浅埋偏压隧道洞口段围岩破坏机理

于群群,刘秀敏,郑 允

(1.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南232001；2.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071)

山岭隧道在施工过程中，由于洞口段地质条件复杂，围岩风化严重，且覆盖层较薄，常发生洞内隧道塌方冒顶、洞外边坡滑坡等灾害，这种现象在浅埋偏压隧道中尤其明显。无论是隧道塌方还是边坡滑坡，其本质都是围岩失稳，因此许多学者从围岩稳定性的角度对隧道塌方和边坡滑坡进行研究。针对层状岩体下隧道围岩的失稳情况：邵远扬[1]提出了四种典型的破坏模式，即顺层滑移、弯曲折断、挤压外鼓和楔形体破坏；王传智[2]以新安岭隧道浅埋偏压段为工程背景，得出围岩级别、岩层倾角、隧道埋深及开挖顺序是影响浅埋偏压隧道围岩稳定性的主要因素；邓之友等[3]、陈红军等[4]、汪成兵等[5]通过模型试验的方法对隧道围岩的渐进破坏机制进行了研究，较好地解释了试验中隧道周边的应力变化情况。隧道的破坏一般从掌子面内的变形开始，因此对隧道净空收敛变化进行分析可预测其稳定性，茹国锋等[6]结合实际工程，通过对隧道变形进行监控测量，采用回归分析方法得出净空收敛符合指数变化规律；岩若明等[7]，郭子红等[8]运用极限分析原理推导出塌落面目标方程的参数表达式，定量分析了不同岩体参数对潜在塌方范围的影响，通过研究破裂面分布形式和范围来预测围岩稳定性。而对于层状岩质边坡的失稳破坏，研究学者通过数值分析和模型试验的方法对其破坏过程、破坏机理及其影响因素进行了分析[9-14]。对于这类灾害，研究学者通常只从隧道或只从边坡的角度分析其破坏行为，而实际上隧道与边坡的破坏是紧密联系、协同作用的。吴红刚等[15]提出的基于“隧道-边坡体系”的分析方法，系统解释了隧道与边坡的变形机理，为实际工程中采取合理防护措施提供了较为准确的理论依据。

本文针对广西河百高速公路班丘隧道进口段滑塌事故，根据现场勘察、隧洞监测结果，运用数值模拟的方法，对浅埋偏压隧道进口段塌方及边坡变形破坏机理展开了深入研究，为塌方段和滑坡区的治理提供理论依据。

1 工程背景

班丘隧道位于东兰县武篆镇班丘水库南侧，为分离式隧道，左线长990 m，最大埋深126.12 m，右线长1 005 m，最大埋深143.46 m，洞口段偏压特征明显。隧址区位于兰木向斜西翼，无大的断裂及全新世活动断裂通过，场地稳定性较好。

隧道进口地形相对平缓，自然坡角20°～24°，边坡上覆粉质黏土夹碎石，厚约5～7.6 m，下伏基岩为强中风化页岩夹薄层泥砂岩，围岩级别为Ⅴ级，岩体较破碎。

出口段边坡基岩裸露，由强中风化石灰岩组成，自然坡度约40°，边坡整体稳定性较好，岩体较破碎，围岩级别为Ⅴ级，存在局部掉块现象。隧道进、出口段第四系覆盖层厚度稍大，受岩体岩性软化及顺坡向岩层产状影响，施工开挖形成临空时易引起斜坡失稳。

洞身围岩主要由中风化石灰岩组成，围岩级别为Ⅳ级，局部稳定性差，开挖后不及时支护可能产生掉块现象。

2017年7月23日，隧道左线掌子面施工至ZK84+284里程时，左侧拱腰局部岩体较破碎，呈块碎状构造，斜岩顺层状结构，施工过程中出现掉块现象，局部偶尔有较大岩石滑落。

图1 滑坡平面图

ZK84+284～ZK84+271段，掌子面上台阶围岩破碎范围逐渐扩大，围岩为强风化页岩、灰岩，裂隙较发育。ZK84+271～ZK84+265段，岩体破碎范围为左侧拱腰至拱顶范围。ZK84+265～ZK84+247段，拱顶120°范围内岩体破碎，局部出现塌方，超挖现象严重。ZK84+247～ZK84+235段，岩体稳定性较好。ZK81+235～ZK84+215段，围岩为第四系碎石土、粉质黏土，岩体破碎，埋深较浅，隧道内渗水严重。各里程位置见图1。

2017年9月20日因长时间降雨，班丘隧道附近乡道裂缝扩大，局部出现塌方，见图2。2017年9月21日，班丘隧道左线进口段发生塌方，见图3，同时，隧道上方边坡产生滑坡。滑坡体横向宽度约为80 m，纵向长度约为100 m，水平面投影面积约为7 200 m2，见图1。滑裂面后缘高程约为500 m，滑裂面前缘高程约为439 m(左洞路基高程)，滑体高差约为61 m，滑动最大距离约为4 m。滑体的地层岩性主要为三叠系下统页岩夹薄层状泥砂岩。滑体下伏地层岩性为二叠系上统石灰岩。岩层产状为58°∠20°～30°。结构面发育两组：355°∠71°，5～6条/m； 210°∠75°，2～3条/m。经赤平投影分析无不利于边坡稳定的裂隙组合，边坡稳定性较差。滑坡区自然地形的倾向为58°，坡度角约为20°～27°。

