滑坡体对其正交下穿隧道的变形影响

巩 悦， 晏长根*， 于澎涛， 石玉玲， 包 含， 许江波

(1.长安大学公路学院， 西安 710064； 2.郑州市交通规划勘察设计研究院， 郑州 450042； 3.长安大学地测学院， 西安 710064)

目前，长大隧道的数量和所占比例逐年递增，使得隧道修建过程中遇到越来越多的复杂工程地质条件，导致了各种地质灾害的频频出现，其中山体滑坡便是隧道施工中常见的地质灾害之一。在已经发生过滑坡的山体中修建隧道时，滑坡体复活重新移动，造成隧道出现各种病害现象，同时对人们的生命和财产造成极大危害，对施工成本和施工期产生极大影响。

部分学者已经针对这一工程问题展开了研究。许建聪等[1]在考虑降雨作用时，通过三维大变形弹塑性接触有限元数值计算分析碎石土滑坡体的稳定性，同时还分析降雨作用下碎石土古滑坡复活破坏的过程，准确地评价该类型滑坡的稳定性。胡鑫[2]根据三交乡滑坡区的现场勘查，结合岩土体物理力学性质研究，建立了三个剖面边坡数值计算模型，对这三个剖面进行天然状态和地震动荷载工况下的滑坡稳定性进行了分析。 马惠民[3]统计分析了1980年以来滑坡体病害段的隧道变形类型，提出了六种地质结构模型：滑坡蠕动挤压型、斜坡高陡型、牵引滑动型、上软下硬层状型、穿越破碎带。陶志平等[4]建立了滑坡体隧道变形的四种地质力学模型，并提出了相应的工程防止措施。王永刚等[5]以阳坡里隧道工程背景，分析了隧道平行滑坡体滑动方向穿越滑坡体情况下，隧道与滑坡的相互作用受力分析及变形破坏模式。田斌等[6]通过非线性有限元方法，考虑滑坡体自重、地下水及降雨等影响因素，对滑坡体的变形与稳定进行计算研究。郑颖人等[7]通过有限元分析法在公路隧道中的应用，计算了围岩潜在破坏面和不同围岩类别下的隧道安全系数。张靓[8]对滑坡断隧道变形的原因进行了总结分析，发现岩体的流变性会造成山体位移场和应力场重分布，从而引发滑坡再次移动。肖明等[9]提出了地下洞室在爆破开挖作用时，三维弹塑性损伤有限元计算的方法，推导了可计算地下洞室在爆破开挖时产生的围岩松动圈范围的公式。赵金等[10]通过工程实例总结和地质模型的建立，对隧道-洞口滑坡体系的受力特征及隧道变形模式进行了研究。毕忠伟[11]采用Bayes方法推断岩体力学参数，并对截尾分布形式下的可靠度进行了系统研究，为康家湾铅锌金矿巷道围岩可靠性分析提供了力学参数取值科学依据总体来说，现有研究对滑坡段正交下穿隧道研究较少，当隧道建设过程中从滑坡体下穿过时，对隧道与滑坡体之间相不影响的安全距离难以确定。依托国道G577线旱田至特克斯段公路改建工程项目特克斯隧道，对不同开挖距离下的正交下穿隧道和滑坡体的相互作用及变形特征进行了研究，以期为类似工程提供合理建议。

1 工程概况

国道G577线特克斯隧道位于新疆西北部，采用双洞分离式隧道方案，主洞开挖宽度为10.6 m。隧道设计线路ZK96+700～ZK97+130自滑坡体下正交穿过，主滑方向近似垂直于隧道轴向，坡度在30°～45°。滑动面最大埋深10～20 m。滑动面埋深处距隧道洞顶为30～60 m。如图1所示。

滑坡体后缘地表堆积体开裂、错落，开裂宽度大于20 cm,错落达80 cm,呈圆弧形向两侧发展。滑坡体中、后部，有数条近似平行的张性裂缝,最宽达20 cm,可见深度50 cm,无明显错落。滑坡体中部,有断续延伸的弧形裂缝,最大开裂宽度达20 cm,断续延伸达50 m以上，如图2所示。

图1 特克斯隧道左洞进口Fig.1 The left hole entrance of Turks tunnel

图2 滑坡体现场裂缝Fig.2 Cracks in the landslide

2 特克斯隧道与滑坡体监测分析

2.1 滑坡体位移监测

沿隧道设计线路，在隧道正上方滑坡体表面设置。监测点1-1、1-2、1-3布置在滑坡轴线上(正北正南方向)，分布布设在滑坡坡脚、坡面、坡顶处。监测点2-1、2-2、2-3间隔20 m布置在隧道正上方，沿隧道纵向开挖方向(自东向西方向)布设，监测点位于滑坡体中部，如图3所示。

