软岩条件下隧道进洞口仰坡开挖的变形分析

袁千城, 朱爱军, , 赵欢乐，涂芳瑞，陈权川

(1.贵州大学 土木工程学院， 贵州 贵阳 550025；2.贵阳市建筑勘察设计有限公司， 贵州 贵阳 550081)

0 引言

随着西部大开发的快速推进，为满足社会经济的发展需求，高速公路、高速铁路在 21世纪迅速发展起来。为了达到缩短距离以节省时间的目的，以西南地区为代表的全国大部分地区修建了大量隧道工程。随着隧道工程数量的增多，一系列工程问题频繁出现，开挖隧道进出口段时常常出现仰坡变形及破坏，类似工程问题对施工人员的人身安全造成了威胁，影响施工进度且超出项目预算，处理不好的话，对后期的运营维护、参与方新项目的投标等也造成一定的影响。

在工程问题频发的背景下，很多学者对隧道进洞口边（仰）坡展开了研究并取得了一些进展，邹启新、邓家林[1]用有限元研究分析了南水北调邙山区隧洞进口边坡稳定性，结果表明，主应力差增大是促使滑动的本质原因。朱合华、李新星等[2]针对麻池河1号连拱隧道开挖下边仰坡的稳定性变化进行数值分析，给出了该工程边仰坡的加固措施意见。郑彦奎[3]利用工程地质分析方法分析了洞口边坡稳定性影响因素，就坡角对边坡稳定性的影响做出了评价。卢欢[4]归纳出洞口段边坡破坏模式有崩塌、倾倒、局部塌陷、堆塌、楔形及坡面破坏6类，并对钻钱门隧道仰坡稳定性进行了数值研究。王根[5]结合具体工程研究了降雨条件下边仰坡的稳定性。曾佑江[6]推导出土质和岩土混合边坡在隧道支护与否情况下的稳定性系数公式，结合宝兰客运线四处典型隧道洞口边仰坡进行了对比分析。软岩条件下隧道进洞口仰坡开挖的变形少有研究，本文依托贵州地区苟江隧道工程，利用FLAC3D建立模型，对软岩条件下隧道进洞口仰坡开挖（支护与不支护情况下）的变形及其规律进行分析，以求为类似条件下隧道、仰坡的设计及施工提供参考。

1 数值模拟

本次模拟采用有限差分软件 FLAC3D，该软件具有强大的网格生成功能及计算能力，采用显式的有限差分格式求解场的控制微分方程，结合混合单元离散模型，特别适用于分析渐进破坏失稳以及大变形，在模拟施工过程方面有其独特的优势。

1.1 模型建立

模型以贵州地区苟江隧道工程为依托，以平面施工图中的坡体高程和地质剖面图中的地层分界线数据为基础，建立三维模型，如图1所示。综合考虑数值模拟的尺寸效应及隧道开挖的影响范围，本次数值计算模型尺寸最终确定为：长×宽×高=258 m×160 m×（100～180）m。

在进行隧道开挖之前，要先对山体进行挖方（见图2），挖至隧道进洞高程，洞口形成仰坡。

图1 三维模型

图2 仰坡挖方

由于模型尺寸大、规整程度差，为了方便计算，故采用尺寸从1 m～5 m以六面体为主的渐变混合网格，在隧道周围进行局部加密（见图3），单元总数为400 167个，节点总数为271 061个。模型的左右边界约束其水平向位移，下边界约束竖直向位移，地表为自由边界。岩体选用摩尔—库伦弹塑性本构模型进行参数赋值。

图3 网格划分

1.2 参数的选取

计算采用的材料参数优先从依托工程隧道地质勘察资料中获取，对于未给出的参数，通过收集翻阅其他地勘报告、《工程岩体分级标准》[7]、《工程地质手册》[8]、《岩土工程新技术实用全书(第 3卷)》[9]、《岩石力学参数手册》[10]及相关规范、文献综合确定，用于本次模拟的材料经验参数见表1～表3。

