達曉偉　邵珠山　高懷鵬　許　鵬　王新宇　宋　林③

(①西安建筑科技大學　西安　710055)(②中交第一公路工程局有限公司　北京　100024)(③中國中鐵一局集團有限公司　西安　710054)

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鄂北地區(qū)隧道洞口坡積土邊、仰坡變形機制與進洞技術研究*

達曉偉①邵珠山①高懷鵬②許鵬②王新宇①宋林①③

(①西安建筑科技大學西安710055)(②中交第一公路工程局有限公司北京100024)(③中國中鐵一局集團有限公司西安710054)

坡積土隧道洞口邊、仰坡在開挖后自穩(wěn)能力差，且受隧道開挖影響，易發(fā)生破壞，導致隧道工程無法正常施工，并帶來經濟損失、危害施工人員安全。本文以香山隧道為工程背景，依據(jù)隧址地形地質，建立了隧道洞口邊、仰坡的三維仿真模型，結合隧道進洞開挖，分析了洞口邊、仰坡的位移和應力變化過程，研究了隧道開挖對邊、仰坡的影響，優(yōu)化了隧道進洞方案。研究結果表明，邊、仰坡開挖坡度與原始坡度突變處會產生應力集中并形成貫通的潛在滑移面，隧道開挖對仰坡變形影響較大，坡形坡度對隧道洞口邊、仰坡穩(wěn)定性具有顯著影響，放緩坡度和采用分步臺階開挖可有效改善邊坡應力應變狀態(tài)。

隧道邊、仰坡坡積土進洞技術

0　引　言

近些年來，隨著我國高速公路網(wǎng)全面建設，出現(xiàn)了大量隧道工程。在高速公路選線時，由于諸多因素的影響，導致很多隧道在進出口段的工程地質條件較差，邊坡高陡、淺埋段厚度薄、偏壓嚴重等不良因素較為常見，加之所采用的隧道進洞施工方案不合理，導致隧道洞口邊仰坡滑移破壞在隧道施工中頻頻出現(xiàn)，這一點在坡積土隧道洞口段尤為明顯，因此保證隧道安全進洞便顯得尤為重要。

目前，對于邊坡開挖引起的巖土體變形機制、失穩(wěn)模式和穩(wěn)定性的研究已經較為深入，殷坤龍等(2014)采用有限元分析庫水軟化作用下，龔家坊2#斜坡巖石的強度折減參數(shù)及變形破壞規(guī)律； 張社榮等(2014)探討層狀巖質邊坡在不同巖層傾角θ、邊坡坡角β、結構面間距h條件下的安全系數(shù)與破壞面位置的變化規(guī)律，揭示復雜多層軟弱夾層邊坡巖體的破壞機制及穩(wěn)定性特征； 黃潤秋等(2007)通過數(shù)值模擬對湯屯高速公路順層邊坡變形破壞機制進行深入探討； 鄭穎人等(2003)采用有限元強度折減法對巖質邊坡破壞機制進行了數(shù)值模擬分析，得出破壞“自然地”發(fā)生在巖體抗剪強度不能承受其受到的剪切應力的地帶； 盧海峰等(2010)在對邊坡巖體進行工程地質特性試驗研究，并分析該類邊坡開挖對其穩(wěn)定性的影響，并對潛在滑動面軟弱夾層的剪切流變過程進行分析； 劉才華等(2005)探討了地下水對順層邊坡穩(wěn)定性的影響機制； 曹平等(2011)探究強度折減法和極限平衡法所得結果產生差異的原因，并研究多層邊坡的破壞機制。