图3 滑坡体监测点布设Fig.3 The monitoring points of the landslide

当隧道开挖到距2-1下方20 m时开始监测，到经过2-3下方20 m后终止。开挖到8 d时，掌子面在2-1正下方；开挖到16 d时，掌子面在2-2正下方；开挖到25 d时，掌子面在2-3正下方。

采用全站仪对监测点进行监测，竖直方向沉降以全站仪中监测的Z方向(竖直方向)位移变化数据显示；而水平方向位移变化以全站仪监测的N方向(正北方向)和E方向(正东方向)表示。

图4 滑坡体位移监测数据Fig.4 The landslide displacement monitoring data

由滑坡滑动方向位移监测数据(图4)可知，竖直方向上，当隧道开挖至监测点下方时，滑坡体坡脚位置没有沉降，滑坡体中部和滑坡体坡顶出现沉降位移，经过20 d位移不再发生变化，最终达到10 mm左右。水平方向上，当隧道开挖至监测点断面下方时，滑坡体坡脚位置没有位移变化；滑坡体中部(监测点1-2)位移变化最大，向南移动(沿滑坡滑动方向)18 mm，向东移动7 mm；滑坡体坡顶位移变化较小，向南移动4 mm。向东移动5 mm。

由隧道轴线方向上位移监测数据(图4)可知，竖直方向上，当隧道开挖到监测点下方时，隧道上方的沉降快速增加，经过10 d左右达到稳定状态，沉降不再增加。监测点2-1沉降为16 mm，监测点2-2沉降为12 mm，监测点2-3沉降为15 mm。水平方向上，当隧道开挖至各监测点下方时，监测点开始发生移动，经过20 d左右位移变化稳定，监测点2-1向南移动7 mm，向东移动8 mm；监测点2-2向南移动9 mm，向东移动9 mm；监测点2-3向南移动6 mm，向东移动6 mm。

2.2 隧道收敛变形监测

特克斯隧道路线设计中，左洞经滑坡体下穿过，右洞未经过滑坡体。因此，选取了左右洞两个相同断面(K97+010和ZK97+010)拱顶下沉和周边收敛的监测数据作为代表断面，对比在相同岩性和相同埋深的条件下滑坡段隧道和正常段隧道的变形。

由图5隧道拱顶下沉监测数据可知，K97+010断面在33 d时拱顶下沉的变化速率小于0.15 mm/d，围岩变化趋于稳定，累计下沉30.48 mm，平均下沉速率0.92 mm/d；ZK97+010断面在44 d时拱顶下沉速率达到0.15 mm/d以下，围岩变化趋于稳定，累计下沉92.6 mm，平均下沉速率2.10 mm/d。

由图6隧道收敛变形监测数据可知，K97+010断面上台阶监测至15 d时，收敛速率为0.32 mm/d，此时下台阶开挖监测中断，累计收敛11.94 mm，平均收敛速率0.80 mm/d；下台阶监测至14 d时，收敛速率为0.15 mm/d，围岩已经趋于稳定，累计收敛12.15 mm，平均收敛速率0.87 mm/d。ZK97+010断面上台阶监测至15 d时，收敛速率为2.92 mm/d，此时下台阶开挖，监测中断，累计收敛达到55.12 mm，平均收敛速率3.67 mm/d；下台阶监测至23 d时，收敛速率为0.10 mm/d，围岩已经趋于稳定，累计收敛38.12 mm，平均收敛速率1.66 mm/d。

2.3 监测结果分析

根据特克斯滑坡体监测数据知，当隧道开挖至监测点断面下方时，监测点开始移动，经过20 d左右位移变化稳定，监测点的水平位移变化和地表沉降都较小；对于滑坡体而言，坡脚位置位移变化很小，滑坡体中部(监测点1-2)位移变化最大，坡顶位移变化较小。整体来看，滑坡体位移变化很小，表明开挖扰动没有造成滑坡体的滑动，隧道开挖对上部滑坡体位移影响很小。

根据特克斯隧道监控量测数据可得，滑坡体段隧道的变形速率，拱顶下沉达到92.6 mm，周边收敛38.12 mm、变形速率达到4.5 mm/d，变形持续时间在40～50 d；对比相同埋深相同岩性条件时滑坡体段隧道和正常段隧道的变形可知，隧道的收敛变形、变形速率和变形持续时间均大于滑坡体外隧道段。

3 滑坡体-隧道数值模拟分析

3.1 滑坡体下穿隧道数值分析模型

3.1.1 模型建立

结合现场地质情况，通过FLAC3D建立模型进行计算，如图7所示。取垂直于隧道轴线为x轴，模型最左端为x轴的起点，隧道轴线方向为y轴，坐标系z轴向上。模型x轴方向长度为160 m，y轴方向长度50 m，坡体最高点位置为160 m。