1.3 开挖过程模拟及支护结构实现

开挖洞口时，从上至下依次卸荷，分5级开挖形成边（仰）坡。需要支护时，每开挖一级，施做格构梁和打入锚索，最后施加预应力。

表1 岩体材料参数

表2 边（仰）坡支护锚索的材料参数

表3 格构梁支护材料参数

模拟中涉及到的支护结构有预应力锚索、格构梁（见图4），所有支护结构采用弹性本构模型。预应力锚索通过外部建模软件批量建立导出 dxf文件，再导入模拟软件中，利用软件中的Cable单元模拟，segments命令进行单元分割。锚索分为自由段和锚固段，模拟中预应力施加在自由段，预应力段施加范围由结构单元的CID编号控制。

同样，先外部建立格构梁，然后再导入，并赋予材料参数。用Beam单元来模拟，通过控制单元的最大长度（maximum-length）对格构梁进行分割，对齐锚索的节点，便于结构单元间连接。格构梁基础需要嵌入岩体，根据工程经验嵌入深度取0.5 m。

图4 仰坡支护结构

1.4 监测点设置

设置监测点、线，用于监测仰坡Y向位移随开挖过程的变化，在仰坡坡面分别设置1条纵向监测线Z和1条横向监测线H，在仰坡中线与仰坡边界线交叉处设置坡顶监测点O见图5。

2 仰坡开挖变形分析

2.1 模型整体和切片展示的位移（Y向）分析

无支护情况下：如图6（a）、图6（c）所示，开挖完成后，坡面位移明显，坡面的较大位移区域主要集中在仰坡的第2级与第3级仰坡之间。结合地质条件分析可知，是由于该区域是强风化砂质泥岩和强风化泥质粉砂岩层分界处，无支护的隧道端墙面区域位移也相对较大。如图6（a）所示，以仰坡中线为分界，仰坡的上部较大位移区域右移，由图3可以看出，右侧地势略高于左侧。

图5 坡面监测点、线（俯视图）

支护情况下：如图6（b）、图6（d）所示，开挖完成后，最大位移值约为0.0158 m，与无支护情况时约0.0178 m相比下降了11%左右, 无支护的隧道端墙面成为最弱处，位移明显增大，并且成为位移较大集中区域，而对于仰坡而言，第2级与第3级仰坡之间位移虽然有所减小，但仍为坡面较大位移集中区域。

图6 仰坡Y向位移（单位：m）

综合以上分析可知，开挖完成后，仰坡坡面较大位移集中区域位于第2级与第3级仰坡之间（即强风化砂质泥岩和强风化泥质粉砂岩层分界处），并且不受支护结构的影响；支护结构能在一定程度上抑制坡面位移大小，并且能改变较大位移集中区域，使之位于坡体最弱处，但并不能改变仰坡坡面上部较大位移区域右移趋势，该趋势只受地形影响。

2.2 模型坡顶监测点随开挖变化的位移（Y向）分析

如图7所示，每开挖完一级仰坡后，坡顶位移逐渐趋于稳定，直至下一级仰坡开挖为止，边坡上部开挖时稳定趋势较为明显。支护结构能明显控制仰坡变形，在仰坡下部开挖后最为明显。

图7 坡顶监测点O的Y向位移

2.3 坡面横向和纵向位移随开挖的变化

由于本次研究主要集中在仰坡坡面，所以本次分析不对第1级开挖进行分析。

无支护情况下（坡面横向H监测线）：如图8（a）所示，对于仰坡而言，第5级开挖完成之后，每开挖完一级，以仰坡中线为分界，右侧位移均大于左侧；整个开挖过程中，左侧位移随仰坡逐级开挖增加量比右侧小，在仰坡上部开挖时最为明显。这在一定程度上表明坡体右侧更容易发生变形破坏，由图3可以看出，右侧地势略高于左侧。