在隧道洞口段邊、仰坡的變形模式和穩(wěn)定性研究方面，也得到一些成果。潘龍等(2011)針對連拱隧道洞口淺埋偏壓段特殊的地形情況，探討圍巖在地應力和邊坡滑動共同影響下的應力分布情況； 王國欣等(2006)從地質因素、水的作用及人為因素3方面分析了滑坡產生的機制，然后結合對邊坡的監(jiān)控量測，分析滑坡產生的過程并針對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了動態(tài)反饋； 王建秀等(2009)結合兩座典型滑坡連拱隧道的現(xiàn)場監(jiān)控量測工作，討論了滑坡連拱隧道的破壞規(guī)律和特征； 鄭建中(2007)建立了隧道邊坡變形破壞機理的概念模型，并模擬研究了開挖后坡體變形特征； 向安田等(2008)研究了偏壓連拱隧道強風化仰坡因施工而引起的失穩(wěn)機制。這些研究主要針對于隧道進洞后隧道開挖與上方坡體滑移的互相影響。而對于隧道洞口處邊、仰坡的穩(wěn)定性及其破壞模式的研究還比較少，吳紅剛等(2011)提出了基于“隧道-邊坡體系”概念的變形機理分析方法，通過對開挖支護后隧道圍巖和邊坡的應力場、位移場及塑性區(qū)特征的分析，得出了隧道洞身開挖對上部邊坡的影響規(guī)律，但并未討論隧道開挖與洞口邊坡的互相影響； 陳思陽等(2014)采用強度折減法，研究了不同開挖工藝下，大斷面黃土偏壓隧道對穿越邊坡的穩(wěn)定性影響，但并未考慮隧道洞口開挖對洞口處邊、仰坡的影響。

因此，本文結合具體工程，針對坡積土高邊坡淺埋偏壓隧道洞口處邊、仰坡的位移、應力、應變狀態(tài)和變化過程進行研究分析，總結其滑移破壞模式，并對隧道開挖對邊、仰坡穩(wěn)定性的影響進行了研究，通過研究提出優(yōu)化后隧道洞口施工方案，并在后續(xù)施工中取得了良好的效果。

1　工程概況

香山隧道位于湖北省襄陽市?？悼h，為麻竹高速公路的一座小凈距偏壓短隧道，全長388m，最大埋深約47.1m。隧址區(qū)屬構造剝蝕低中山區(qū)，地形起伏較大，植被較發(fā)育。隧道進口斜坡較陡，約40°～50°。

隧址區(qū)區(qū)域上位于新華夏系第三隆起帶與淮陽山字型西翼反射弧東段的復合部位，淮陽山字型西翼反射弧北西向至近東西向的褶皺帶、斷裂帶斜貫全區(qū)，北部為青峰斷裂帶，南為荊當盆地，西為牛頭山倒轉復式向斜，東部為南漳斷凹。新華夏系的北北東向構造帶、北北西向構造帶的斷裂和槽地帶符合于山字型構造帶之上，構造較為復雜。

隧址區(qū)附近無明顯的斷裂構造跡象，出露基巖為志留系龍馬溪組頁巖(S11)，進口處巖層產狀13°∠40°，出口處巖層產狀210°∠85°?；谝陨瞎こ痰刭|特點，香山隧道工程有如下特點和問題：

1.1地質條件差

香山隧道清邊、仰坡開挖揭露的地質情況較差：地表坡積土覆蓋層較厚，土體力學性能差，開挖后自穩(wěn)能力弱，且下伏基巖主要為全強風化頁巖地層，鉆孔揭露30m深位置仍為強風化頁巖：灰色，泥質結構，頁理構造，裂隙較發(fā)育，巖心破碎，多呈碎屑，采取率為80%～85%。隧道地質條件復雜多變，不良地質種類繁多，不穩(wěn)定斜坡和滑坡體、巖堆、崩塌等地質災害廣泛分布于主線區(qū)域內。

1.2進洞技術要求高

香山隧道進口段為小凈距，左右幅中夾厚度為8.76m，左右幅開挖時互相影響明顯。隧道軸線與山體斜交，洞口段偏壓嚴重。在右幅進口段仰坡處存在一較大天然埡口，導致隧道洞口段埋深較淺，仰坡土體自穩(wěn)能力差，在進行邊、仰坡開挖時，易出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象，加上施工時下處于雨季，邊仰坡易出現(xiàn)大面積滑塌，給進洞施工帶來了極大的難度。

因此，較差的地質條件和高邊坡潛埋偏壓的洞口地形特點導致香山隧道進洞困難較大。香山隧道山體與隧道位置圖(圖1)。

圖1　隧道位置Fig. 1　The tunnel location

2　有限元模型及分析方案

2.1有限元模型

本文根據(jù)《麻竹高速宜城至?？刀卧O計施工圖》，主要針對隧道洞口邊、仰坡和隧道洞口段，分別對原設計進洞方案和優(yōu)化后的隧道進洞方案采用Midas GTS三維有限元軟件進行分析。有限元模型如圖2 所示。

