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。

1 工程背景

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

2 不平衡推力法分析滑坡穩(wěn)定性

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。

2.1 滑塊劃分及計(jì)算結(jié)果

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)。

2.2 結(jié)果分析

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)。

3 有限元強(qiáng)度折減法分析滑坡穩(wěn)定性

3.1 模型參數(shù)

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)

3.2 計(jì)算結(jié)果

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。

4 結(jié)論

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。