伍明文,鄭明新,胡國平,郭杰森,黃 鋼,楊繼凱

(1.華東交通大學土木建筑學院,南昌 330013； 2.江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點實驗室, 南昌 330013)

隨著我國高速公路的快速修建，線路穿越地形越來越復雜，隧道修建數(shù)量越來越多。所以公路隧道穿越地層的復雜程度加劇，對應(yīng)的建設(shè)環(huán)境也日趨嚴峻。在施工套拱時連續(xù)開挖擾動側(cè)向偏壓坡體，特別是當隧址位于側(cè)向邊坡潛在滑移面時，開挖卸荷削弱了側(cè)向邊坡原有的有效抗滑力，很容易誘發(fā)滑坡；同時開挖套拱底部卸荷引起圍巖及土體應(yīng)力重分布導致原有坡面出現(xiàn)損傷裂縫，嚴重影響隧道施工進度及施工人員生命財產(chǎn)安全。

目前諸多學者就隧道開挖引起的邊坡失穩(wěn)開展研究，對于隧道套拱開挖引起上方邊坡失穩(wěn)的作用機理及防護研究的很少。李永明[1]針對公路偏壓隧道圍巖力學機理的分析，提出相應(yīng)的措施。吳紅剛[2]闡述了隧道與滑坡空間位置關(guān)系是決定隧道-滑坡體系相互作用模式的主要因素。陳思陽[3]以邊坡穩(wěn)定性計算為核心，對隧道邊坡采用強度折減法來計算坡體的穩(wěn)定性。趙威[4]對山區(qū)高速公路隧道洞口的邊坡進行建模，通過分析隧道洞口邊坡最大剪切應(yīng)變、位移，得出影響隧道洞口邊坡穩(wěn)定的潛在區(qū)域并提出了防護性措施。肖堯[5]分析了地下水的變化對坡體穩(wěn)定性的影響，同時提出了及時排出地下水能提高坡體的穩(wěn)定性。孫濤[6]介紹了柔性面層邊坡支護體系的組成，工作原理及施工工藝，實施了錨噴支護體系與柔性面層支護體系的現(xiàn)場試驗對比。梁思龍[7]在邊坡支護工程采用預應(yīng)力錨索、錨桿與邊坡混凝土格構(gòu)梁形成整體，利用錨索、錨桿與巖層的抗摩擦力來抵抗山體邊坡產(chǎn)生的不良位移進行研究。何文春[8]以某隧道進口高邊坡開挖后及支護后的穩(wěn)定性進行分析。王月[9]應(yīng)用極限平衡法對黃土邊坡穩(wěn)定性進行分析。以往研究大都集中于隧道開挖對上方坡體穩(wěn)定性的影響，然而偏壓隧道套拱開挖對其上方坡體的穩(wěn)定性影響研究較少。隧道套拱施工開挖對土體擾動的隨機性使得潛在滑移面不易確定，這與一般邊坡的穩(wěn)定性問題既有相同點，又有自身的特點。針對在隧道套拱開挖過程中，由于坡體偏壓、地下水的影響及坡體支護不當而引起的邊坡滑移進行分析，并在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的邊坡治理措施。

1 隧道工程概況與坡體變形分析

1.1 某大跨度隧道工程概述

該隧道工程位于福建漳州。隧道右洞全長985 m，隧道按上下行分離雙向六車道設(shè)計，最大埋深為105 m，隧道主洞凈寬為15.27 m，凈高為10.27 m。

依據(jù)地質(zhì)調(diào)查報告，施工區(qū)域進口右洞主要巖性自上而下有：坡積含碎石黏土，全風化凝灰熔巖，砂土狀強風化凝灰熔巖，碎塊狀強風化凝灰熔巖及中風化凝灰熔巖。

線路區(qū)域?qū)儆谛聵?gòu)造活動性軟弱的斷塊差異隆起區(qū)，隧道分布于第四系更新統(tǒng)殘坡積層與侏羅系強風化-中風化凝灰熔巖巖層內(nèi)；在套拱處坡體有明顯的地下水滲出，同時坡體表層土含水率較大。左側(cè)地下水高度為13 m，右側(cè)為20 m。