圖2　有限元模型Fig. 2　Finite element modelsa.原設計； b.優(yōu)化后設計

計算模型在X方向(縱向)，前后邊界距隧道洞口均大于5倍隧道開挖寬度，并在前后邊界施加X方向的水平位移約束。在Y方向(橫向)，左右邊界距隧道邊界均大于5倍隧道開挖寬度，并在兩邊施加Y方向的水平位移約束。在Z方向(豎向)，上邊界取至地表面，為自由邊界，下邊界取至大于5倍隧道洞高處，并施加固定約束。

模型按照不同材料類別分別劃分單元，并考慮邊、仰坡由表至里風化程度的變化劃分為3層土體。邊、仰坡土體和圍巖采用4節(jié)點四面體實體單元，邊、仰坡噴護和隧道襯砌采用殼單元。計算采用摩爾-庫侖屈服條件的彈塑性模型，初始荷載為巖土體的自重荷載。

為簡化模型，減少計算過程中的工作量，并同時能夠反映施工過程中的問題，隧道錨桿和邊、仰坡錨桿折算入噴護混凝土和襯砌的強度，并根據(jù)《麻竹高速宜城至?？刀蜗闵剿淼赖刭|勘查說明書》，圍巖及混凝土材料的參數(shù)如表1所示。

表1　模型材料參數(shù)表Table 1　Model material parameters

材料名稱彈性模量E/MPa泊松比μ密度ρ/kN·m-3黏聚力c/kPa內摩擦角φ/(°)碎石土3000.4192020Ⅴ類圍巖9000.35255047Ⅳ類圍巖14000.322610050噴射混凝土280000.2025200055

表2　工況-施工進度表Table 2　Comparison of load case and construction progress

工況Lcase1Lcase2Lcase12Lcase14Lcase15Lcase32Lcase33Lcase34Lcase35Lcase52Lcase53施工進度原設計計算自重開挖第六層邊、仰坡開挖第一層邊、仰坡右洞挖進2m右洞襯砌支護2m右洞挖進20m右洞襯砌支護20m優(yōu)化后設計計算自重開挖第六層邊、仰坡開挖第一層邊、仰坡右洞挖進2m右洞襯砌支護2m右洞挖進20m右洞襯砌支20m右洞挖進22m右洞襯砌支護22m右洞挖進40m右洞襯砌支護40m左洞挖進2m左洞襯砌支護2m左洞挖進20m左洞襯砌支護20m

2.2有限元模型分析方案

香山隧道采用臺階法開挖工藝施工，每個開挖步進尺為2m。具體施工工序如表2所示。其中邊、仰坡開挖由上至下分別為第六至第一級。

由于右洞相對左洞而要，邊、仰坡更為高陡，偏壓更為嚴重，邊、仰坡的危險性更高，因此在計算分析時，我們只考慮右洞邊、仰坡的穩(wěn)定情況。

計算分析中，邊、仰坡各方向位移監(jiān)測點的選取如圖3 所示。

圖3　監(jiān)測點選取Fig. 3　Monitor points location

右洞原設計開挖方案如圖4a所示，為暗挖法，在隧道軸線上依原始山體開挖邊、仰坡形成成洞面，邊仰坡坡度為1︰0.5，開挖土方量較小。缺點在于邊坡與原始山體坡度變化較大，邊坡處易產生應力集中，發(fā)生破壞，同時仰坡上部存在一較大天然埡口，導致仰坡處易產生滑移破壞。

圖4　右洞邊坡開挖示意圖Fig. 4　Diagram of right tunnel slope excavationa.原設計方案； b.優(yōu)化后方案

調整后的香山隧道優(yōu)化進洞方案如圖4b所示。具體方案為：(1)明挖明作，原設計右洞洞口仰坡處有一沖溝，對仰坡位移影響較大，因此采用明挖明作法施工，即把右幅位于沖溝至洞口的淺埋偏壓段采取明挖。(2)左右洞邊分層開挖防護，根據(jù)定位好的邊仰坡開口線，從上而下分層進行邊仰開挖及防護。香山隧道邊仰坡最高處為60m，邊仰坡分臺階進行開挖防護，每臺階高度為8m，坡度為1︰0.75，因此最高處為7級半臺階。優(yōu)化后方案一方面將成洞面向山體內延伸，埡口段采用明挖回填，避免了仰坡處的滑移破壞； 另一方面放緩邊坡坡度，并采用分層臺階法開挖噴護，能夠有效限制邊坡處的滑移趨勢。

