鞏 悅， 晏長(zhǎng)根*， 于澎濤， 石玉玲， 包 含， 許江波

(1.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院， 西安 710064； 2.鄭州市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院， 鄭州 450042； 3.長(zhǎng)安大學(xué)地測(cè)學(xué)院， 西安 710064)

目前，長(zhǎng)大隧道的數(shù)量和所占比例逐年遞增，使得隧道修建過(guò)程中遇到越來(lái)越多的復(fù)雜工程地質(zhì)條件，導(dǎo)致了各種地質(zhì)災(zāi)害的頻頻出現(xiàn)，其中山體滑坡便是隧道施工中常見的地質(zhì)災(zāi)害之一。在已經(jīng)發(fā)生過(guò)滑坡的山體中修建隧道時(shí)，滑坡體復(fù)活重新移動(dòng)，造成隧道出現(xiàn)各種病害現(xiàn)象，同時(shí)對(duì)人們的生命和財(cái)產(chǎn)造成極大危害，對(duì)施工成本和施工期產(chǎn)生極大影響。

部分學(xué)者已經(jīng)針對(duì)這一工程問(wèn)題展開了研究。許建聰?shù)萚1]在考慮降雨作用時(shí)，通過(guò)三維大變形彈塑性接觸有限元數(shù)值計(jì)算分析碎石土滑坡體的穩(wěn)定性，同時(shí)還分析降雨作用下碎石土古滑坡復(fù)活破壞的過(guò)程，準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)該類型滑坡的穩(wěn)定性。胡鑫[2]根據(jù)三交鄉(xiāng)滑坡區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)勘查，結(jié)合巖土體物理力學(xué)性質(zhì)研究，建立了三個(gè)剖面邊坡數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)這三個(gè)剖面進(jìn)行天然狀態(tài)和地震動(dòng)荷載工況下的滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。 馬惠民[3]統(tǒng)計(jì)分析了1980年以來(lái)滑坡體病害段的隧道變形類型，提出了六種地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型：滑坡蠕動(dòng)擠壓型、斜坡高陡型、牽引滑動(dòng)型、上軟下硬層狀型、穿越破碎帶。陶志平等[4]建立了滑坡體隧道變形的四種地質(zhì)力學(xué)模型，并提出了相應(yīng)的工程防止措施。王永剛等[5]以陽(yáng)坡里隧道工程背景，分析了隧道平行滑坡體滑動(dòng)方向穿越滑坡體情況下，隧道與滑坡的相互作用受力分析及變形破壞模式。田斌等[6]通過(guò)非線性有限元方法，考慮滑坡體自重、地下水及降雨等影響因素，對(duì)滑坡體的變形與穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算研究。鄭穎人等[7]通過(guò)有限元分析法在公路隧道中的應(yīng)用，計(jì)算了圍巖潛在破壞面和不同圍巖類別下的隧道安全系數(shù)。張靚[8]對(duì)滑坡斷隧道變形的原因進(jìn)行了總結(jié)分析，發(fā)現(xiàn)巖體的流變性會(huì)造成山體位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)重分布，從而引發(fā)滑坡再次移動(dòng)。肖明等[9]提出了地下洞室在爆破開挖作用時(shí)，三維彈塑性損傷有限元計(jì)算的方法，推導(dǎo)了可計(jì)算地下洞室在爆破開挖時(shí)產(chǎn)生的圍巖松動(dòng)圈范圍的公式。趙金等[10]通過(guò)工程實(shí)例總結(jié)和地質(zhì)模型的建立，對(duì)隧道-洞口滑坡體系的受力特征及隧道變形模式進(jìn)行了研究。畢忠偉[11]采用Bayes方法推斷巖體力學(xué)參數(shù)，并對(duì)截尾分布形式下的可靠度進(jìn)行了系統(tǒng)研究，為康家灣鉛鋅金礦巷道圍巖可靠性分析提供了力學(xué)參數(shù)取值科學(xué)依據(jù)總體來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有研究對(duì)滑坡段正交下穿隧道研究較少，當(dāng)隧道建設(shè)過(guò)程中從滑坡體下穿過(guò)時(shí)，對(duì)隧道與滑坡體之間相不影響的安全距離難以確定。依托國(guó)道G577線旱田至特克斯段公路改建工程項(xiàng)目特克斯隧道，對(duì)不同開挖距離下的正交下穿隧道和滑坡體的相互作用及變形特征進(jìn)行了研究，以期為類似工程提供合理建議。

