内外组合施工扰动下隧道洞口边坡稳定性分析

宋开忠，侯哲生，刘媛媛

(烟台大学 土木工程学院, 山东 烟台 264000)

在山区修建隧道工程时，经常会遇到在隧道洞口处大面积开挖或修建涵洞、路基等其它建筑设施的情况。结果，不可避免地会对隧道洞口处的边坡围岩造成扰动，并容易引起滑坡等地质灾害，这是山区隧道建设过程中不容忽视的工程地质问题[1-2]。在整个隧道施工过程中，洞口段的施工一直以来又是一个难点、重点。尤其是在复杂地质地形条件下，再加上内外组合施工对土体的扰动，隧道洞口施工会变得更加的困难。虽然不少学者[3-7]已经对隧道洞口的边坡稳定性做了很多研究与讨论，但对在内外组合施工扰动下隧道洞口边坡稳定性研究还比较少。因此本文在这些研究的基础上，以清家沟隧道作为依托，通过MIDAS/GTS NX有限元分析软件真实模拟其地形地质条件和动态施工过程，得到了隧道洞口段围岩变形特征以及扰动影响的范围，为今后相似工程项目提供一定的参考建议。

1 工程概况

1.1 隧道概况

邢汾高速公路所辖路段全长87.193 km，东部起点与邢临高速、京港澳高速公路连接，终点位于冀晋省界。清家沟隧道是邢汾高速公路项目的重点控制性工程之一，位于清家沟村东侧的山体斜坡上，地形起伏变化大，地质条件复杂。该隧道为左右双向六车道分离式隧道，左线长850 m，起讫桩号ZK68+010—ZK68+860，设计纵坡2.4%；右线长885 m，起讫桩号YK68+005—YK68+890，设计纵坡2.0%。隧道内建筑界限净宽14 m，限制高度5 m，最大埋深138 m。

1.2 工程地质概况

1.3 隧道洞口坍塌具体情况

隧道右线出口段连接高填方路堤，下面铺设钢筋混凝土涵洞。隧道出口的开挖和修建涵洞基础的施工过程中，在出口位置开挖边坡以形成一个临空面，从而改变了原始的平衡状态，再加上施工过程中对土体造成的扰动，加剧了边坡的失稳，导致隧道出口的边坡产生缓慢的滑移并出现裂缝。滑塌裂缝位置大概在YK68+860处，距离出口明暗交界线约为15 m，距离掘进的掌子面约为14 m。滑坡体的水平裂缝宽度约为20 cm～35 cm，局部垂直滑移距离50 cm，坡底局部隆起量约为25 cm，涵洞基础出现大约3 cm～5 cm的后移现象，裂缝的延伸长度约为50 m，现场整体概况和具体情况如图1—图4所示。

图1 现场整体塌陷图

图2 局部水平裂缝宽度约为20 cm

图3 局部垂直滑移距离约为50 cm

图4 坡体底部局部隆起量约为20 cm～30 cm

1.4 隧道施工设计

隧道施工采用分部开挖法开挖，开挖之后应该及时进行初期支护的施工，必要时采取加固措施。隧道的主要支护结构是以喷射混凝土、钢筋网、钢拱架、中空注浆锚杆等组成的初期支护和二次衬砌组成的复合式衬砌。其中初期支护包括Φ25 mm中空注浆锚杆(间距100 cm×50 cm)，Φ8 mm钢筋网(间距20 cm×20 cm)，I22b钢拱架(纵向间距50 cm)，钢架采用HRB335钢筋连接，喷射28 cm厚C25早强混凝土；二次衬砌为60 cm～100 cm厚的C25钢筋混凝土。本工程中分部开挖法的具体施工工序为：Ⅰ：上半段面拱部开挖；Ⅱ：上半断面拱部初期支护(挂钢筋网，安装锚杆，喷混凝土)；Ⅲ：上半断面两侧开挖；Ⅳ：上半断面两侧初期支护；Ⅴ：下半断面左侧开挖；Ⅵ：下半断面左侧初期支护；Ⅶ：下半断面右侧开挖；Ⅷ：下半断面右侧初期支护；Ⅸ：全断面模筑二次衬砌钢筋混凝土，每次开挖以3 m一个进尺，具体衬砌设计及开挖方法如图5所示。

图5 隧道衬砌设计及开挖工序断面图

2 隧道建模

2.1 建立模型

为了能够真实模拟其地形地质条件，本次建模采用MIDAS/GTS NX有限元分析软件中特有的地形数据生成器。通过清家沟隧道右线出口段真实地形图建立了原始地形地貌。由圣维南原理[8]和有限元离散误差可知，隧道开挖对周围围岩的应力和应变影响一般不超过3倍～5倍洞跨外的范围，因此本模型的边界范围取为100 m×222 m×124 m。模型边界条件采用自动约束条件，上表面为自由边界，与坐标轴Y轴互相垂直的两平面采用Y方向约束，与坐标轴X轴互相垂直的两平面为X方向约束，与坐标轴Z轴垂直的底面为完全约束[9-10]。具体三维模型如图6所示。

图6 有限元计算模型图

2.2 计算参数

岩土体材料模型采用Mohr-Coulomb[11-12]本构模型，通过3D实体单元模拟，初期支护和二衬采用弹性本构模型，使用2D板单元模拟，锚杆采用1D植入式桁架模拟，数值计算方法用Newton-Simpson方法进行迭代计算。根据《公路隧道设计规范》[13](JTG D70/2—2014)和《公路隧道设计细则》[14](JTG/T D70—2010)，再结合工程地质勘察报告来选取模型参数，具体参数如表1所示。

