开挖隧道套拱底部诱发的边坡稳定性分析

伍明文,郑明新,胡国平,郭杰森,黄 钢,杨继凯

(1.华东交通大学土木建筑学院,南昌 330013； 2.江西省岩土工程基础设施安全与控制重点实验室, 南昌 330013)

随着我国高速公路的快速修建，线路穿越地形越来越复杂，隧道修建数量越来越多。所以公路隧道穿越地层的复杂程度加剧，对应的建设环境也日趋严峻。在施工套拱时连续开挖扰动侧向偏压坡体，特别是当隧址位于侧向边坡潜在滑移面时，开挖卸荷削弱了侧向边坡原有的有效抗滑力，很容易诱发滑坡；同时开挖套拱底部卸荷引起围岩及土体应力重分布导致原有坡面出现损伤裂缝，严重影响隧道施工进度及施工人员生命财产安全。

目前诸多学者就隧道开挖引起的边坡失稳开展研究，对于隧道套拱开挖引起上方边坡失稳的作用机理及防护研究的很少。李永明[1]针对公路偏压隧道围岩力学机理的分析，提出相应的措施。吴红刚[2]阐述了隧道与滑坡空间位置关系是决定隧道-滑坡体系相互作用模式的主要因素。陈思阳[3]以边坡稳定性计算为核心，对隧道边坡采用强度折减法来计算坡体的稳定性。赵威[4]对山区高速公路隧道洞口的边坡进行建模，通过分析隧道洞口边坡最大剪切应变、位移，得出影响隧道洞口边坡稳定的潜在区域并提出了防护性措施。肖尧[5]分析了地下水的变化对坡体稳定性的影响，同时提出了及时排出地下水能提高坡体的稳定性。孙涛[6]介绍了柔性面层边坡支护体系的组成，工作原理及施工工艺，实施了锚喷支护体系与柔性面层支护体系的现场试验对比。梁思龙[7]在边坡支护工程采用预应力锚索、锚杆与边坡混凝土格构梁形成整体，利用锚索、锚杆与岩层的抗摩擦力来抵抗山体边坡产生的不良位移进行研究。何文春[8]以某隧道进口高边坡开挖后及支护后的稳定性进行分析。王月[9]应用极限平衡法对黄土边坡稳定性进行分析。以往研究大都集中于隧道开挖对上方坡体稳定性的影响，然而偏压隧道套拱开挖对其上方坡体的稳定性影响研究较少。隧道套拱施工开挖对土体扰动的随机性使得潜在滑移面不易确定，这与一般边坡的稳定性问题既有相同点，又有自身的特点。针对在隧道套拱开挖过程中，由于坡体偏压、地下水的影响及坡体支护不当而引起的边坡滑移进行分析，并在此基础上提出相应的边坡治理措施。

1 隧道工程概况与坡体变形分析

1.1 某大跨度隧道工程概述

该隧道工程位于福建漳州。隧道右洞全长985 m，隧道按上下行分离双向六车道设计，最大埋深为105 m，隧道主洞净宽为15.27 m，净高为10.27 m。

依据地质调查报告，施工区域进口右洞主要岩性自上而下有：坡积含碎石黏土，全风化凝灰熔岩，砂土状强风化凝灰熔岩，碎块状强风化凝灰熔岩及中风化凝灰熔岩。

线路区域属于新构造活动性软弱的断块差异隆起区，隧道分布于第四系更新统残坡积层与侏罗系强风化-中风化凝灰熔岩岩层内；在套拱处坡体有明显的地下水渗出，同时坡体表层土含水率较大。左侧地下水高度为13 m，右侧为20 m。

1.2 套拱开挖坡体变形分析概述

隧道位于整个边坡的下方，没有考虑隧道套拱开挖对套拱处边坡的影响，隧道套拱在开挖时，由于右洞上部土体偏压、地下水未及时排出，使得局部边坡产生滑移，套拱处上方坡体出现了裂纹，如图1所示。

图1 边坡坍塌、裂缝及坡体横断面(单位：m)

初期施工单位把套拱处的土体开挖至4 m深时，套拱处侧坡已经发生明显鼓出并且表面有少量水渗出。之后进行第二次开挖至设计套拱高程处时，套拱处上方侧坡出现局部坍塌现象，在侧坡上部纵深3～7 m处出现多条裂纹，裂纹最宽达6 cm，最长裂纹达6.8 m。同时在坡体上部多处出现小流量的地下水冒出形成地表径流。

2 加固方法比选数值分析

数值分析软件采用Midas-GTS(SRM)[10-12]，该软件在分析边坡稳定性时是基于有限元强度折减原理进行分析的，它考虑了岩土体的非线性本构关系，其计算结果不仅能以云图的形式直观反映失稳边坡滑动面的位置，还可以反映滑动面的形成、发展、贯通情况；并且还能得到边坡岩土体加固处理后结构的内力和变形。