1 工程概況

國(guó)道G577線特克斯隧道位于新疆西北部，采用雙洞分離式隧道方案，主洞開挖寬度為10.6 m。隧道設(shè)計(jì)線路ZK96+700～ZK97+130自滑坡體下正交穿過(guò)，主滑方向近似垂直于隧道軸向，坡度在30°～45°?；瑒?dòng)面最大埋深10～20 m。滑動(dòng)面埋深處距隧道洞頂為30～60 m。如圖1所示。

滑坡體后緣地表堆積體開裂、錯(cuò)落，開裂寬度大于20 cm,錯(cuò)落達(dá)80 cm,呈圓弧形向兩側(cè)發(fā)展?；麦w中、后部，有數(shù)條近似平行的張性裂縫,最寬達(dá)20 cm,可見深度50 cm,無(wú)明顯錯(cuò)落?；麦w中部,有斷續(xù)延伸的弧形裂縫,最大開裂寬度達(dá)20 cm,斷續(xù)延伸達(dá)50 m以上，如圖2所示。

圖1 特克斯隧道左洞進(jìn)口Fig.1 The left hole entrance of Turks tunnel

圖2 滑坡體現(xiàn)場(chǎng)裂縫Fig.2 Cracks in the landslide

2 特克斯隧道與滑坡體監(jiān)測(cè)分析

2.1 滑坡體位移監(jiān)測(cè)

沿隧道設(shè)計(jì)線路，在隧道正上方滑坡體表面設(shè)置。監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-1、1-2、1-3布置在滑坡軸線上(正北正南方向)，分布布設(shè)在滑坡坡腳、坡面、坡頂處。監(jiān)測(cè)點(diǎn)2-1、2-2、2-3間隔20 m布置在隧道正上方，沿隧道縱向開挖方向(自東向西方向)布設(shè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于滑坡體中部，如圖3所示。

圖3 滑坡體監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)Fig.3 The monitoring points of the landslide

當(dāng)隧道開挖到距2-1下方20 m時(shí)開始監(jiān)測(cè)，到經(jīng)過(guò)2-3下方20 m后終止。開挖到8 d時(shí)，掌子面在2-1正下方；開挖到16 d時(shí)，掌子面在2-2正下方；開挖到25 d時(shí)，掌子面在2-3正下方。

采用全站儀對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，豎直方向沉降以全站儀中監(jiān)測(cè)的Z方向(豎直方向)位移變化數(shù)據(jù)顯示；而水平方向位移變化以全站儀監(jiān)測(cè)的N方向(正北方向)和E方向(正東方向)表示。

圖4 滑坡體位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.4 The landslide displacement monitoring data

由滑坡滑動(dòng)方向位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(圖4)可知，豎直方向上，當(dāng)隧道開挖至監(jiān)測(cè)點(diǎn)下方時(shí)，滑坡體坡腳位置沒(méi)有沉降，滑坡體中部和滑坡體坡頂出現(xiàn)沉降位移，經(jīng)過(guò)20 d位移不再發(fā)生變化，最終達(dá)到10 mm左右。水平方向上，當(dāng)隧道開挖至監(jiān)測(cè)點(diǎn)斷面下方時(shí)，滑坡體坡腳位置沒(méi)有位移變化；滑坡體中部(監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-2)位移變化最大，向南移動(dòng)(沿滑坡滑動(dòng)方向)18 mm，向東移動(dòng)7 mm；滑坡體坡頂位移變化較小，向南移動(dòng)4 mm。向東移動(dòng)5 mm。

由隧道軸線方向上位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(圖4)可知，豎直方向上，當(dāng)隧道開挖到監(jiān)測(cè)點(diǎn)下方時(shí)，隧道上方的沉降快速增加，經(jīng)過(guò)10 d左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，沉降不再增加。監(jiān)測(cè)點(diǎn)2-1沉降為16 mm，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2-2沉降為12 mm，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2-3沉降為15 mm。水平方向上，當(dāng)隧道開挖至各監(jiān)測(cè)點(diǎn)下方時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)開始發(fā)生移動(dòng)，經(jīng)過(guò)20 d左右位移變化穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2-1向南移動(dòng)7 mm，向東移動(dòng)8 mm；監(jiān)測(cè)點(diǎn)2-2向南移動(dòng)9 mm，向東移動(dòng)9 mm；監(jiān)測(cè)點(diǎn)2-3向南移動(dòng)6 mm，向東移動(dòng)6 mm。

2.2 隧道收斂變形監(jiān)測(cè)

特克斯隧道路線設(shè)計(jì)中，左洞經(jīng)滑坡體下穿過(guò)，右洞未經(jīng)過(guò)滑坡體。因此，選取了左右洞兩個(gè)相同斷面(K97+010和ZK97+010)拱頂下沉和周邊收斂的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為代表斷面，對(duì)比在相同巖性和相同埋深的條件下滑坡段隧道和正常段隧道的變形。