边界条件设置：模型底部施加x、y、z方向的约束，在模型的左右两侧边界上施加x方向约束，在模型的前后边界上施加y方向的约束，模型的上部边界为自由面。数值模拟计算采用弹塑性本构模型，模型计算参数按照特克斯隧道上部岩土体参数进行设置,如表1所示。

3.1.2 模拟工况设计

隧道正交下穿滑坡体时，有两个因素滑坡-隧道体系的整体稳定性影响很大。一是隧道的开挖位置与滑动带的距离滑坡-隧道体系的稳定性；二是隧道的开挖位置与滑坡体的相对位置关系影响滑坡-隧道体系的稳定性。因此，在进行数值模拟时主要从这两个方面设计模拟工况，如表2所示。同时，以在相同地层关系并且没有滑坡体的情况作为参照组，对比分析隧道受力特征和隧道开挖对斜坡的位移影响。

表1 数值模拟岩土体物理力学参数

图7 滑坡体下穿隧道数值分析模型Fig.7 Numerical analysis model of tunnel under landslide

表2 数值模拟工况设计

3.2 模拟计算结果分析

3.2.1 下穿距离对滑坡-隧道变形体系的变形影响

如图8所示，在相同埋深、相同坡度下，在滑坡体下开挖隧道时滑坡体的位移变化和隧道变形比斜坡下方开挖隧道造成的坡体位移变化和隧道变形大，说明在相同埋深和相同岩性的情况下，滑坡体移动会增大隧道变形。随着隧道开挖距离滑动带的距离变大，滑坡体-隧道体系相互作用影响变小。当隧道顶部距离滑动带3D时，隧道开挖对滑坡—隧道体系影响很小，滑坡体位移变形较小；同时滑坡体与隧道之间的相互作用也较小。

工况5中设计的隧道埋深和地层结构与特克斯滑坡段的地质条件相符合。根据模拟计算结果显示：隧道拱顶累计下沉为4.84 cm，隧道周边累计收敛值为1.02 cm。而滑坡体的竖向位移在隧道正上方处相对较大为0.89 cm，水平位移为0.21 cm。此时，隧道开挖引起滑坡体坡顶处竖向位移达到0.59 cm左右，水平位移为0.28 cm。工况5和工况6与现场监测的对比工况类似，但从结果来看隧道的变形有所差别，这是由于数值模拟采用的物理力学参数不能考虑具体的围岩的完整性和稳定性，所以数值模拟得到的收敛变形与特克斯隧道滑坡段的收敛变形相差较大，但与正常段隧道的收敛变形基本相符。同时需考虑现场滑坡体上裂隙分布，水由裂缝向下渗透，会弱化下部岩土体的力学性能，导致隧道开挖时拱顶下沉和收敛变形量比正常段大。

图8 工况1～6滑坡与隧道的累计位移Fig.8 The cumulative displacement of landslide and tunnel in the first to sixth working condition

3.2.2 开挖位置对滑坡-隧道体系的影响

图9 工况1、7、8滑坡与隧道的累计位移值Fig.9 The cumulative displacement values of landslides and tunnels inworking conditions 1, 7 and 8

如图9所示，对比工况1、工况7和工况8可知，当隧道在滑坡体下方开挖时，开挖位置处于滑坡体中部时对滑坡体造成的位移变化最大，而滑坡体对隧道变形影响也最大。其次，在滑坡体坡脚位置开挖隧道时，滑坡-隧道体系受到的影响较大。而在滑坡体坡顶位置开挖隧道，滑坡体与隧道所受影响最小。数值分析结果与现场监测中，对滑坡体监测点1-1、1-2、1-3的监测结果规律一致。

4 结论

以国道G577线旱田至特克斯段公路特克斯隧道为研究背景，根据现场地质资料进行了多组数值模拟分析，结合现场监测数据，得出以下结论。

(1)滑坡段的隧道收敛变形大于正常段的隧道收敛变形，并且滑坡段的隧道收敛变形到稳定状态的持续时间较长。

(2)隧道顶部与滑动带的距离对隧道的变形影响较大，通过增大隧道与滑坡体的距离可以使隧道避免产生较大的收敛变形或衬砌变形破坏，可把3D看作临界影响深度。

(3)当隧道在滑坡体中部进行开挖时，对滑坡体的影响范围最大，坡脚其次，坡顶影响最小。

(4)对于特克斯隧道而言，滑坡体位移变化很小，滑坡体与其下方隧道产生的相互作用微弱。但是由于水沿着滑坡体上裂缝渗透等原因，滑坡段隧道围岩稳定性较差，隧道的收敛变形更大。因此在隧道工程设计中不仅要考虑满足与滑坡体安全距离的要求，还应根据其较差的围岩选择合适的支护方式。