对套拱处坡体采用有限元强度折减理论进行分析，该理论最早是由Zienkiewicz提出的，他提出在有限元中采用降低岩土体强度的方法来计算岩土工程的安全系数。具体表示如下:将土体的抗剪强度指标C和φ，用一个折减系数Fs进行折减，然后用折减后的抗剪强度指标CF和φF，取代原来的抗剪强度指标C和φ[13-15]。

2.1 边坡计算模型的建立及物理参数的选取

(1)计算模型的建立

隧道围岩、边坡土体采用M-C屈服准则，土体单元采用4节点、局部3节点二维平面单元模拟。模型计算范围竖向(Y向)右侧取25 m，左侧取16 m，隧道走向为X向取48 m。整个模型在底部为全部约束，地表及边坡面定义为自由边界，左右两侧均设为水平约束，如图2所示。

图2 套拱土体未开挖、开挖后未支护及支护边坡模型

加固措施分3种：

①在边坡表面施作厚度为20 cm的C20现浇混凝土框架。

②在锚杆加固区采用注浆加固。

③上部边坡表面每隔1.5 m沿重力方向打入5根长为8 m、锚固长度为4 m的锚杆，侧坡垂直坡面打入5根与上部边坡同类型的锚杆，如图3所示。

工法主要考虑开挖未支护与开挖支护进行对比分析(同时两种工法均考虑边坡渗水与不渗水的情况，依据勘探资料可知，左侧水头为13 m，右侧水头为20 m。)。

图3 套拱侧边坡支护结构示意(单位：cm)

(2)物理参数的选取

边坡土体及支护材料指标的选取，根据室内取土实验所得数据、设计院的地质勘测资料以及边坡支护设计资料可知土体及支护结构材料的物理力学参数，见表1。

表1 模型中地层与结构物理力学参数

2.2 套拱处边坡支护工法方案

方案中设计了6种工法进行坡体支护后的稳定性分析，6种工法可为含地下水和排除地下水两类。每类可细分为如下3种：(1)开挖不支护；(2)开挖加局部坡体注浆及坡面混凝土支护；(3)开挖加局部坡体注浆、坡面混凝土支护及施作锚杆。

2.3 工法计算结果分析

(1)不同工法下的边坡安全系数分析

经数值分析可知，在对套拱处土体进行开挖后，边坡在支护与未支护条件下稳定性安全系数如表2所示。

表2 边坡稳定性安全系数值

图4 套拱土体开挖工法-边坡安全系数曲线

由表2与图4可知，工法1与工法4边坡稳定性安全系数均未达到规范中对一级边坡稳定性安全系数1.3的要求，因此，不宜采用直接开挖无支护施工，工法2、3、5、6均可达到边坡安全稳定的要求。当地下水未及时排除时，工法3相对工法2与工法1更稳定，并且工法3边坡安全系数较工法2提高34.28%。若能及时排出地下水就可排除地下水渗流的影响，相同支护工法下工法5比工法2稳定性提升22.92%，工法6与工法3对比稳定性提高41.49%，可以体现渗流对边坡稳定性的影响极大，在排出地下水后再进行坡体的支护能更好地提升坡体的支护效果。

(2)不同工法下的侧坡总位移分析

不同支护工法下隧道套拱处侧坡总位移如图5所示。从表2可知，工法1的稳定安全系数为1.043，边坡整体处于暂时稳定状态，同时在该工法下局部坡体位移不收敛，造成部分坡体失稳。工法2是在工法1基础上改进后得到的支护工法，在开挖完套拱处土体后对坡面施作混凝土支护及局部坡体注浆，边坡稳定性系数从1.043提高到1.375，大于1.3，侧坡最大总位移为7.1 mm，如图5(b)所示。对于工法3而言，考虑后期隧道爆破开挖施工会扰动坡体，不利于坡体的长期稳定，为提高坡体自身稳定，需在坡体注浆区域打入锚杆加强支护，这时侧坡面最大总位移为2.79 mm，坡脚总位移为2.33 mm，如图5(c)所示，稳定系数从1.375上升到1.846，相比最低稳定性系数提高42.06%，可以说坡面已大体稳定，满足后期隧道的开挖。

当排除地下水时在不同支护工法下侧坡总位移见图5(d)～图5(f)所示。主要边坡加固方式跟图5(a)～图5(c)相类似，区别在于是否考虑边坡渗流。通过分析可知图5(d)～图5(f)侧坡最大总位移分别为28.2、0.993 mm与0.340 mm。因此在同种支护工法下，排除地下水后支护坡体的稳定性优于未排除地下水的支护坡体的稳定性。