由圖5隧道拱頂下沉監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，K97+010斷面在33 d時(shí)拱頂下沉的變化速率小于0.15 mm/d，圍巖變化趨于穩(wěn)定，累計(jì)下沉30.48 mm，平均下沉速率0.92 mm/d；ZK97+010斷面在44 d時(shí)拱頂下沉速率達(dá)到0.15 mm/d以下，圍巖變化趨于穩(wěn)定，累計(jì)下沉92.6 mm，平均下沉速率2.10 mm/d。

由圖6隧道收斂變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，K97+010斷面上臺(tái)階監(jiān)測(cè)至15 d時(shí)，收斂速率為0.32 mm/d，此時(shí)下臺(tái)階開挖監(jiān)測(cè)中斷，累計(jì)收斂11.94 mm，平均收斂速率0.80 mm/d；下臺(tái)階監(jiān)測(cè)至14 d時(shí)，收斂速率為0.15 mm/d，圍巖已經(jīng)趨于穩(wěn)定，累計(jì)收斂12.15 mm，平均收斂速率0.87 mm/d。ZK97+010斷面上臺(tái)階監(jiān)測(cè)至15 d時(shí)，收斂速率為2.92 mm/d，此時(shí)下臺(tái)階開挖，監(jiān)測(cè)中斷，累計(jì)收斂達(dá)到55.12 mm，平均收斂速率3.67 mm/d；下臺(tái)階監(jiān)測(cè)至23 d時(shí)，收斂速率為0.10 mm/d，圍巖已經(jīng)趨于穩(wěn)定，累計(jì)收斂38.12 mm，平均收斂速率1.66 mm/d。

2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)特克斯滑坡體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)知，當(dāng)隧道開挖至監(jiān)測(cè)點(diǎn)斷面下方時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)開始移動(dòng)，經(jīng)過(guò)20 d左右位移變化穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移變化和地表沉降都較?。粚?duì)于滑坡體而言，坡腳位置位移變化很小，滑坡體中部(監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-2)位移變化最大，坡頂位移變化較小。整體來(lái)看，滑坡體位移變化很小，表明開挖擾動(dòng)沒(méi)有造成滑坡體的滑動(dòng)，隧道開挖對(duì)上部滑坡體位移影響很小。

根據(jù)特克斯隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)可得，滑坡體段隧道的變形速率，拱頂下沉達(dá)到92.6 mm，周邊收斂38.12 mm、變形速率達(dá)到4.5 mm/d，變形持續(xù)時(shí)間在40～50 d；對(duì)比相同埋深相同巖性條件時(shí)滑坡體段隧道和正常段隧道的變形可知，隧道的收斂變形、變形速率和變形持續(xù)時(shí)間均大于滑坡體外隧道段。

3 滑坡體-隧道數(shù)值模擬分析

3.1 滑坡體下穿隧道數(shù)值分析模型

3.1.1 模型建立

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，通過(guò)FLAC3D建立模型進(jìn)行計(jì)算，如圖7所示。取垂直于隧道軸線為x軸，模型最左端為x軸的起點(diǎn)，隧道軸線方向?yàn)閥軸，坐標(biāo)系z(mì)軸向上。模型x軸方向長(zhǎng)度為160 m，y軸方向長(zhǎng)度50 m，坡體最高點(diǎn)位置為160 m。

邊界條件設(shè)置：模型底部施加x、y、z方向的約束，在模型的左右兩側(cè)邊界上施加x方向約束，在模型的前后邊界上施加y方向的約束，模型的上部邊界為自由面。數(shù)值模擬計(jì)算采用彈塑性本構(gòu)模型，模型計(jì)算參數(shù)按照特克斯隧道上部巖土體參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,如表1所示。

3.1.2 模擬工況設(shè)計(jì)

隧道正交下穿滑坡體時(shí)，有兩個(gè)因素滑坡-隧道體系的整體穩(wěn)定性影響很大。一是隧道的開挖位置與滑動(dòng)帶的距離滑坡-隧道體系的穩(wěn)定性；二是隧道的開挖位置與滑坡體的相對(duì)位置關(guān)系影響滑坡-隧道體系的穩(wěn)定性。因此，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)主要從這兩個(gè)方面設(shè)計(jì)模擬工況，如表2所示。同時(shí)，以在相同地層關(guān)系并且沒(méi)有滑坡體的情況作為參照組，對(duì)比分析隧道受力特征和隧道開挖對(duì)斜坡的位移影響。