1.2 套拱開挖坡體變形分析概述

隧道位于整個邊坡的下方，沒有考慮隧道套拱開挖對套拱處邊坡的影響，隧道套拱在開挖時，由于右洞上部土體偏壓、地下水未及時排出，使得局部邊坡產(chǎn)生滑移，套拱處上方坡體出現(xiàn)了裂紋，如圖1所示。

圖1 邊坡坍塌、裂縫及坡體橫斷面(單位：m)

初期施工單位把套拱處的土體開挖至4 m深時，套拱處側(cè)坡已經(jīng)發(fā)生明顯鼓出并且表面有少量水滲出。之后進行第二次開挖至設(shè)計套拱高程處時，套拱處上方側(cè)坡出現(xiàn)局部坍塌現(xiàn)象，在側(cè)坡上部縱深3～7 m處出現(xiàn)多條裂紋，裂紋最寬達6 cm，最長裂紋達6.8 m。同時在坡體上部多處出現(xiàn)小流量的地下水冒出形成地表徑流。

2 加固方法比選數(shù)值分析

數(shù)值分析軟件采用Midas-GTS(SRM)[10-12]，該軟件在分析邊坡穩(wěn)定性時是基于有限元強度折減原理進行分析的，它考慮了巖土體的非線性本構(gòu)關(guān)系，其計算結(jié)果不僅能以云圖的形式直觀反映失穩(wěn)邊坡滑動面的位置，還可以反映滑動面的形成、發(fā)展、貫通情況；并且還能得到邊坡巖土體加固處理后結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。

對套拱處坡體采用有限元強度折減理論進行分析，該理論最早是由Zienkiewicz提出的，他提出在有限元中采用降低巖土體強度的方法來計算巖土工程的安全系數(shù)。具體表示如下:將土體的抗剪強度指標C和φ，用一個折減系數(shù)Fs進行折減，然后用折減后的抗剪強度指標CF和φF，取代原來的抗剪強度指標C和φ[13-15]。

2.1 邊坡計算模型的建立及物理參數(shù)的選取

(1)計算模型的建立

隧道圍巖、邊坡土體采用M-C屈服準則，土體單元采用4節(jié)點、局部3節(jié)點二維平面單元模擬。模型計算范圍豎向(Y向)右側(cè)取25 m，左側(cè)取16 m，隧道走向為X向取48 m。整個模型在底部為全部約束，地表及邊坡面定義為自由邊界，左右兩側(cè)均設(shè)為水平約束，如圖2所示。

圖2 套拱土體未開挖、開挖后未支護及支護邊坡模型

加固措施分3種：

①在邊坡表面施作厚度為20 cm的C20現(xiàn)澆混凝土框架。

②在錨桿加固區(qū)采用注漿加固。

③上部邊坡表面每隔1.5 m沿重力方向打入5根長為8 m、錨固長度為4 m的錨桿，側(cè)坡垂直坡面打入5根與上部邊坡同類型的錨桿，如圖3所示。

工法主要考慮開挖未支護與開挖支護進行對比分析(同時兩種工法均考慮邊坡滲水與不滲水的情況，依據(jù)勘探資料可知，左側(cè)水頭為13 m，右側(cè)水頭為20 m。)。

圖3 套拱側(cè)邊坡支護結(jié)構(gòu)示意(單位：cm)

(2)物理參數(shù)的選取

邊坡土體及支護材料指標的選取，根據(jù)室內(nèi)取土實驗所得數(shù)據(jù)、設(shè)計院的地質(zhì)勘測資料以及邊坡支護設(shè)計資料可知土體及支護結(jié)構(gòu)材料的物理力學參數(shù)，見表1。

表1 模型中地層與結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)

2.2 套拱處邊坡支護工法方案

方案中設(shè)計了6種工法進行坡體支護后的穩(wěn)定性分析，6種工法可為含地下水和排除地下水兩類。每類可細分為如下3種：(1)開挖不支護；(2)開挖加局部坡體注漿及坡面混凝土支護；(3)開挖加局部坡體注漿、坡面混凝土支護及施作錨桿。