3　數(shù)值結果分析

3.1有限元模型合理性驗證

圖5為優(yōu)化后設計右洞各斷面拱頂累計沉降值曲線圖，沉降最大值在距洞口20m處，計算沉降為17.78mm，實際沉降為24.13mm。由于模型計算并沒有考慮爆破震動和施工對隧道穩(wěn)定性的影響，因此計算值要略小于實際值。

圖5　優(yōu)化后設計右洞拱頂各斷面累計沉降Fig. 5　Right tunnel vault’s accumulated subsidence with different distance to tunnel entrance of optimized project

圖6為設計優(yōu)化后右洞距洞口2m處隧道斷面沉降變化曲線。由于未考慮爆破震動和施工對隧道穩(wěn)定性的影響，實際沉降值大于計算沉降值。

圖6　優(yōu)化后設計右洞洞口斷面沉降Fig. 6　Right tunnel vault’s subsidence with different load case at tunnel entrance of optimized project

3.2原設計數(shù)值結果

各位移曲線橫坐標所代表的在邊、仰坡上的位置如圖3 所示，以下不再贅述。

3.2.1右洞洞口邊坡位移特征

圖7和圖8 分別為不同工況下右洞邊坡Y方向(橫向)位移和Z方向(豎向)位移。由圖6 和圖7 可知：右洞邊坡最大Y向位移發(fā)生在坡體前緣距原點40m處，約為32.9mm。Y向位移沿前緣向后緣逐漸減小，沿坡頂至坡腳逐漸減小。且第1、2和3級邊坡開挖時位移增幅較大。右洞邊坡最大Z向位移位于坡體前緣距原點30m處，約為12.5mm。Z向位移沿前緣向后緣逐漸減小，沿坡頂至坡腳逐漸減小。且第1、2級邊、仰坡開挖時位移增幅較大。

3.2.2右洞洞口仰坡位移特征

圖9和圖10 分別為不同工況下右洞仰坡X方向位移和Z方向位移。由圖8 和圖9 可知：右洞仰坡最大X向位移位于坡體前緣距原點8m處，約為12.7mm。X向位移沿前緣向后緣逐漸減小，沿坡頂至坡腳變化不大，說明邊坡滑移土體深度較大，將整個仰坡包含在內。位移受隧道開挖影響較大，位移最大點的隧道開挖后位移占總位移的57.1%。右洞仰坡最大Z向位移位于坡體前緣距原點12m處(即距前緣3m處)，約為10.9mm。Z向位移沿前緣向后緣逐漸減小，沿坡頂至坡腳變化不大。位移受隧道開挖影響極大，位移最大點的隧道開挖后位移占總位移的94.2%。右洞仰坡Z向位移主要受隧道開挖的控制，坡體最前緣由于埋深最淺，影響最大。隨著隧道埋深增大，位移受隧道開挖影響逐漸減小。

3.2.3右洞洞口邊坡力學特征

圖11和圖12 為右洞邊坡最大、最小主應力圖，主應力的分布主要受自重的影響，隨著埋深而增加，而在邊坡坡腳處出現(xiàn)了應力集中，且主要為壓應力，最大值達1.21MP。尤其在隧道成洞面附近邊坡的應力集中較為明顯，已發(fā)展至坡體中部。圖13 為右洞邊坡最大剪應變圖，可知邊坡中部剪應變最大，數(shù)值為1.18E-2，且該區(qū)域向坡體內部延伸，從邊坡中部至上部坡體已經形成貫通的區(qū)域，剪應變值均較大，存在潛在滑移面如圖12 所示?？梢?，該邊坡已經處于不穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡可能在潛在滑動面發(fā)生剪切破壞?，F(xiàn)場施工也如所分析的一樣，邊坡在開挖后發(fā)生滑移破壞，如圖17 所示。

3.2.4右洞洞口仰坡力學特征

圖14和圖15 為右洞仰坡最大、最小主應力圖，在仰坡坡腳出現(xiàn)應力集中，表現(xiàn)為壓應力，數(shù)值為1.01MP，圖15 為右洞仰坡最大剪應變圖，在仰坡中部剪應變最大，數(shù)值為5.51E-3，且向坡體內部延伸至坡體上部形成貫通面，存在潛在滑動面如圖16 所示。然而這是在隧道未開挖時的狀態(tài)，當隧道開挖后，坡體下部臨空，導致坡體應力增大，剪應變突變，潛在滑移面可能發(fā)生滑動侵入隧道斷面，而現(xiàn)場施工中正如所分析一樣，仰坡在隧道開挖后產生滑動導致隧道襯砌受力開裂，如圖18 所示。

