朱　超

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300251)

1　工程簡介

羅家村隧道是大理—瑞麗鐵路重要控制工程之一，全長534 m，最大埋深54 m，最小埋深18 m。隧道區(qū)屬低山剝蝕、坡殘積緩坡地貌。山體大致走向為南北向，地勢東北高，西南低，起伏較大，地面高程1 540～1 745 m，相對高差200 m。橫向沖溝較發(fā)育，地面橫坡變化較大，10°～45°不等。區(qū)內(nèi)上覆第四系全新統(tǒng)滑坡堆積體(Q4del)粉質(zhì)黏土，沖洪積(Q4al+pl)粉質(zhì)黏土、碎石土，殘坡積(Q4dl+el)粉質(zhì)黏土、碎石土；下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)花開左組一段泥巖夾砂巖及斷層影響帶壓碎巖。

隧道開挖至D2K28+072處，于D2K28+052處發(fā)生塌方，塌方后地表形成裂縫，且迅速明顯增大、增長，順著原有裂縫向大里程方向延伸，裂縫寬度1～12 cm，并形成多條橫向裂縫，長8～30m，寬1～6 cm。隨后洞內(nèi)D2K28+040～+078段初期支護發(fā)生環(huán)向、縱向開裂，噴射混凝土掉塊，收斂變形增大?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)地表裂縫與隧道圍巖裂隙貫通，實質(zhì)已形成山體開裂(見圖1)。

圖1　地表開裂與隧道相對位置示意

隧道山體開裂呈現(xiàn)以下特征：

①縱向、橫向均發(fā)生開裂。

②縱向開裂張開度小，延伸長，傾向變化較大。

③橫向開裂張開度較大，延伸相對較短，傾向與基巖巖層傾向大體一致，順坡傾向橫向溝谷。

④開裂部位巖體節(jié)理較發(fā)育，巖體較破碎。局部裂縫有泥質(zhì)充填，表明其沿巖體節(jié)理面開裂形成。

2　坡體天然狀態(tài)下的穩(wěn)定性分析

在邊坡穩(wěn)定性分析領域，極限平衡法應用較多。

對坡體進行極限平衡分析時，一般采用比較特殊的條分方式，目前常用的條分法有瑞典法、bishop法、Janbu法、傳遞系數(shù)法等。

應用極限平衡原理，選用Slide軟件Bishop法計算分析坡體天然狀態(tài)下的穩(wěn)定性。依據(jù)羅家村隧道工程勘察及隧址區(qū)實測資料，建立二維分析模型，如圖2所示。坡體內(nèi)巖土體物理力學參數(shù)見表1。

表1　巖土體物理力學指標

圖2　穩(wěn)定性分析二維模型

二維數(shù)值計算分析的結果表明，天然狀態(tài)下坡體抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)K=1.27，潛在滑移面穿越擬開挖隧道洞身，坡體自穩(wěn)能力較好。

3　隧道開挖對坡體穩(wěn)定性的影響分析

強度折減技術的原理是利用公式(1)和(2)調(diào)整土體的強度指標c，φ，其中Ft為折減系數(shù)，然后對坡體進行有限元分析，通過不斷地增加折減系數(shù)Ft，反復分析坡體，直至其達到臨界破壞狀態(tài)，此時得到的折減系數(shù)即為安全系數(shù)Fs。

ct=c/Ft

(1)

φt=arctan(tanφ/Ft)

(2)

用強度折減有限元方法分析邊坡的穩(wěn)定性，通常采用解的不收斂作為破壞標準，在用戶指定的收斂準則下算法不能收斂，表示應力分布不能滿足坡體的破壞準則和總體平衡要求，意味著出現(xiàn)破壞。

以羅家村隧道進口段坡體為研究對象，采用有限元強度折減法，選取Midas/GTS軟件建立計算模型，對隧道施工過程中坡體抗滑穩(wěn)定狀態(tài)進行動態(tài)模擬，分析隧道開挖對坡體穩(wěn)定性的影響。根據(jù)地質(zhì)勘測部門提供的地質(zhì)圖，在盡量與原地形相吻合的情況下簡化模型，取得了很好的效果。計算模型網(wǎng)格劃分如圖3～圖6所示。坡體材料特性按均質(zhì)彈塑性考慮，采用莫爾—庫侖屈服準則。

