摘要：為研究隧道開挖工法對高陡邊坡下隧道洞口區(qū)穩(wěn)定性的影響，文章依托某實(shí)際隧道工程，采用FLAC3D軟件建立了相應(yīng)的三維模型，對三臺階法、環(huán)形預(yù)留核心土法和CRD法開挖施工進(jìn)行模擬分析，并與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，得到如下結(jié)論：（1）對比三種工法開挖時(shí)隧道圍巖和邊坡變形可知，CRD法為最適宜，采用該工法開挖隧道時(shí)，洞口區(qū)圍巖和邊坡變形最??；（2）數(shù)值模擬所得圍巖及邊坡變形變化規(guī)律與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果基本一致，故采用數(shù)值法進(jìn)行隧道施工優(yōu)化具有一定的可行性；（3）為減少隧道開挖對洞口區(qū)邊坡的影響，采用CRD法進(jìn)行隧道開挖，結(jié)合錨索預(yù)加固可有效提高邊坡穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：隧道洞口區(qū)；高陡邊坡；圍巖變形；邊坡穩(wěn)定性；FLAC3D；CRD法；隧道開挖

中圖分類號：U453.1

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，交通規(guī)劃規(guī)模不斷增大，隧道工程的修建也不斷增多，但同時(shí)也帶來了許多技術(shù)問題。隧道洞口區(qū)高陡邊坡失穩(wěn)和圍巖坍塌現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，故為了提高隧道施工的安全性，對隧道洞口區(qū)邊坡及圍巖穩(wěn)定性的研究至關(guān)重要。對此，大量學(xué)者進(jìn)行了深入研究。張京伍等［1］基于極限分析上限法分析了存在孔隙水壓力作用時(shí)，隧道洞口仰坡坡頂裂縫分布位置對其整體穩(wěn)定性的影響。王凱等［2］以四川某淺埋偏壓隧道為例，利用Midas軟件研究了降雨入滲對洞口邊坡的影響，并對比分析了錨索和抗滑樁兩種結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果。徐平等［3］采用強(qiáng)度折減法反演了某隧道洞口邊坡的穩(wěn)定性，獲取了相應(yīng)的巖體強(qiáng)度參數(shù)，據(jù)此設(shè)計(jì)了相應(yīng)的支護(hù)措施，并通過工程實(shí)踐驗(yàn)證其支護(hù)效果。張志強(qiáng)等［4］利用FLAC 3D軟件分析了隧道開挖時(shí)，洞口邊坡的變形失穩(wěn)模式，并進(jìn)一步分析了采空區(qū)對坡體變形的影響。邵珠山等［5］利用ABAQUS軟件分析了邊坡坡腳、降雨入滲及隧道開挖等因素對隧道洞口邊坡穩(wěn)定性的影響，并探討了不同支護(hù)措施的加固效果。倪向龍等［6］根據(jù)6組黃土地區(qū)隧道洞口滑坡的典型案例，進(jìn)行深入的理論分析，并利用數(shù)值模擬研究了隧道開挖對邊坡變形的影響。上述研究證明了數(shù)值模擬應(yīng)用于隧道圍巖和邊坡變形分析的可靠性，但未對隧道開挖工法進(jìn)行深入分析。本文依托某實(shí)際工程，利用FLAC 3D軟件研究了三種隧道開挖工法對隧道洞口區(qū)圍巖及邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

依托工程隧道總長為1 622 m，其埋深最大處為134 m。隧道洞口處邊坡植被稀少、風(fēng)化嚴(yán)重，因人類活動影響，其坡度約為60°。在天然狀態(tài)下，隧道洞口邊坡尚能保持穩(wěn)定，但是由于邊坡自身土層力學(xué)性質(zhì)較差，且地表存在多條可見裂縫，故其一旦受到隧道施工的擾動，極易產(chǎn)生較大變形。分析該邊坡情況可知，隧道施工可能造成其內(nèi)部產(chǎn)生張拉或剪切破壞，從而導(dǎo)致滑坡災(zāi)害的發(fā)生。

隧道洞身周圍主要為坡積土和風(fēng)化巖，圍巖等級多為Ⅳ、Ⅴ級，其內(nèi)部裂隙發(fā)育，地下水發(fā)育。在未有干擾的情況下，圍巖在重力作用下處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是隧道開挖施工會使其內(nèi)力發(fā)生重分布，當(dāng)其內(nèi)力超過土體能承受的強(qiáng)度時(shí)，圍巖會產(chǎn)生較大的塑性變形。考慮到該隧道圍巖松散破碎、難以形成穩(wěn)定拱結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可認(rèn)為隧道存在極大的局部塌陷風(fēng)險(xiǎn)，需要采取一定的支護(hù)措施。

2 數(shù)值模型及參數(shù)

