柳墩利

(國(guó)家鐵路局 工程質(zhì)量監(jiān)督中心，北京 100891)

隧道往往穿越邊坡，有些邊坡存在古滑坡體或者山體裂縫,如果開挖過程中沒有對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究，很可能引發(fā)工程問題。例如，2004年3月29日武九線盛洪卿隧道施工中，由于邊坡不穩(wěn)定引起隧道襯砌破壞，工程損失巨大;成昆線東榮河隧道所處的邊坡中存在滑坡面，在開挖擾動(dòng)下隧道出現(xiàn)嚴(yán)重變形，甚至出現(xiàn)了整體位移。因此，開展下穿邊坡隧道力學(xué)特性的研究，對(duì)于保障施工安全和工程質(zhì)量具有重要的理論和實(shí)際意義[1-2]。

馬惠民等[3]結(jié)合近年來我國(guó)山區(qū)公路建設(shè)中的滑坡及高邊坡研究和工程實(shí)踐，介紹了高邊坡病害的防治理論和技術(shù)。覃林[4]分析了隧道分步開挖對(duì)邊坡變形和受力的影響以及隧道開挖后邊坡的變形和受力規(guī)律。汪洋[5]研究了深埋長(zhǎng)大山嶺隧道軟巖大變形機(jī)理，針對(duì)隧道施工進(jìn)行災(zāi)害預(yù)測(cè)和治理措施研究。謝曉東[6]研究了施工時(shí)序?qū)λ膳丝h某隧道出口邊坡穩(wěn)定性的影響，并將不同治理措施予以對(duì)比分析。此外，運(yùn)用數(shù)值分析軟件模擬隧道開挖對(duì)邊坡影響規(guī)律的研究較多[7-9]。

本文以典型隧道下穿邊坡工程為依托，通過模型試驗(yàn)和數(shù)值分析研究邊坡和隧道的相互作用。通過研究隧道開挖時(shí)邊坡的受力特點(diǎn)，選擇合理的隧道施工方案以避免滑坡等災(zāi)害。

1 工程概況

一隧道位于涇河左岸的三級(jí)階地及黃土殘?jiān)珔^(qū)，溝谷發(fā)育，溝內(nèi)小型淺層滑坡錯(cuò)落發(fā)育。地表覆蓋黃土，位于砂巖上。黃土主要為第四系上更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土，具有Ⅳ級(jí)自重濕陷性，濕陷厚度約20～40 m。隧道進(jìn)口埋深較淺，部分地段位于濕陷性土層，對(duì)工程施工影響較大。隧道整體上屬于淺埋隧道，位于泥石流、滑坡等災(zāi)害易發(fā)區(qū)。

隧道全長(zhǎng)范圍內(nèi)層屬Ⅳ級(jí)圍巖段。隧道右幅起止樁號(hào)為YK4+255—YK5+120，全長(zhǎng)865 m；左幅為ZK4+295—ZK5+255，全長(zhǎng)960 m。在下穿邊坡隧道中選取其中的100 m作為試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑?。其斷面尺寸見圖1。

圖1 原型斷面尺寸(單位:m)

2 隧道下穿邊坡模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鶕?jù)實(shí)際工程的邊坡形狀及工程地質(zhì)條件制作。隧道邊坡巖土的物理力學(xué)參數(shù)見表1。原型與模型尺寸對(duì)比見表2。模型試驗(yàn)監(jiān)測(cè)內(nèi)容有：①隧道開挖過程中邊坡的受力特性；②隧道開挖時(shí)邊坡位移。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

表2 原型與模型尺寸對(duì)比

2.2 模型制作

用中細(xì)沙為骨料，以酒精松香溶液為膠結(jié)劑，以石膏粉為填縫材料,按一定比例配制模型相似材料。在模型填筑過程中，應(yīng)特別注意模型土密度的相似性，通過在夯實(shí)過程中控制橡膠錘的擊打次數(shù)保證其密度。只有盡可能使模型的密度與實(shí)際工程中的密度成一定的比例才能保證試驗(yàn)的精確度。

選取模型隧道的中部截面布置壓力盒。考慮到本次模型試驗(yàn)還要監(jiān)測(cè)隧道開挖過程中邊坡的穩(wěn)定情況，共布置了21個(gè)壓力盒，如圖2所示。每次開挖3 cm 采集1次數(shù)據(jù)。

圖2 模型隧道周邊壓力盒布置

光柵多點(diǎn)位移計(jì)是用來監(jiān)測(cè)開挖過程中邊坡表面的位移。在模型邊坡處埋設(shè)好位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)的位置如圖3所示。

