劉新華, 張志強(qiáng)
(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川成都 610031)
中國國土面積的69.1%由山區(qū)組成,在山區(qū)修建公路或者鐵路時(shí),往往會(huì)遭遇危及人民生命財(cái)產(chǎn)安全的滑坡災(zāi)害[1-2]。在施工過程中,由于開挖深路塹極易擾動(dòng)滑坡體,因此目前大多采用開挖隧道的方式來通過滑坡地段。施工的擾動(dòng)對(duì)滑坡有很大的影響,因此關(guān)于隧道對(duì)滑坡影響規(guī)律的研究是必要的。
目前已有一定的研究基礎(chǔ):郭松[3]以柴家坡隧道為例,研究了隧道及滑坡的變形機(jī)理及相互作用,并提出了相應(yīng)整治措施。王國欣等[4]綜合地質(zhì)條件、施工情況和監(jiān)控量測(cè)結(jié)果,認(rèn)為滑坡的產(chǎn)生主要和地質(zhì)、水文及人為因素有關(guān)。周德培、張魯新等[5-6]綜合東榮河蠕動(dòng)性滑坡的現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)、滑坡檢測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,研究了滑坡成因和隧道變形機(jī)理及特征,并輔以模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證其準(zhǔn)確性,為該類型滑坡體的隧道病害防治措施提供了理論依據(jù)。毛堅(jiān)強(qiáng)等[7]以某一建于滑坡中的隧道為例,將滑動(dòng)面視為接觸邊界,應(yīng)用接觸問題的有限元算法研究滑坡隧道的受力變形特征。陶志平等[8]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了滑坡與隧道的相互作用機(jī)理和隧道變形規(guī)律,為滑坡隧道變形問題提供了依據(jù)。陳守義[9]對(duì)滑坡地段開展了室內(nèi)地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn),研究了坡體-隧道的相互作用機(jī)理和變形特征。吳紅剛等[10]將隧道-滑坡體體系依據(jù)隧道與滑動(dòng)面的相對(duì)空間位置分類為平行、正交、斜交3種,并研究了不同體系受力變形模式。
可見,針對(duì)滑坡產(chǎn)生、發(fā)展、防治措施,當(dāng)下國內(nèi)外學(xué)者作了大量研究,但大多主要考慮隧道力學(xué)響應(yīng),而針對(duì)隧道施工對(duì)坡體穩(wěn)定性影響的研究卻不多。因此本文基于不平衡推力法和有限元強(qiáng)度折減法深入研究不同位置的隧道開挖擾動(dòng)對(duì)滑坡的影響規(guī)律,給類似工程提供了參考。
該滑坡為川藏鐵路沿線上的深層牽引式巖質(zhì)古滑坡,坡體幾何參數(shù)見表1。
表1 滑坡體幾何參數(shù)
其平面圖和3D實(shí)體效果見圖1。
圖1 滑坡平面圖和三維實(shí)體效果圖
由于該滑坡各點(diǎn)傾角相差較小,滑坡面可近似當(dāng)做折線形滑坡面,針對(duì)折線形條件下的滑坡穩(wěn)定性分析,本次采用不平衡推力法,也稱為傳遞系數(shù)法或剩余推力法,其假定條件為:計(jì)算時(shí)單個(gè)土條寬度取作1 m,土條間的條間合力平行于上一塊土條的底面。
以滑面和地表坡度的變化為依據(jù),將坡體分為26個(gè)滑塊,塊細(xì)分圖和計(jì)算結(jié)果如圖2、表2所示。
表2 滑塊細(xì)分計(jì)算結(jié)果
圖2 滑動(dòng)主軸斷面細(xì)分滑塊
其中,S為面積(m2),φ為傾角(°),L為長度(m),Ri為抗力(kN/m),Ti為滑力(kN/m),Ri-Ti為合力(kN/m),Ri/L、Ti/L、(Ri-Ti/)L分別為均布抗力、均布滑力和均布合力(kN/m2)。
2~8號(hào)滑塊抗力較大,視為抗力主要提供區(qū)域,其中6號(hào)滑塊的均布抗力最大,為944.06 kPa。4~9號(hào)滑塊滑力較大,視為滑力主要提供區(qū)域,其中7號(hào)滑塊的均布滑力最大,為723.93 kPa。