圖4　坡體網(wǎng)格劃分側(cè)視

圖5　隧道網(wǎng)格劃分

圖6　隧道網(wǎng)格劃分側(cè)視圖

在模擬過程中，采用臺階法開挖，先開挖上臺階，計算一定時間步后施做上部初支，后開挖下臺階，釋放一定時間步后初支閉合，上下臺階錯距5 m。圍巖及支護結構物理力學參數(shù)如表2。

表2　巖土體物理力學指標

圖7為隧道開挖過程中坡體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)變化曲線，可見隧道開挖對坡體穩(wěn)定性有較大影響。坡體在天然狀態(tài)下的穩(wěn)定安全系數(shù)為2.825，可見二維狀態(tài)下的計算值偏于保守。在隧道進尺20～45 m段，坡體的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)降低速率最大，坡體的穩(wěn)定性受到隧道開挖的影響最大。此時，坡體由于地層中巖體的碎裂結構及開挖卸荷作用抗滑力降低較大，內(nèi)部變形趨勢在坡面上表現(xiàn)為碎石幾何位置的調(diào)整，在開挖的初始階段，坡面巖體發(fā)生松動變形，局部有順層滑塌趨勢，地表出現(xiàn)小規(guī)模的開裂。隨著開挖進程的深入，坡體下部臨空面積增大，坡體抗滑穩(wěn)定能力持續(xù)降低，滑移失穩(wěn)趨勢增強，坡面巖體變形增大，地表開裂規(guī)模也隨之增大，坡體安全系數(shù)K在隧道開挖至55 m后降低速率減小明顯，最終收斂于1.872。此時，坡體內(nèi)巖體破碎程度降低，整體性較好，隧道開挖對坡體的穩(wěn)定性影響程度逐漸減弱，直至不再產(chǎn)生影響。隧道開挖沒有導致坡體滑動失穩(wěn)破壞，坡體自穩(wěn)能力較好，但整體穩(wěn)定性變化較大，施工中務必采取治理措施，防止坡體的開裂破壞隧道結構。

圖7　安全系數(shù)變化曲線

4　結束語

隨著隧道工程的開挖進尺，其對圍巖的擾動影響十分強烈。地應力在隧道開挖過程中不斷進行調(diào)整、轉(zhuǎn)移和應力集中，并且形成次生應力場，巖體中伴隨產(chǎn)生卸荷裂隙。巖體中裂隙更為發(fā)育，結構面之間相互切割，巖體亦成碎裂塊狀。由于巖體的自身重力及隧道開挖的卸荷作用，山體沉降失穩(wěn)，加上結構面的切割作用，巖體松動破碎，裂隙張開，且多處形成切層連通，巖體之間開裂加劇，結構面完全貫通，最終導致了羅家村隧道山體的開裂。

盡管隧道工程開挖后進行了支護結構的施工，但是支護始終滯后于開挖，隧道一旦開挖，圍巖的彈塑性變形將在短時間內(nèi)完成。即使支護完成之后，仍需一定時間的固結、硬化過程，在此過程中，圍巖繼續(xù)變形。工程的原位巖體是有初始應力的，而支護結構逐漸開始受力，并最終參與地層的新的應力平衡。在此期間，大部分構造應力已經(jīng)釋放，釋放過程勢必引起大范圍的巖體位移，隧道開挖不可避免的引起圍巖移動，最終促使山體的開裂。支護結構強度的不足，還會引起隧道結構的變形甚至破壞。

在隧道施工過程中，務必加強支護，嚴格控制分臺階開挖的步距，可選用超前小導管與剛架支撐體共同組成支護系統(tǒng)，小導管起到超前管棚和注漿管作用，通過注漿形成加固層，提高圍巖的整體性和自穩(wěn)能力，防止掘進中的過大變形和垮塌。

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