图2 乡道塌方 图3 进口段塌方

2 围岩失稳机制研究

2.1 监测数据分析

2017年8月31日，由于隧道上方乡道局部出现裂缝，施工方对隧道洞内变形和乡道沉降进行监测，本文主要选取隧道进口段典型断面在9月5日至9月20日的隧道左线监控测量数据进行分析。ZK84+243断面的拱顶沉降、净空收敛曲线分别如图4、图5所示。

图4 拱顶沉降曲线 图5 净空收敛曲线

由图4可知：该断面拱顶沉降初始变化较慢，中期增长较快，后期增长速率不稳定且有逐渐增大的趋势，拱顶沉降不收敛，塌方前拱顶累计沉降量达到75.27 mm。由图5可知：初始时收敛速率较慢，经过一段时间后，收敛速率增大，坍塌前净空收敛最大值为8.78 mm。拱顶累计沉降量和净空收敛累计值都不收敛，说明隧道洞内变形有持续增长的趋势，隧道有塌方的可能性。

2.2 数值模拟研究

为研究班丘隧道破坏机理，采用FLAC3D对浅埋偏压段ZK84+243剖面进行数值模拟，模型长243 m，宽1 m，共计122 023个四面体单元，模型底面固定，四面采用法向约束，铅垂方向顶面为自由面。模型地质岩性分为两层，第一层为中风化页岩夹薄层状泥砂岩，左线隧道处于其中；第二层为中风化石灰岩，右线隧道处于其中。当考虑结构面时，第一层采用遍布节理模型，当不考虑结构面时，第一层采用摩尔库伦模型，第二层始终采用摩尔库伦模型。本次计算按照隧道左、右线同时开挖的方式进行，计算模型如图6所示。

图6 计算模型

岩体计算参数包括岩体参数和结构面参数。岩体物理力学参数取值根据岩石力学试验结果，结合结构面类型、物质成分、风化状况等工程地质调查研究，对岩体参数综合取值。计算考虑了降雨和结构面对破坏的影响，共进行三种工况的分析，各工况及岩体参数取值如表1所示。

表1 各工况及岩体参数取值

本文主要通过围岩塑性区分布和位移场分布对岩体破坏形式进行分析。

(1)围岩塑性区分布特征

隧道开挖引起围岩应力重分布，当围岩应力超过其屈服极限时，围岩发生塑性变形，形成较大的塑性分布区。当塑性变形继续发展超过围岩的变形极限时，围岩发生破坏。塑性区不能直接代表围岩破坏的区域，但能够直观、综合的反映围岩的稳定状态[16]。不同工况下围岩塑性区分布如图7所示。

图7 塑性区分布

由图7可知：对于工况1，塑性区主要分布在左线隧道浅埋侧拱肩处，为节理的剪切和拉伸屈服，呈带状沿左侧拱肩向地表的近垂直发展；工况2塑性区小范围分布在左线浅埋侧拱肩，为岩体的剪切屈服；工况1和工况2条件下，均未形成塑性贯通区，围岩稳定性较好，隧道不易发生破坏；工况3围岩塑性区分布状态发生改变，表现为左线隧道深埋侧拱脚处出现节理的剪切屈服带，浅埋侧拱肩塑性区形状发生改变，在隧道拱顶和浅埋侧拱肩之间形成拱形拉伸屈服带，即为拱形塌方的轮廓线，拱形屈服带上方分布有贯穿地表的以剪切屈服为主的带状塑性区，此时塑性区贯通，围岩可能发生破坏。

(2)围岩位移场分布特征

围岩位移分布特征如图8所示。

图8 位移分布

由图8可知：隧道开挖导致围岩有向临空面移动的趋势；对于工况1和工况2，左、右两侧隧道均有拱顶沉降和仰拱隆起的趋势，且隧道上方的位移有向浅埋侧拱肩偏移的趋势，但是由于隧道开挖的空间效应，围岩压力并没有完全释放，因此岩体变形不明显；工况3的位移明显增大，主要发生在左线隧道拱顶与浅埋侧拱肩之间，且其变形量与实际监测结果基本吻合。

3 隧道塌方与滑坡破坏机理分析

层状围岩变形破坏具有其特殊性，通常以楔形体崩塌、滑动和因层面张裂、折断、岩层弯曲而向洞内滑移或塌落为特征，而顺层的结构面对其破坏特征起着主导作用[17]。一般将顺层岩质边坡的破坏类型分为滑移-拉裂破坏、滑移-溃曲破坏、滑移-压致拉裂破坏、滑移-剪切破坏[18]。根据上述数值模拟结果，结合隧址区地质条件分析隧道塌方和边坡滑坡的破坏机理。