可以由計(jì)算結(jié)果劃分滑動(dòng)段和抗滑段,其中 1~7號(hào)和8~11號(hào)區(qū)域分別主抗滑段和主滑段; 12~22號(hào)和23~26號(hào)區(qū)域分別為抗滑段和滑動(dòng)段。在上述4個(gè)區(qū)域中的控制點(diǎn)分別為2、8、14、23號(hào)滑塊,因此數(shù)值模擬時(shí)取隧道位置分別位與這4個(gè)滑塊下,滑動(dòng)帶與隧道拱頂間的距離取為1.5倍隧道洞徑(1.5D)。
基于上述研究,此次數(shù)值模擬考慮隧道位置位于2、8、14、23滑塊下的4種情況,滑塊底部到隧道的距離為1.5D,圍巖取V級(jí)圍巖。模型網(wǎng)格參見圖3~圖6,滑坡體與基巖之間有一滑動(dòng)帶。
圖3 隧道位于2號(hào)區(qū)域下1.5D位置
圖4 隧道位于8號(hào)區(qū)域下1.5D位置
圖5 隧道位于14號(hào)區(qū)域下1.5D位置
結(jié)合地勘資料和JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》,模型參數(shù)見表3~表5。
表3 圍巖計(jì)算力學(xué)參數(shù)
表4 初期支護(hù)計(jì)算力學(xué)參數(shù)
表5 滑坡體帶計(jì)算力學(xué)參數(shù)
塑性區(qū)是判斷滑坡滑動(dòng)破壞的主要依據(jù)之一,所以需要對(duì)滑體的塑性狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。圖7、圖8反映滑坡的穩(wěn)定性狀態(tài),其中左圖為各工況下(隧道處于不同位置),隧道開挖后的狀態(tài),右圖為各工況下抗剪系數(shù)折減達(dá)到失穩(wěn)臨界狀態(tài),根據(jù)以下模擬結(jié)果,對(duì)兩時(shí)刻的滑體塑性狀態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行分析。
圖7 Ⅴ級(jí)基巖中擾動(dòng)位于不同位置時(shí)的等效塑性應(yīng)力云圖
圖8 Ⅴ級(jí)基巖中擾動(dòng)位于不同位置時(shí)的等效塑性區(qū)云圖
3.2.1 等效塑性應(yīng)力分析
滑體危險(xiǎn)區(qū)域可由等效塑性應(yīng)力圖反映,可與不平衡推力法分析得出的滑體各區(qū)段特征進(jìn)行比較。根據(jù)不平衡推力法分析中的結(jié)論,主抗滑段為1~7號(hào)區(qū)域; 主滑段為8~11號(hào)區(qū)域;12~22號(hào)區(qū)域和23~26號(hào)分別為抗滑段和滑動(dòng)段。由有限元計(jì)算云圖可以看出等效塑性應(yīng)力范圍位于上述4個(gè)區(qū)域的交匯處,并且最大數(shù)值位于抗滑段和主滑段之間。對(duì)比可知不平衡推力法與采用數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果一致。
3.2.2 等效塑性應(yīng)變區(qū)分析
對(duì)于滑體塑性應(yīng)變區(qū),Ⅴ級(jí)基巖的情況下,隧道開挖后滑體塑性應(yīng)變區(qū)范圍和量值按從大到小排序依次為8號(hào)、23號(hào)、2號(hào)、14號(hào)滑塊區(qū)域。表明在8號(hào)區(qū)域下修建隧道時(shí),最為危險(xiǎn),在14號(hào)區(qū)域下修建隧道,較為安全。
坡體前緣最先進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài),對(duì)整體穩(wěn)定性的影響最大,為主要危險(xiǎn)區(qū)域??赏ㄟ^對(duì)前緣區(qū)域施作擋土墻等加固措施提高坡體穩(wěn)定性。
基于不平衡推力法和有限元強(qiáng)度折減法2種方法的計(jì)算和模擬,對(duì)比分析得到結(jié)論,可為類似工程提供參考:
(1)極限平衡法和數(shù)值模擬對(duì)于抗滑段和滑動(dòng)段的計(jì)算結(jié)果是一致的,這在一定程度上驗(yàn)證了數(shù)值模擬的合理性。
(2) 從滑體塑性應(yīng)變情況可以得出,在8號(hào)區(qū)域下修建隧道時(shí)是最為危險(xiǎn)的,而在14號(hào)區(qū)域下修建隧道較為安全。
(3) 滑坡體前緣為主要危險(xiǎn)區(qū)域,其變形過大會(huì)導(dǎo)致整體失穩(wěn),對(duì)前緣區(qū)域加固可有效提高坡體穩(wěn)定性。