3.2.5隧道洞口邊、仰坡穩(wěn)定性評價

對于隧道右洞邊坡，Y向(橫向)和Z向(豎向)位移為控制位移。兩個方向位移較大且都發(fā)生在距邊坡原點30～40m處。Y向和Z向位移都是邊坡前緣最大，向后緣逐漸減小，與典型的牽引式滑移模式相吻合，即邊坡前緣土體率先發(fā)生滑動并帶動邊坡后緣土體一起滑動。邊坡力學特征分析也證明了這一點，邊坡前緣剪應變值最大，同時向坡體內部延伸，坡體前緣可能率先發(fā)生破壞并帶動坡體內部土體沿潛在滑移面發(fā)生滑移破壞。同時，第1、2級邊坡開挖對位移影響較大，隧道開挖對右洞邊坡影響較小。

圖7　邊坡Y方向位移Fig. 7　Y displacement of slope beside tunnel

圖8　邊坡Z方向位移Fig. 8　Z displacement of slope beside tunnel

圖9　仰坡X方向位移Fig. 9　X displacement of slope above tunnel

圖10　仰坡Z方向位移Fig. 10　Z displacement of slope above tunnel

圖11　邊坡最大主應力等值線圖Fig. 11　Max principal stress isogram of slope beside tunnel

圖12　邊坡最小主應力等值線圖Fig. 12　Minor principal stress isogram of slope beside tunnel

圖13　邊坡最大剪應變等值線圖Fig. 13　Maximum shear strain isogram of slope beside tunnel

圖14　仰坡最大主應力等值線圖Fig. 14　Max principal stress isogram of slope above tunnel

圖15　仰坡最小主應力等值線圖Fig. 15　Minor principal stress isogram of slope above tunnel

圖16　仰坡最大剪應變等值線圖Fig. 16　Maximum shear strain isogram of slope above tunnel

對于右洞仰坡，在X向(縱向)和Z向(豎向)位移值均較大。沿X向前緣位移最大，向后緣逐漸減小，仰坡前緣的剪應變值最大，且向坡體內部延伸，有牽引式滑動的趨勢。隧道開挖對仰坡的穩(wěn)定性影響極大，隧道開挖后位移占仰坡總位移的50%以上。因此仰坡很有可能在隧道進洞后發(fā)生滑塌，原隧道進洞方案需要優(yōu)化，以保證隧道施工安全。

3.3優(yōu)化后設計數(shù)值結果

3.3.1右洞洞口邊坡位移特征

圖17和圖18 分別為不同工況下右洞邊坡Y方向位移和Z方向位移。由圖11 和圖12 可知：右洞邊坡最大Y向位移發(fā)生在坡體前緣距原點60m處，為12.5mm。Y向位移沿前緣向后緣逐漸減小，沿坡頂至坡腳位移有起伏。邊坡位移受隧道開挖影響較小。右洞邊坡最大Z向位移位于坡體前緣距原點45m處，為3.7mm。Z向位移沿前緣向后緣逐漸減小，沿坡頂至坡腳位移有起伏。邊坡位移受隧道開挖影響較小。

3.3.2右洞洞口仰坡位移特征

圖19和圖20 分別為不同工況下右洞仰坡X方向位移和Z方向位移。由圖13 和圖14 可知，右洞仰坡最大X向位移位于坡體前緣距原點45m處，為3.5mm。X向位移沿坡體前緣距原點35～45m處距隧道拱頂最近，地表最薄，因此位移較大。X向位移沿前緣向后緣變化較小，沿坡頂至坡腳位移變化較小，略有增加，說明潛在滑移面距地表較深，坡體為整體位移。右洞仰坡X方向位移受隧道開挖影響較大，最大位移點處隧道開挖所產生的位移約占總位移的69.2%。右洞仰坡最大Z向位移位于坡體前緣距原點35m處，為1.9mm。Z向位移沿前緣向后緣有增大趨勢，沿坡頂至坡腳位移有減小趨勢，且位移受隧道開挖影響較大。