支护情况下（坡面横向H监测线）：如图8（b）所示，对于仰坡而言，第2级开挖监测点最大位移约为0.006 m，比无支护情况下第2级开挖监测点最大位移约0.008 m（见图8（a））减小了25%，很明显支护结构抑制了仰坡的变形。第5级开挖完成之后，每开挖完一级，以仰坡中线为分界，右侧位移均大于左侧，随仰坡逐级开挖位移增加量右侧大于左侧，这一规律与无支护情况下一致。

图8 仰坡坡面横向监测线H的Y向位移

无支护情况下（坡面纵向Z监测线）：如图 9（a）所示，对于仰坡而言，较大位移点先是出现在仰坡第4级中部，约为0.005 m，随着开挖的进行，较大位移点逐级下移，并且最终维持在第2级与第3级仰坡之间不再变化。

支护情况下（坡面纵向Z监测线）：如图9（b）所示，对于仰坡而言，支护后同监测线上监测点位移有所下降，第2级开挖监测点最大位移约为0.01 m，比无支护情况下第2级开挖监测点最大位移约0.014 m（见图9（a））减小了29%。随着开挖的进行，较大位移点逐级下移，并且最终维持在第2级与第3级仰坡之间不再变化。

图9 仰坡坡面纵向监测线Z的Y向位移

综合以上分析可知，对于仰坡而言：支护结构抑制了仰坡的变形；无论支护与否，受地形影响，第5级开挖完成之后，每开挖完一级，以仰坡中线为分界，仰坡右侧位移均大于左侧，随仰坡逐级开挖位移增加量右侧大于左侧；较大位移点随开挖逐级下移，并且最终维持在第2级与第3级仰坡之间不再变化，这与2.1节中仰坡坡面较大位移集中区域分析结果相对应。

2.4 模型最大剪应变增量分析

无支护情况下：如图10（a）、图10（c）所示，开挖完成后，最大剪应变增量在第2级与第3级仰坡之间贯通，正好与仰坡坡面较大位移集中区域相对应，最大值也在该区域。

支护情况下：如图10（b）、图10（d）所示，坡面区域有所改观，在仰坡中下部最为明显。

2.5 模型塑性区分布分析

无支护情况下：如图11（a）、图11（c）所示，开挖完成后，坡面表部出现大面积剪切塑性区，在仰坡中下部较为集中，局部出现张拉塑性区。

支护情况下：如图11（b）、图11（d）所示，坡体内剪切塑性区减少。由此可以推断开挖仰坡过程中可能会出现局部滑动现象，开挖后及时支护能降低滑动的可能性。

图10 仰坡最大剪应变增量

图11 仰坡塑性区

3 结论

（1）开挖完成后，仰坡坡面较大Y向位移集中区域位于第2级与第3级仰坡之间（即强风化砂质泥岩和强风化泥质粉砂岩层分界处），并且不受支护结构的影响；支护结构能在一定程度上抑制仰坡变形，在仰坡下部开挖后最为明显，并且能改变较大Y向位移集中区域，使之位于坡体最弱处。

（2）无论支护与否，受地形影响，仰坡坡面上部较大Y向位移区域右移；第5级仰坡开挖完成之后，每开挖完一级，以仰坡中线为分界，仰坡右侧Y向位移均大于左侧，随仰坡逐级开挖Y向位移增加量右侧大于左侧。

（3）每开挖完一级仰坡后，坡顶Y向位移逐渐趋于稳定，直至下一级仰坡开挖为止，仰坡上部开挖时稳定趋势较为明显。

（4）受地形及仰坡岩体分布情况影响，隧道进洞口仰坡开挖时，在右侧第2级与第3级仰坡之间（即强风化砂质泥岩和强风化泥质粉砂岩层分界处），较大Y向位移集中，最大剪应变增量贯通且较大，坡面表部出现大面积剪切塑性区，可能发生局部滑动，对该部位应根据实际情况采取支护措施。