徐勇 邱樹(shù)茂 李知軍 陳亮

1.云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司 云南 昆明 650000；2.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院 北京 100044；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所 北京 100081

引言

香（格里拉）-麗（江）高速公路位于我國(guó)滇西北高原地區(qū)，該地區(qū)山區(qū)分布廣泛，逢山開(kāi)隧的過(guò)程中，受工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和人為施工造成的影響，難免會(huì)引發(fā)各種地質(zhì)災(zāi)害。其中，隧道穿越滑坡體產(chǎn)生失穩(wěn)破壞是最常見(jiàn)的一種病害。本文采用數(shù)值模擬的方法，分析了洼里別隧道施工過(guò)程邊坡的穩(wěn)定與變形之間的關(guān)系。

1 工程概況

1.1 概況

根據(jù)實(shí)地調(diào)查及對(duì)當(dāng)?shù)卮迕竦恼{(diào)查訪問(wèn)，洼里別隧道進(jìn)口端分布一老滑坡體，自然斜坡在20世紀(jì)90年代發(fā)生過(guò)一次大規(guī)?；瑒?dòng)，滑坡周界清晰，圈椅狀滑坡地貌明顯?；麦w寬度約500m，長(zhǎng)約640m，滑體厚約50m，總體積約16000km3。據(jù)村民介紹，自2009年斜坡坡腳所在的松坡河上游修建水電站之后，該范圍內(nèi)的山體斜坡變形逐年減小，近幾年未見(jiàn)明顯的變形跡象。隨著隧道的開(kāi)挖，隧道洞口上方的斜坡體出現(xiàn)了向河側(cè)變形和沉降變形，后緣裂縫尚未貫通，滑坡側(cè)界及剪出口尚未形成，推測(cè)滑坡體處于主滑帶蠕動(dòng)階段向主滑體擠壓階段的過(guò)渡過(guò)程，尚處于暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)[1]。

研究區(qū)上覆第四系殘坡積層(Q4el+dl）含礫粉質(zhì)黏土、碎石土。下伏基巖為三疊系下統(tǒng)（T1）灰色、灰褐色板巖。洼里別隧道進(jìn)口斜坡為上覆第四系堆積體，主要為含礫粉質(zhì)黏土和碎石土。場(chǎng)區(qū)的地下水類型主要有2種，分別為第四系堆積層中的孔隙水和基巖裂隙水?；鶐r裂隙水主要為強(qiáng)風(fēng)化帶裂隙富水、導(dǎo)水，勘察期間鉆孔揭露的地下水位較高。

1.2 滑坡體特征

滑坡后緣表現(xiàn)為臺(tái)坎，整體走向5 5°，后緣陡坎高0.5～4m?；伦蠼缰饕憩F(xiàn)為錯(cuò)臺(tái)，錯(cuò)臺(tái)高約3～6m，整體走向340°。其中在右洞上方發(fā)現(xiàn)新近形成的錯(cuò)臺(tái)，下錯(cuò)高度約20cm?；掠医缯w走向314°，右界表現(xiàn)為陡坎，上部錯(cuò)臺(tái)表現(xiàn)不明顯，下部表現(xiàn)為陡坎，陡坎高2～5m不等?；虑熬壩挥谄麦w下部的松坡河內(nèi)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，松坡河與村民耕地兩者之間的坡面，大多數(shù)植被東倒西歪，多處見(jiàn)馬刀樹(shù)?；虑熬墸ㄆ麦w下部）坡面分布較多塊石，坡面土體潮濕，多處見(jiàn)地下水出露。松坡河附近見(jiàn)多處坍塌病害，坍塌體揭露地層主要為黑色碎石土。松坡河左岸（滑坡位于右岸）揭露中風(fēng)化板巖，量得片理產(chǎn)狀95°∠54°。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可以看出，該滑坡暫時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是在松坡河河流下切作用、地震作用、強(qiáng)降雨作用等多因素誘發(fā)下，滑坡可能復(fù)活失穩(wěn)。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型和材料參數(shù)