圖17　邊坡Y方向位移Fig. 17　Y displacement of slope beside tunnel

圖18　邊坡Z方向位移Fig. 18　Z displacement of slope beside tunnel

圖19　右洞仰坡X方向位移Fig. 19　X displacement of slope above tunnel

圖20　右洞仰坡Z方向位移Fig. 20　Z displacement of slope above tunnel

圖21　邊坡最大主應力等值線圖Fig. 21　Max principal stress isogram of slope beside tunnel

圖22　邊坡最小主應力等值線圖Fig. 22　Minor principal stress isogram of slope beside tunnel

圖23　邊坡最大剪應力等值線圖Fig. 23　Maximum shear strain isogram of slope beside tunnel

3.3.3右洞洞口邊坡力學特征

圖21和圖22 分別為優(yōu)化后設計方案邊坡最大、最小主應力等值線圖，由圖可明顯可出，坡腳處的應力集中得到了明顯的改善，在最大主應力圖中坡腳處的應力集中現(xiàn)象已不明顯，在最小主應力圖中，坡腳雖然依然存在應力集中，但量值有所減小，僅為0.81MP。圖23 為優(yōu)化后設計方案邊坡最大剪應力圖，優(yōu)化后剪應力狀態(tài)與原設計方案相比已有明顯改善，最大值僅為3.87E-3，較之原設計明顯減小，且較大值范圍均較小，不存在從坡體前緣連通至坡頂?shù)臐撛诨泼妗Ｕf明優(yōu)化后設計方案改善了洞口邊坡的應力應變狀態(tài)，限制了其滑移破壞的趨勢。

3.3.4右洞洞口仰坡力學特征

圖24和圖25 分別為優(yōu)化后設計方案右洞仰坡最大、最小主應力等值線圖，由圖可知，原設計方案中仰坡坡腳的應力集中已得到改善，沒有明顯的應力集中區(qū)域，最小主應力值為0.83MP，較之原設計明顯減小，同時由圖26 仰坡最大剪應力等值線圖可知，最大剪應變值僅為約1MP，且不存在剪應變較大值貫通的區(qū)域。說明優(yōu)化后設計方案對改善仰坡穩(wěn)定性是有效的。

圖25　仰坡最小主應力等值線圖Fig. 25　Minor principal stress isogram of slope above tunnel

圖26　仰坡最大剪應變等值線圖Fig. 26　Maximum shear strain isogram of slope above tunnel

3.3.5原設計和優(yōu)化后設計邊仰坡穩(wěn)定性對比

為了更為直觀的說明優(yōu)化后隧道進洞方案的可行性和合理性，將原設計和優(yōu)化后設計的邊、仰坡位移分別繪于圖27 和圖28。其中圖例“原設計”為原設計模型中工況Lcase32的位移曲線，圖例“優(yōu)化后設計1”和“優(yōu)化后設計2”分別為優(yōu)化后設計模型中工況Lcase32和Lcase52的位移曲線圖。

由圖27 可知，對于隧道右洞邊坡，主要位移方向為Y向和Z向。Y向位移最大值為原設計的38.1%，且最大值位置距右洞洞口相比原設計遠20m左右，隧道施工對邊坡穩(wěn)定性影響較小。Y向位移沿坡頂至坡腳變化較小，不存在位移突變坡造成的巖體破壞現(xiàn)象。Z向位移最大值約為原設計的25.1%。

由圖28 可知，對于右洞仰坡，優(yōu)化后設計的X向和Z向右洞仰坡位移明顯小于原設計，坡體較原設計更為穩(wěn)定。且位移從坡頂?shù)狡履_變化較小，邊坡為整體變形狀態(tài)。

由原設計方案和優(yōu)化后設計方案的力學特征分析可知優(yōu)化后設計有效改善了應力集中現(xiàn)象，應力應變量值也有所減小，同時原設計中邊、仰坡處出現(xiàn)的貫通潛在滑移面在優(yōu)化后只出現(xiàn)前邊、仰坡前部，不在向內部坡頂貫通。

圖27　右洞邊坡位移對比Fig. 27　Displacement comparison of slope beside tunnel

圖28　右洞仰坡位移對比Fig. 28　Displacement comparison of slope above tunnel

綜上所述，優(yōu)化后的隧道右洞進洞方案所造成的邊、仰坡位移遠小于原設計，且邊、仰坡位移變化較為平緩，不存在位移突變情況，坡體處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。應力應變狀態(tài)也得到了有效地改善，說明優(yōu)化后設計方案是有效的。