表1 數(shù)值模擬巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖7 滑坡體下穿隧道數(shù)值分析模型Fig.7 Numerical analysis model of tunnel under landslide

表2 數(shù)值模擬工況設(shè)計(jì)

3.2 模擬計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 下穿距離對(duì)滑坡-隧道變形體系的變形影響

如圖8所示，在相同埋深、相同坡度下，在滑坡體下開挖隧道時(shí)滑坡體的位移變化和隧道變形比斜坡下方開挖隧道造成的坡體位移變化和隧道變形大，說(shuō)明在相同埋深和相同巖性的情況下，滑坡體移動(dòng)會(huì)增大隧道變形。隨著隧道開挖距離滑動(dòng)帶的距離變大，滑坡體-隧道體系相互作用影響變小。當(dāng)隧道頂部距離滑動(dòng)帶3D時(shí)，隧道開挖對(duì)滑坡—隧道體系影響很小，滑坡體位移變形較??；同時(shí)滑坡體與隧道之間的相互作用也較小。

工況5中設(shè)計(jì)的隧道埋深和地層結(jié)構(gòu)與特克斯滑坡段的地質(zhì)條件相符合。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果顯示：隧道拱頂累計(jì)下沉為4.84 cm，隧道周邊累計(jì)收斂值為1.02 cm。而滑坡體的豎向位移在隧道正上方處相對(duì)較大為0.89 cm，水平位移為0.21 cm。此時(shí)，隧道開挖引起滑坡體坡頂處豎向位移達(dá)到0.59 cm左右，水平位移為0.28 cm。工況5和工況6與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的對(duì)比工況類似，但從結(jié)果來(lái)看隧道的變形有所差別，這是由于數(shù)值模擬采用的物理力學(xué)參數(shù)不能考慮具體的圍巖的完整性和穩(wěn)定性，所以數(shù)值模擬得到的收斂變形與特克斯隧道滑坡段的收斂變形相差較大，但與正常段隧道的收斂變形基本相符。同時(shí)需考慮現(xiàn)場(chǎng)滑坡體上裂隙分布，水由裂縫向下滲透，會(huì)弱化下部巖土體的力學(xué)性能，導(dǎo)致隧道開挖時(shí)拱頂下沉和收斂變形量比正常段大。

圖8 工況1～6滑坡與隧道的累計(jì)位移Fig.8 The cumulative displacement of landslide and tunnel in the first to sixth working condition

3.2.2 開挖位置對(duì)滑坡-隧道體系的影響

圖9 工況1、7、8滑坡與隧道的累計(jì)位移值Fig.9 The cumulative displacement values of landslides and tunnels inworking conditions 1, 7 and 8

如圖9所示，對(duì)比工況1、工況7和工況8可知，當(dāng)隧道在滑坡體下方開挖時(shí)，開挖位置處于滑坡體中部時(shí)對(duì)滑坡體造成的位移變化最大，而滑坡體對(duì)隧道變形影響也最大。其次，在滑坡體坡腳位置開挖隧道時(shí)，滑坡-隧道體系受到的影響較大。而在滑坡體坡頂位置開挖隧道，滑坡體與隧道所受影響最小。數(shù)值分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中，對(duì)滑坡體監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-1、1-2、1-3的監(jiān)測(cè)結(jié)果規(guī)律一致。

4 結(jié)論

以國(guó)道G577線旱田至特克斯段公路特克斯隧道為研究背景，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料進(jìn)行了多組數(shù)值模擬分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論。

(1)滑坡段的隧道收斂變形大于正常段的隧道收斂變形，并且滑坡段的隧道收斂變形到穩(wěn)定狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

(2)隧道頂部與滑動(dòng)帶的距離對(duì)隧道的變形影響較大，通過(guò)增大隧道與滑坡體的距離可以使隧道避免產(chǎn)生較大的收斂變形或襯砌變形破壞，可把3D看作臨界影響深度。

(3)當(dāng)隧道在滑坡體中部進(jìn)行開挖時(shí)，對(duì)滑坡體的影響范圍最大，坡腳其次，坡頂影響最小。

(4)對(duì)于特克斯隧道而言，滑坡體位移變化很小，滑坡體與其下方隧道產(chǎn)生的相互作用微弱。但是由于水沿著滑坡體上裂縫滲透等原因，滑坡段隧道圍巖穩(wěn)定性較差，隧道的收斂變形更大。因此在隧道工程設(shè)計(jì)中不僅要考慮滿足與滑坡體安全距離的要求，還應(yīng)根據(jù)其較差的圍巖選擇合適的支護(hù)方式。