表1 计算参数

3 数值计算与结果

在此次建模分析中，依次模拟了清家沟隧道右线出口洞口段边坡在自然状态下、外部施工(坡脚开挖)、内部施工(隧道开挖)以及内外组合施工(坡脚开挖+隧道开挖)四种工况下的稳定性。为了进行比较分析，计算了四种工况的稳定性系数。根据得出的不同工况下边坡稳定性系数、边坡剪应变以及洞口周边围岩的变形情况，分析了剪切应变的变化特征和围岩变形范围。

3.1 不同工况下边坡稳定性系数计算

采用MIDAS/GTS NX软件中内置的强度折减系数法(SRM)[15-16]来分析四种工况的边坡稳定性，得到其安全稳定性系数(见表2)和土体剪应变增量。

表2 边坡稳定性系数

由表2可以看出在自然状态下，清家沟隧道洞口边坡处于稳定状态。其中外部施工(坡脚开挖)比内部施工(隧道开挖)对边坡的稳定性影响更大，那是因为坡脚开挖在坡脚处形成临空面，洞口段岩体又破碎，完整性较差，更容易在坡脚处形成应力集中现象。当进行内外组合施工(坡脚开挖+隧道开挖同时进行)，此时对边坡的扰动影响变为最大，并加剧了边坡产生滑坡失稳，产生较大裂缝，这也符合现场实际情况。

3.2 不同工况下边坡剪应变对比分析

通过数值模拟计算，可以得到不同工况下边坡剪应变图，如图7所示。从图中可以看出，四种工况下边坡的剪应变都形成一个圆弧状的曲面，而且都集中于从边坡坡脚开挖处一直延伸至边坡坡顶这样一个范围。从剪应变数值上分析，在边坡坡顶处最小，在坡脚开挖处达到最大。其次可以看出在自然状态下和坡脚开挖时，最大剪应变范围集中在坡脚，这也验证了在坡脚处容易形成应力集中现象。随着隧道开挖和坡脚+隧道开挖，最大剪应变范围也从坡脚向坡顶延伸，并在坡脚开挖+隧道开挖时贯通。基于强度折减有限元法中边坡失稳判据：当出现潜在滑移面贯通，就可以判定该边坡失稳。因此可以判断在坡脚开挖+隧道开挖时边坡已经失稳，这也说明了内外组合施工对隧道洞口边坡的扰动最大。基于以上特征，可以判定边坡所形成的圆弧面就是边坡失稳时所产生的滑动曲面。这和现场实际情况边坡破坏所产生的裂缝曲线相差不大，也验证了在迈达斯有限元软件中，采用强度折减系数法来计算边坡稳定性也是正确的。

图7 各种工况下剪应变图

3.3 开挖完成后围岩变形分析

根据以上分析，知道内外组合施工扰动下对隧道洞口边坡的稳定性影响最大。为了比较直观的了解内外组合施工对边坡扰动的影响，所以本次模拟了隧道开挖过程中对洞口边坡的影响范围。选取了开挖掌子面距离隧道洞口10 m、19 m、28 m、37 m处的洞口表面和坡脚整体位移情况，如图8—图11所示。

图8 隧道开挖距离洞口37 m位移图

图9 隧道开挖距离洞口28 m位移图

从图8—图11可知：刚开始隧道向前掘进，由于处于岩质较好的岩层，距离洞口较远，隧道开挖对洞口上方边坡的影响很小。当开挖至洞口距离为37 m、28 m、19 m、10 m时，隧道洞口正上方5 m的位置分别发生了15.90 cm、18.3 cm、22.74 cm、33.23 cm的滑移，坡脚涵洞基础处分别发生了26.62 cm、27.65 cm、28.63 cm、28.99 cm的隆起；每向前开挖9 m，洞口处分别增加了2.40 cm、4.44 cm、10.49 cm，坡脚处分别增加了1.03 cm、0.99 cm、0.35 cm。由此可得：随着隧道开挖掌子面距离洞口越来越近，对隧道洞口处的位移影响范围越来越大，并且沿洞口周边向四周逐渐减小，对坡脚涵洞基础位置的位移影响速率也在逐渐减小。

图10 隧道开挖距离洞口19 m位移图

图11 隧道开挖距离洞口10 m位移图

4 结 论

本文通过对清家沟隧道洞口边坡进行三维动态数值模拟，并进行其不同工况下边坡稳定性系数的计算，再对比了不同工况下边坡剪应变，最后分析了内外组合施工扰动下隧道洞口围岩的变形情况，得出以下结论：

(1) 采用强度折减系数法(SRM)对清家沟隧道不同工况下边坡稳定性计算表明：在自然状态下，边坡稳定性系数为1.24，边坡处于稳定状态。分别进行坡脚开挖和隧道开挖对边坡的稳定性都产生了影响，但是边坡的稳定性系数都大于1，边坡还处于稳定状态。当在进行坡脚和隧道同时开挖时，其洞口边坡稳定性系数为0.97，边坡已经发生了破坏，说明内外组合施工对隧道洞口处的扰动最大。

(2) 经过MIDAS/GTS NX三维动态数值模拟，并结合边坡的剪应变增量变化情况分析，得到隧道边坡剪应变呈圆弧状分布，沿边坡滑移面从坡顶向下依次增大，并在坡脚处达到最大值。最大剪应变从边坡坡脚一直延伸至边坡坡顶，并在内外组合施工扰动下形成贯通区。

(3) 清家沟隧道边坡在隧道开挖过程中最不稳定部分为隧道洞口处，并且沿洞口附近向四周逐渐减小。因此，为保证隧道洞口在施工过程中的顺利进行，需要在施工时时刻监测隧道洞口处的围岩变形，尤其是洞口正上方的滑坡和坡脚处的拱起，并针对这种情况采取必要的加固处理措施。