在施工現(xiàn)場，前期進洞采用了原設計方案，正如文中所判斷的一樣，隧道洞口邊仰坡各發(fā)生了一次滑塌(圖29～圖31)，嚴重影響了施工進度，并造成了巨大的經濟損失。后來施工單位采用優(yōu)化方案施工后，邊仰坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，隧道順利安全進洞，如圖32 所示。

圖29　邊坡滑坡Fig. 29　Landslide of slope

圖30　仰坡滑移致襯砌開裂Fig. 30　Tunnel lining cracks caused beside tunnel by slipped of slope above tunnel

圖31　仰坡滑移導致仰坡噴護開裂Fig. 31　Cracks of slope above tunnel

圖32　隧道順利進洞Fig. 32　Tunnel constructed successfully

4　結　論

通過對高邊坡淺埋偏壓隧道進洞施工方案優(yōu)化，深入分析了洞口邊仰坡在隧道進洞過程中的位移、應力、應變的變化趨勢，為采取合理有效的進洞施工方案提供了技術支撐，并得到以下結論：

(1)對于有坡積土的隧道進口邊、仰坡，開挖坡度與原始坡度突變會在突變出產生較大應力應變值，可能產生貫通的剪應變較大值區(qū)域，形成潛在滑移面，對隧道修建造成危害。

(2)坡積坡積土邊、仰坡產生滑移時，位移前緣大，向后緣逐漸減小，應力集中發(fā)生在坡腳，應變較大值出現(xiàn)在坡體前緣，滑移模式類似牽引式滑移模式。

(3)對高陡邊坡放緩其坡度并采用分層臺階開挖噴護可有效減小其位移并改善應力應變狀態(tài)，消除應力集中現(xiàn)象，提高邊、仰坡穩(wěn)定性。因此，適宜的邊坡坡形對邊坡穩(wěn)定性影響較大。

(4)隧道開挖對邊坡位移影響較小，對仰坡位移影響較大。因此本隧道邊坡的破壞發(fā)生在隧道進洞前，而仰坡的破壞發(fā)生在隧道進洞以后，破壞后導致隧道襯砌開裂，危害較大。

(5)隧道洞口淺埋段的沖溝對仰坡位移有較大的影響，對洞口仰坡的穩(wěn)定性有不利影響。將沖溝到洞口的淺埋偏壓段采用明挖法施工后有效的減小了仰坡的位移，增強了仰坡的穩(wěn)定性。因此，適宜的仰坡坡形對仰坡穩(wěn)定性具有重要影響。

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DEFORMATION MECHANISM OF SLOPE COVERED WITH CLINOSOL AT TUNNEL ENTRANCE AND ASSOCIATED EXCAVATION TECHNOLOGY IN NORTH HUBEI PROVINCE

DA Xiaowei①SHAO Zhushan①GAO Huaipeng②XU Peng②WANG Xinyu①SONG Lin①③

(①Xi′anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi′an710055)(②ChinaFirstHighwayEngineeringCo.，Ltd.，Beijing100024)(③ChinaRailwayFirstGroupCo.，Ltd.，Xi′an710054)

The slope with colluvial soil near the entrance of tunnels has poor self-stability after excavation and is influenced by tunnel excavation. Therefore landslides can occur frequently， which can bring economic losses and endanger the safety of construction workers. This paper is based on Xiangshan tunnel and conduct three-dimensional finite element numerical simulation model on the basis of tunnel site topography and geology. It analyzes the changing processes of displacement and stress of slope near tunnel entrance and the influence of tunnel excavation to slope. Then， it optimizes the excavation scheme of tunneling. The research result shows that the abrupt change of gradient between excavation slope and original slope induces stress concentration and forms potential slip surface. Then， the tunnel excavation can impact greatly on deformation， stress and strain of front slope. Excavating slope in layers can effectively improve the stress-strain state of the slope. An appropriate shape of slope has a significant influence on stability of slope near tunnel entrance．

Tunnel entrance， Slope， Colluvial soil， Excavation

10.13544/j.cnki.jeg.2016.03.017

2015-02-09;

2015-05-13.

國家自然科學基金項目(10772143)，陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目(2013KTCQ01-16)資助.

達曉偉(1990-)，男，碩士，主要從事隧道與地下工程研究工作. Email: daveyda@sina.cn

簡介： 邵珠山(1968-)，男，博士，教授，主要從事隧道與地下工程方面的教學與研究工作. Email: shaozhushan@xauat.edu.cn

TU43

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