圖3 位移測(cè)點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)隧道實(shí)際施工，在無(wú)支護(hù)情況下全斷面開挖，開挖循環(huán)進(jìn)尺為3 cm。隧道開挖模型如圖4。

圖4 隧道開挖模型

2.3 模型試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目之一是監(jiān)測(cè)隧道圍巖及邊坡壓力變化。在進(jìn)行隧道開挖過程中由于掌子面不斷接近監(jiān)測(cè)截面，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力值發(fā)生變化。為了能對(duì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)及應(yīng)力釋放過程進(jìn)行全面研究，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理。監(jiān)測(cè)的斷面位于模型中間。當(dāng)掌子面未到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)距離記為負(fù)數(shù)，通過監(jiān)測(cè)斷面后距離記為正數(shù)。表3為徑向荷載釋放率。

表3 徑向荷載釋放率 %

圖5 隧道洞壁應(yīng)力釋放過程

圖5是全斷面隧道開挖掌子面不斷推進(jìn)過程中洞壁應(yīng)力釋放過程。主要監(jiān)測(cè)了隧道拱頂、邊墻和底板這3個(gè)部位的應(yīng)力變化?？梢钥闯觯陂_挖過程中隧道圍巖荷載的應(yīng)力釋放主要受到隧道開挖圍巖擾動(dòng)的影響，應(yīng)力變化較為明顯。在掌子面越過監(jiān)測(cè)斷面后，應(yīng)力釋放加速。

邊坡位移每開挖10 cm記錄1次數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后，選取偶數(shù)測(cè)點(diǎn)繪制位移曲線，如圖6所示。

圖6 邊坡位移曲線

由圖6可知，邊坡地表位移不斷增加，最大的位移達(dá)到了1.28 mm。當(dāng)掌子面開挖到50 cm處時(shí)，邊坡位移突然增大。這是由于隧道的開挖使得臨空面不斷增大。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型

采用ABAQUS數(shù)值模擬隧道的全斷面法開挖過程，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果作對(duì)比。模型的大小及形狀根據(jù)開挖對(duì)土體的影響范圍確定。模型的左右邊界施加水平方向的約束，底部邊界施加豎直方向的約束。對(duì)邊坡隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，將模型用 2 232 個(gè)節(jié)點(diǎn)劃分為 2 015 個(gè)單元。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

計(jì)算步驟依次是加載地應(yīng)力、應(yīng)力釋放、施作支護(hù)、移除開挖單元，分析各步驟邊坡及圍巖的位移、應(yīng)力、應(yīng)變變化情況。

1)各階段水平位移

用改變圍巖參數(shù)的方法動(dòng)態(tài)模擬隧道開挖過程。不同階段水平位移云圖見圖7。

圖7 不同階段水平位移云圖(單位：m)

由圖7可知，在下穿邊坡隧道開挖過程中Ⅳ級(jí)圍巖位移較小而邊坡的位移比較大。由于隧道上方邊坡區(qū)域的地質(zhì)情況較差，在開挖的擾動(dòng)下其穩(wěn)定性受到了影響。

2)圍巖及邊坡應(yīng)力(見圖8)

圖8 不同階段最大主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

由圖8可知：在應(yīng)力釋放后，應(yīng)力分布云圖呈蝴蝶狀，隧道兩側(cè)邊墻附近出現(xiàn)負(fù)應(yīng)力，最大主應(yīng)力主要分布在隧道拱頂和底部。隨著隧道的開挖邊坡巖土層出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象，應(yīng)力出現(xiàn)負(fù)值。激活襯砌單元后，邊坡上部應(yīng)力變大，坡腳處應(yīng)力變小，邊墻處以及在激活襯砌單元后隧道四周的圍巖壓力都有所減少。

4 結(jié)論與建議

本文以一隧道下穿邊坡工程為依托，通過模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對(duì)下穿邊坡隧道開挖過程中的應(yīng)力、位移變化規(guī)律展開研究。主要結(jié)論及建議如下：

1)隧道開挖對(duì)邊坡的位移影響明顯，對(duì)邊坡和圍巖的穩(wěn)定性影響最大是在開挖完成后拱頂處于臨空狀態(tài)的階段，模型試驗(yàn)與數(shù)值分析結(jié)果有較好的一致性。

2)針對(duì)該隧道所處的邊坡中存在滑坡體的情況，建議先做好穩(wěn)定邊坡的工作，先治坡，后進(jìn)洞。邊坡下穿隧道時(shí)應(yīng)及時(shí)調(diào)整支護(hù)方案，減小開挖擾動(dòng)，防止滑坡災(zāi)害，保證施工安全。