移值約33 mm，相較于不加固時，降低了27 mm。使用強度折減法計算得到此時邊坡的安全系數為1.3 穩定性較好。

對現場邊坡相同位置處進行監測，得到其監測點1和監測點2沉降變形對比結果如圖6所示。由圖6可知，現場監測所得邊坡各監測點沉降變形規律與數值模擬結果基本一致，在初始開挖時，沉降值急劇增大，后沉降增加率逐漸降低，其值逐漸趨于穩定。故可知，隧道開挖初始時對邊坡穩定性的影響較大，應當對洞口邊坡變形進行監測，并采取一定措施進行支護。而現場監測最終結果值略大于數值模擬，究其原因是工程實際情況較數值模擬更為復雜，影響因素多。監測點1距離隧道較近，監測點2距離隧道較遠，對比監測點1和監測點2的沉降值可知，監測點1最終沉降值遠大于監測點 由此可見，邊坡距離隧道較近的區域受開挖施工的影響更大。

由圖6可知，隧道洞口區圍巖及邊坡變形的現場監測結果與數值模擬結果基本一致，故可認為數值模擬結果具有一定的可信度，可為類似工程提供借鑒。

5 結語

為研究隧道開挖工法對高陡邊坡下隧道洞口區穩定性的影響，本文依托某實際隧道工程，采用FLAC 3D軟件建立相應的高陡邊坡隧道洞口區三維模型，模擬了三臺階法、環形預留核心土法和CRD法開挖施工對隧道洞口區圍巖及邊坡變形的影響，并對工程現場進行監測，得到如下結論：

（1）利用數值模擬分析三種工法開挖隧道圍巖和邊坡變形可知，采用CRD法開挖時，隧道洞口區隧道圍巖變形和高陡邊坡沉降值最小，安全系數最大，未形成連續的滑動面；而采用三臺階法開挖時，隧道圍巖變形最大，邊坡出現貫通的滑動面，處于失穩狀態；環形預留核心土法開挖時，隧道圍巖變形相對較小，邊坡也未形成連續的滑動面，但其安全系數接近 極易產生滑移現象。故CRD法為最適宜的隧道開挖方法。

（2）對比數值模擬與現場監測結果可知，兩者所得隧道圍巖和邊坡變形變化規律基本一致，故可認為采用數值法模擬隧道施工，優化施工方法是可行的，可對其他類似工程提供借鑒。

（3）隧道開挖會造成圍巖應力重分布，對邊坡產生一定的擾動，從而降低邊坡穩定性，導致滑坡等災害的發生。采用CRD法進行隧道開挖施工，結合錨索對邊坡進行預加固可有效提高邊坡的安全系數，增強其整體穩定性。

參考文獻

［1］張京伍，張海洋，李明東，等.基于上限理論的孔隙水壓力作用下隧道洞口段含裂縫仰坡穩定性分析［J］.應用數學和力學，202 42（12）：1 287-1 295.

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收稿日期：2023-10-21

作者簡介：潘 峰（1984—），主要從事公路橋隧等工程施工工作。