图5 不同工法下侧坡总位移

从图5、图6可知，套拱处侧坡5个测点总位移值最小为工法6，最大为工法1。说明排除坡体中的地下水同时做好坡面混凝土支护、局部坡体施作锚杆及注浆支护能够极大提高坡体自身的稳定性(从图5(a)可知，工法1侧坡各点位移值均大于其他工法，侧坡面已失稳，所以未在图6中描绘)。

图6 套拱土体开挖工法-侧坡监测点总位移曲线

(3)不同工法下边坡有效塑性应变分析

通过塑性区的分布位置、贯通情况及有效塑性应变值的大小，可以选出最适宜的坡体支护工法，从而提高边坡的稳定性，为边坡的治理与加固提供条件。

绘制不同工法下坡体有效塑性应变区域分布，见图7。鉴于坡脚处为整个坡体最薄弱的部位，所以仅对该位置的有效塑性应变值进行分析。从工法1～工法6，边坡坡脚处最大有效塑性应变值从48.4降为0.109，如图8所示，工法1有效塑性应变值均大于其他工法，所以未在图中描绘出来。在考虑地下水时，工法1较工法2可知，如果仅对坡体开挖不支护，这时边坡会发生局部失稳。若对开挖边坡用混凝土支护+局部坡体注浆支护后，坡脚处有效塑性应变值从48.4变为0.476，支护后边坡已基本稳定下来。工法2较工法3可知，若考虑后期隧道开挖对坡体的影响，需对注浆区域土体再进行锚杆加固。加固后坡脚有效塑性应变从0.476降为0.116，这时坡体变得更加稳定，能有效地降低后期隧道施工对坡体的扰动。在排除地下水时，对比工法4、工法5与工法6可知，坡脚有效塑性应变从0.275降为0.109，所以支护工法6相比其他5种工法而言，更适宜坡体的支护。

综上所述可知，要使坡体支护效果得到较大的提升，需及时排除地下水，对开挖后坡面施作混凝土支护，局部坡体进行注浆与锚杆支护，方可提高坡体的稳定性。

图7 不同工法下边坡有效塑性应变

图8 套拱土体开挖工法-坡脚处最大有效塑性应变值曲线

2.4 套拱开挖后边坡位移监测分析

(1)边坡监测点布置

在套拱处边坡产生局部破坏后，我们把监测点布置在侧坡以及坡体上部，沿隧道轴线纵向布置，侧坡每间隔3 m布置1个监测点，坡体上部每间隔4 m布置1个监测点，测点布置见图9，以监测坡体后期变形发展以及施作支护后的稳定性变化情况。

图9 套拱处边坡测点布置示意

(2)边坡变形监测分析

套拱处侧坡及上方局部坡体各监测点沉降曲线如图10、图11所示(坡体支护施工于监测第10日开始，第11日施工完成，支护工法选择工法6进行施作)。监测前10 d坡体未做任何支护施工，同时通过5个监测点在X与Y方向的变形值可以看出，坡体变形依旧在持续发展。由图10可知，测点1、测点2在X方向的位移比侧坡上的测点3、测点4、测点5小。通过图11可知：测点5在Y方向发生较大的隆起，这是由于上方坡体下滑挤压作用而导致坡脚处土体产生隆起。10 d后施工单位对坡体进行加强支护与地下水的排除作业，施工作业完成后各监测点位移变化逐渐趋于稳定，这也将更有利于今后坡体的稳定，为将来隧道的开挖打下坚实基础。

图10 套拱开挖后上部坡体各监测点水平方向位移时程曲线(正值表示向右移动，负值表示向左移动)

图11 套拱开挖后上部坡体各监测点竖直方向位移时程曲线(正值表示向上移动，负值表示向下移动)

3 结论

(1)隧道套拱的开挖而致使上方局部坡体滑移失稳的原因如下：上覆土体偏压产生的侧压力、富含于土中的地下水未及时排除及坡体支护不到位所导致。通过数值法中的强度折减分析可知，及时排除地下水同时对坡体做出适当的支护，能极大提高坡体的稳定性，更有利于隧道后期的施工的顺利进行。

(2)坡体在未排除地下水与排除地下水时，采用同种支护工法对比发现前者稳定性比后者差，更不利于套拱处边坡的稳定；6种支护方案对比发现，坡面混凝土支护、坡体注浆及锚杆支护相比其他工法更有利于边坡的稳定。

(3)对于隧道套拱开挖导致上方局部坡体滑移进行了初次探讨，通过数值法与现场监测数据相结合，分析了套拱上方边坡失稳变形特征及相应处理措施，对隧道套拱的施工及上方坡体支护可提供一定的参考。