在工程地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)工程地質(zhì)資料，采用Midas GTS NX軟件建立滑坡和隧道的三維地質(zhì)模型（圖1），充分利用范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)資料和試驗(yàn)資料，采用有限差分法，導(dǎo)入FLAC3D軟件模擬自然、開(kāi)挖、降雨、地震等多種工況，計(jì)算滑坡與隧道的位移和變形，分析斜坡體和隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變，研究滑坡與隧道的變形規(guī)律和相互作用關(guān)系，揭示滑坡作用下隧道受力情況、變形特征和失穩(wěn)破壞機(jī)理，評(píng)價(jià)影響范圍和可能產(chǎn)生的工程地質(zhì)問(wèn)題[2]。根據(jù)地質(zhì)資料，計(jì)算中采用的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

圖1 洼里別滑坡-隧道數(shù)值模型

圖2 隧道剖面塑性變形區(qū)分布云圖

表1 斜坡體巖土層參數(shù)表

表2 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

2.2 斜坡計(jì)算結(jié)果分析

斜坡有限元計(jì)算結(jié)果如圖2。從塑性區(qū)分布圖可以看出，塑性區(qū)的分布范圍非常廣泛，主要分布在隧道上部及下部的滑體處，塑性區(qū)并未完全貫通，斜坡未出現(xiàn)整體滑移破壞。但隧道開(kāi)挖引起斜坡發(fā)生局部剪切破壞，主要位于隧道進(jìn)口處上方50m和下方80m區(qū)域內(nèi)，滑坡后緣發(fā)生張拉破壞?？傮w來(lái)說(shuō)，隧道的開(kāi)挖引起了滑坡體產(chǎn)生一定的位移，其中Y和Z方向的變形相對(duì)較大，主要由于隧道開(kāi)挖引起圍巖的卸荷，導(dǎo)致圍巖向洞室方向變形移動(dòng)，隧道頂部產(chǎn)生一定范圍的卸荷帶（沉降較大的范圍），使得地表產(chǎn)生一定的沉降。與此同時(shí)，受隧道開(kāi)挖影響，滑坡體產(chǎn)生變形移動(dòng)帶動(dòng)隧道產(chǎn)生變形[3]。

2.3 隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果分析

通常來(lái)講，由于巖土體的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)或者隧道開(kāi)挖方式等多方面的影響因素，隧道開(kāi)挖可能對(duì)洞徑3～5倍范圍內(nèi)的圍巖造成擾動(dòng)。在斜坡不良地質(zhì)體內(nèi)開(kāi)挖隧道，滑坡體的變形和應(yīng)力的變化與隧道的變形及應(yīng)力變化是相互影響的。在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，隧道周圍巖土體的應(yīng)力應(yīng)變會(huì)直接關(guān)系到斜坡整體的穩(wěn)定性。雖然隧道開(kāi)挖時(shí)斜坡體的應(yīng)力沒(méi)有出現(xiàn)較大的變化，但滑坡體的滑動(dòng)變形直接影響隧道結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力變化[4]。