2.3 工法計算結(jié)果分析

(1)不同工法下的邊坡安全系數(shù)分析

經(jīng)數(shù)值分析可知，在對套拱處土體進行開挖后，邊坡在支護與未支護條件下穩(wěn)定性安全系數(shù)如表2所示。

表2 邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)值

圖4 套拱土體開挖工法-邊坡安全系數(shù)曲線

由表2與圖4可知，工法1與工法4邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)均未達到規(guī)范中對一級邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)1.3的要求，因此，不宜采用直接開挖無支護施工，工法2、3、5、6均可達到邊坡安全穩(wěn)定的要求。當?shù)叵滤醇皶r排除時，工法3相對工法2與工法1更穩(wěn)定，并且工法3邊坡安全系數(shù)較工法2提高34.28%。若能及時排出地下水就可排除地下水滲流的影響，相同支護工法下工法5比工法2穩(wěn)定性提升22.92%，工法6與工法3對比穩(wěn)定性提高41.49%，可以體現(xiàn)滲流對邊坡穩(wěn)定性的影響極大，在排出地下水后再進行坡體的支護能更好地提升坡體的支護效果。

(2)不同工法下的側(cè)坡總位移分析

不同支護工法下隧道套拱處側(cè)坡總位移如圖5所示。從表2可知，工法1的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.043，邊坡整體處于暫時穩(wěn)定狀態(tài)，同時在該工法下局部坡體位移不收斂，造成部分坡體失穩(wěn)。工法2是在工法1基礎(chǔ)上改進后得到的支護工法，在開挖完套拱處土體后對坡面施作混凝土支護及局部坡體注漿，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)從1.043提高到1.375，大于1.3，側(cè)坡最大總位移為7.1 mm，如圖5(b)所示。對于工法3而言，考慮后期隧道爆破開挖施工會擾動坡體，不利于坡體的長期穩(wěn)定，為提高坡體自身穩(wěn)定，需在坡體注漿區(qū)域打入錨桿加強支護，這時側(cè)坡面最大總位移為2.79 mm，坡腳總位移為2.33 mm，如圖5(c)所示，穩(wěn)定系數(shù)從1.375上升到1.846，相比最低穩(wěn)定性系數(shù)提高42.06%，可以說坡面已大體穩(wěn)定，滿足后期隧道的開挖。

當排除地下水時在不同支護工法下側(cè)坡總位移見圖5(d)～圖5(f)所示。主要邊坡加固方式跟圖5(a)～圖5(c)相類似，區(qū)別在于是否考慮邊坡滲流。通過分析可知圖5(d)～圖5(f)側(cè)坡最大總位移分別為28.2、0.993 mm與0.340 mm。因此在同種支護工法下，排除地下水后支護坡體的穩(wěn)定性優(yōu)于未排除地下水的支護坡體的穩(wěn)定性。

圖5 不同工法下側(cè)坡總位移

從圖5、圖6可知，套拱處側(cè)坡5個測點總位移值最小為工法6，最大為工法1。說明排除坡體中的地下水同時做好坡面混凝土支護、局部坡體施作錨桿及注漿支護能夠極大提高坡體自身的穩(wěn)定性(從圖5(a)可知，工法1側(cè)坡各點位移值均大于其他工法，側(cè)坡面已失穩(wěn)，所以未在圖6中描繪)。

圖6 套拱土體開挖工法-側(cè)坡監(jiān)測點總位移曲線

(3)不同工法下邊坡有效塑性應(yīng)變分析

通過塑性區(qū)的分布位置、貫通情況及有效塑性應(yīng)變值的大小，可以選出最適宜的坡體支護工法，從而提高邊坡的穩(wěn)定性，為邊坡的治理與加固提供條件。