3.1 偏压影响

对于班丘隧道，天然状态下岩体基本稳定，开挖后围岩应力重分布，由地形引起的偏压作用使隧道深埋侧围岩压力大于浅埋侧，导致左线隧道深埋侧拱脚处出现剪切屈服，围岩易在此处发生破坏。

3.2 结构面影响

对比工况2、工况3塑性区分布图可知：在考虑结构面时塑性区才出现贯通，说明结构面是引起隧道塌方和边坡滑坡的重要因素。

隧道进口段主要岩石类型为中风化页岩夹泥砂岩，岩体中含有由风化矿物组成的充填结构面，由于充填矿物性质不良，导致岩体强度较低，为隧道塌方提供了物质基础。而左侧拱肩和拱顶之间区域距离坡面最近，隧道上方岩层较薄，相对深埋侧更易发生弯曲折断，尤其在与层面基本平行的洞壁部位表现更为明显，因此在临近坡面范围产生了贯穿地表的带状塑性区。开挖使得层状岩体在隧道临空面附近被切割成大小不一的可移动块体，当岩体受到外力扰动时，可移动块体的受力特征发生改变，当可移动块体的下滑力大于结构面的抗剪力时，这些块体沿结构面发生剪切滑移，使得隧道内出现掉块现象，掉块沿拱形拉伸屈服带发展，形成拱形塌方的形态，而拱形塌方的发生扩大了松弛的范围，坍塌沿上部贯穿地表的带状塑性区继续向坡顶扩展，隧道整体塌方。

隧道开挖形成临空面，使得隧道上方岩体在自重作用下沿结构面向临空面发生滑动，同时产生与滑移面垂直的张拉裂隙，随着岩体的不断滑移，在地表形成张拉裂缝，此时坡体强度大大降低。由于隧道在进口段出现长达50 m的局部塌方，边坡遭到破坏，坡体继续加速沿软弱面滑动形成贯通滑移面，边坡滑坡发生。

3.3 降雨影响

由工况1、工况3可知：在考虑结构面影响时，降雨条件下隧道塑性区贯通，岩体有可能破坏，说明降雨是影响隧道围岩破坏的重要因素。

连续降雨使水分通过地裂缝迅速渗透到岩土体中，而隧道进口段岩体本身较破碎，为地表水入渗和运移提供通道，水分通过渗流作用将岩体中细粒物质带走，岩体的完整性受到破坏，围岩承载能力降低，隧道塌方。同时，水对软弱结构面的润滑和软化作用，降低了结构面的摩擦系数和黏聚力，泥化作用使结构面由固态向塑态转化，使其抗剪强度降低，抗滑力减小，滑坡发生，同时降雨对坡体的加载作用加速了滑坡的发生。

4 现场处理建议

针对隧道塌方和边坡滑坡，提出以下治理建议：

(1)左线隧道塌方后，采用洞渣回填法对塌方体进行反压，C25喷射混凝土对塌方体进行封闭，厚度不小于10 cm，坡比不小于1∶1；塌方体打设渗水孔，采用长度不小于5 m的Φ50钢花管@2 m×2 m梅花形布置；右线掌子面封闭，暂停施工；隧道进口地表裂缝用彩条布进行遮盖。

(2)滑坡发生后，对自隧道拱顶开挖线下10 m开始至地表的整个滑坡体进行注浆，采用Φ50钢花管，内置Φ28钢筋，只在注浆加固区按15 cm间距交错设置孔径为8 mm的注浆孔，水泥浆的水灰比为0.8；左、右线明洞加长，套拱位置由K84+215适当向大里程方向调整；对ZK84+215～ZK84+275段采用Φ50超前小导管配合超前大管棚对洞身范围塌方体进行超前加固处理；ZK84+215～ZK84+270左右洞之间设置抗滑桩；清除滑移塌陷乡道右侧滑动坡体并对边坡进行防护处理，乡道向右侧移至滑动坡体挖除后的坡脚位置，左侧设置抗滑桩。

5 结论

本文以班丘隧道为例，分析了顺倾岩质边坡下浅埋偏压隧道洞口段破坏机理，得出以下结论：

(1)对于顺层边坡下的浅埋偏压隧道，开挖后其塑性区主要分布在深埋侧拱脚和浅埋侧拱肩，且浅埋侧拉伸屈服塑性区具有在拱肩与拱顶之间呈拱形分布的特点。

(2)隧道塌方和边坡失稳是多种因素耦合作用的结果：地形偏压导致围岩受力不均，岩体结构中软弱结构面的存在为岩体失稳提供了物质基础，降雨通过弱化岩体强度影响破坏的发生。

(3)洞口失稳形式为：首先由于重力作用在浅埋侧拱肩至拱顶之间形成拱形坍塌形态，在弯折内鼓作用下破裂范围贯通地表，形成隧道整体塌方，导致边坡坡体受到破坏，边坡表面中风化页岩夹泥砂岩在坡体受到破坏的情况下发生顺层面的近平面滑移。