通過(guò)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行分析可知，隧道開(kāi)挖后隧道襯砌X方向的位移主要向X正方向變形，隧道洞口至洞內(nèi)60m處X方向的變形位移1.2～1.7cm；隧道的拱頂比拱底的位移更大，隧道左幅襯砌的位移比右幅襯砌的位移更大；隧道襯砌Y方向的位移主要向河側(cè)方向（Y負(fù)方向）變形，從隧道洞口至洞內(nèi)60m范圍內(nèi)Y方向的變形量為0.4cm～1.04cm，超過(guò)60m至大里程方向范圍的隧道部分基本沒(méi)有位移，推測(cè)滑坡的最深滑動(dòng)面在距離洞口60m附近。在進(jìn)洞60m范圍內(nèi)襯砌的最大位移主要集中在隧道頂部的位置，且左幅隧道襯砌的位移比右幅隧道襯砌的位移較大，在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，隧道左幅的襯砌開(kāi)裂程度比右幅的嚴(yán)重，與實(shí)際現(xiàn)象相符合。主要原因是隧道開(kāi)挖擾動(dòng)導(dǎo)致隧道頂部部分的土體松動(dòng)，牽引更遠(yuǎn)的巖土體產(chǎn)生松動(dòng)變形，從而引起局部巖土體的滑動(dòng)變形，滑坡體的下滑推力作用在隧道襯砌上，襯砌混凝土的強(qiáng)度無(wú)法承受下滑推力，使得襯砌產(chǎn)生變形。因此隧道的變形主要是沿著滑動(dòng)面的剪切變形。隧道內(nèi)襯砌Z方向的位移主要向沉降方向（Z負(fù)方向）變形，從隧道洞口至洞內(nèi)60m范圍內(nèi)Z的變形量為0.3cm～1.6cm。Z方向的變形主要集中在左幅隧道上，在拱頂處位移最大，達(dá)到1.6cm。

由以上結(jié)果可以看出，隧道穿越斜坡體的中部時(shí)，在隧道開(kāi)挖的擾動(dòng)下，斜坡的應(yīng)力和位移發(fā)生重分布，開(kāi)挖破壞了斜坡體原有平衡，坡體內(nèi)的應(yīng)力和位移發(fā)生重分布，開(kāi)挖面形成一個(gè)自由面，隧道圍巖產(chǎn)生松動(dòng)，引起隧道上部分的滑體向下產(chǎn)生擠壓蠕動(dòng)變形，從而誘發(fā)滑坡的變形蠕動(dòng)，滑體產(chǎn)生下滑推力，滑體的下滑推力作用在隧道上超過(guò)了襯砌混凝土的強(qiáng)度，使得隧道進(jìn)口段60m范圍內(nèi)的隧道結(jié)構(gòu)受到較大的滑坡推力擠壓作用，產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力和位移變形，使其出現(xiàn)變形開(kāi)裂，隨著隧道的進(jìn)一步開(kāi)挖，滑坡體的變形量增加，襯砌開(kāi)裂也迅速發(fā)展。滑坡體變形產(chǎn)生下的滑推力作用在隧道頂部，隧道的底部受到向上的土體抗力，隧道在滑動(dòng)面處受到的剪力和彎矩都達(dá)到最大，隧道很容易在滑面處剪切破壞，造成隧道襯砌的變形開(kāi)裂，當(dāng)隧道產(chǎn)生變形后，使得周圍巖土體更加松動(dòng)，使斜坡體產(chǎn)生下滑蠕變，導(dǎo)致斜坡穩(wěn)定性下降，滑體產(chǎn)生更大的變形，加劇隧道變形。而且斜坡體的下滑力對(duì)隧道產(chǎn)生的偏壓作用使得隧道受力不均，襯砌產(chǎn)生非對(duì)稱受力和變形[5]。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)建立了香麗高速公路洼里別隧道三維地質(zhì)模型，模擬斜坡在隧道開(kāi)挖工況下情形。分析了滑坡與隧道在開(kāi)挖工況下的應(yīng)力應(yīng)變以及位移情況。研究表明在隧道開(kāi)挖的擾動(dòng)下，隧道圍巖產(chǎn)生松動(dòng)，引起隧道上部分的滑體向下產(chǎn)生擠壓蠕動(dòng)變形，滑體的下滑推力作用在隧道上，并超過(guò)了襯砌混凝土的強(qiáng)度，使得隧道結(jié)構(gòu)受到較大的滑坡推力擠壓作用，產(chǎn)生較大的位移變形，同時(shí)，也使得隧道襯砌周圍的巖體進(jìn)一步松動(dòng)變形，牽引斜坡更大范圍的蠕滑變形，導(dǎo)致斜坡穩(wěn)定性下降，加劇隧道變形。