繪制不同工法下坡體有效塑性應(yīng)變區(qū)域分布，見圖7。鑒于坡腳處為整個坡體最薄弱的部位，所以僅對該位置的有效塑性應(yīng)變值進行分析。從工法1～工法6，邊坡坡腳處最大有效塑性應(yīng)變值從48.4降為0.109，如圖8所示，工法1有效塑性應(yīng)變值均大于其他工法，所以未在圖中描繪出來。在考慮地下水時，工法1較工法2可知，如果僅對坡體開挖不支護，這時邊坡會發(fā)生局部失穩(wěn)。若對開挖邊坡用混凝土支護+局部坡體注漿支護后，坡腳處有效塑性應(yīng)變值從48.4變?yōu)?.476，支護后邊坡已基本穩(wěn)定下來。工法2較工法3可知，若考慮后期隧道開挖對坡體的影響，需對注漿區(qū)域土體再進行錨桿加固。加固后坡腳有效塑性應(yīng)變從0.476降為0.116，這時坡體變得更加穩(wěn)定，能有效地降低后期隧道施工對坡體的擾動。在排除地下水時，對比工法4、工法5與工法6可知，坡腳有效塑性應(yīng)變從0.275降為0.109，所以支護工法6相比其他5種工法而言，更適宜坡體的支護。

綜上所述可知，要使坡體支護效果得到較大的提升，需及時排除地下水，對開挖后坡面施作混凝土支護，局部坡體進行注漿與錨桿支護，方可提高坡體的穩(wěn)定性。

圖7 不同工法下邊坡有效塑性應(yīng)變

圖8 套拱土體開挖工法-坡腳處最大有效塑性應(yīng)變值曲線

2.4 套拱開挖后邊坡位移監(jiān)測分析

(1)邊坡監(jiān)測點布置

在套拱處邊坡產(chǎn)生局部破壞后，我們把監(jiān)測點布置在側(cè)坡以及坡體上部，沿隧道軸線縱向布置，側(cè)坡每間隔3 m布置1個監(jiān)測點，坡體上部每間隔4 m布置1個監(jiān)測點，測點布置見圖9，以監(jiān)測坡體后期變形發(fā)展以及施作支護后的穩(wěn)定性變化情況。

圖9 套拱處邊坡測點布置示意

(2)邊坡變形監(jiān)測分析

套拱處側(cè)坡及上方局部坡體各監(jiān)測點沉降曲線如圖10、圖11所示(坡體支護施工于監(jiān)測第10日開始，第11日施工完成，支護工法選擇工法6進行施作)。監(jiān)測前10 d坡體未做任何支護施工，同時通過5個監(jiān)測點在X與Y方向的變形值可以看出，坡體變形依舊在持續(xù)發(fā)展。由圖10可知，測點1、測點2在X方向的位移比側(cè)坡上的測點3、測點4、測點5小。通過圖11可知：測點5在Y方向發(fā)生較大的隆起，這是由于上方坡體下滑擠壓作用而導致坡腳處土體產(chǎn)生隆起。10 d后施工單位對坡體進行加強支護與地下水的排除作業(yè)，施工作業(yè)完成后各監(jiān)測點位移變化逐漸趨于穩(wěn)定，這也將更有利于今后坡體的穩(wěn)定，為將來隧道的開挖打下堅實基礎(chǔ)。

圖10 套拱開挖后上部坡體各監(jiān)測點水平方向位移時程曲線(正值表示向右移動，負值表示向左移動)

圖11 套拱開挖后上部坡體各監(jiān)測點豎直方向位移時程曲線(正值表示向上移動，負值表示向下移動)

3 結(jié)論

(1)隧道套拱的開挖而致使上方局部坡體滑移失穩(wěn)的原因如下：上覆土體偏壓產(chǎn)生的側(cè)壓力、富含于土中的地下水未及時排除及坡體支護不到位所導致。通過數(shù)值法中的強度折減分析可知，及時排除地下水同時對坡體做出適當?shù)闹ёo，能極大提高坡體的穩(wěn)定性，更有利于隧道后期的施工的順利進行。

(2)坡體在未排除地下水與排除地下水時，采用同種支護工法對比發(fā)現(xiàn)前者穩(wěn)定性比后者差，更不利于套拱處邊坡的穩(wěn)定；6種支護方案對比發(fā)現(xiàn)，坡面混凝土支護、坡體注漿及錨桿支護相比其他工法更有利于邊坡的穩(wěn)定。

(3)對于隧道套拱開挖導致上方局部坡體滑移進行了初次探討，通過數(shù)值法與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合，分析了套拱上方邊坡失穩(wěn)變形特征及相應(yīng)處理措施，對隧道套拱的施工及上方坡體支護可提供一定的參考。