為研究隧道開挖過程中，圍巖和邊坡的變形規(guī)律，本文采用FLAC 3D軟件，基于工程實(shí)際情況進(jìn)行一定簡化，建立三維數(shù)值模型及相應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)如圖1所示。

模型底部設(shè)置全約束，四周設(shè)置法向約束，坡表無約束。模型采用Mohr-Coulomb本構(gòu)，用1單元模擬隧道開挖過程。根據(jù)工程設(shè)計(jì)，洞口段采用超前大管棚和超前小導(dǎo)管進(jìn)行支護(hù)，洞身段采用錨桿混凝土進(jìn)行支護(hù)。其中管棚采用pile單元模擬，小導(dǎo)管采用beam單元模擬，錨桿采用cable單元模擬，混凝土采用實(shí)體單元模擬。隧道圍巖及支護(hù)參數(shù)如表1所示。

3 隧道施工優(yōu)化

隧道開挖常見的方法主要有三臺階法、環(huán)形預(yù)留核心土法以及交叉中隔墻（CRD）開挖法。三臺階法將隧道分為上下兩個(gè)工作面，而后按一定順序進(jìn)行開挖。環(huán)形預(yù)留核心土法常用于圍巖較為軟弱的區(qū)域，先保留核心部分土體，進(jìn)行上拱面開挖和支護(hù)，后再進(jìn)行其他部分開挖。該方法對圍巖擾動相對較小，可以極大地提高隧道開挖的安全性，但也存在開挖步距過小等問題。CRD法常用于洞徑較大、圍巖較為軟弱的隧道，將其分成了左右兩部分開挖，每開挖步進(jìn)尺相對較少，而中隔墻的存在大大加強(qiáng)了支護(hù)效果。

各方法具體開挖和支護(hù)流程示意圖如圖2所示。

3.1 隧道圍巖變形對比

采用三臺階法進(jìn)行隧道開挖施工模擬時(shí)，隧道圍巖在拱頂處產(chǎn)生較大的豎向位移，表現(xiàn)為沉降變形，最大值約為36 mm。拱底表現(xiàn)為向上隆起，究其原因是該開挖法形成的斷面較大，從而導(dǎo)致偏應(yīng)力增加，使圍巖產(chǎn)生了一定的膨脹。拱腳和拱腰處表現(xiàn)為較大的水平變形，最大值約為12 mm，水平變形發(fā)生在初支之前，究其原因是隧道圍巖力學(xué)性質(zhì)較差，且隧道開挖擾動較大，使其初始應(yīng)力平衡狀態(tài)發(fā)生了變化，從而產(chǎn)生變形破壞。因此在隧道開挖施工前，應(yīng)當(dāng)采取一定措施，進(jìn)行預(yù)加固。

采用環(huán)形預(yù)留核心土法進(jìn)行隧道開挖，因核心土開挖順序略靠后，可提供一定的臨時(shí)支撐作用，減少了對圍巖的擾動，故而可在初支前對圍巖變形起到一定的控制作用。模擬此方法進(jìn)行開挖施工所得拱頂最大沉降變形較小于三臺階開挖法，約為27.5 mm。因應(yīng)力的擠壓作用，隧道拱底表現(xiàn)為向上隆起。拱腳和拱腰處的水平變形約8.5 mm。

采用CRD工法進(jìn)行隧道開挖時(shí)，其最大沉降變形發(fā)生于拱頂左側(cè)，靠近中隔墻位置處，其值約為22 mm，拱底表現(xiàn)為向上隆起，其變形值小于前兩種方法。拱腰處水平變形最大，其值為7 mm。相較于三臺階法與環(huán)形預(yù)留核心土法，采用CRD法進(jìn)行隧道開挖施工時(shí)，圍巖變形最小，究其原因是中隔墻的存在減少了工作面的進(jìn)尺空間以及開挖對非鄰近區(qū)域圍巖的擾動。此外，仰拱的存在也很好地控制了圍巖變形。

三種工法下隧道拱頂?shù)某两底冃稳鐖D3所示。由圖3可知，三種工法施工時(shí)，隧道拱頂沉降變形規(guī)律基本一致，在初始開挖時(shí)，因隧道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，故拱頂沉降值急劇增大。而隨著開挖進(jìn)深的不斷增加，隧道支護(hù)的逐漸完善，開挖區(qū)逐漸遠(yuǎn)離監(jiān)測斷面，拱頂沉降變形速率逐漸減小，其值也逐漸趨于平穩(wěn)。對比三種工法下拱頂沉降值可知，采用CRD法開挖時(shí)，隧道拱頂沉降值最小，圍巖相對穩(wěn)定。

三種工法下隧道拱腰處的水平變形如下頁圖4所示。由圖4可知，三種工法施工時(shí)，隧道拱腰水平變形規(guī)律基本一致，在初始開挖時(shí)，拱腰水平變形隨著開挖進(jìn)深的增大而增大；而后隨著隧道開挖斷面遠(yuǎn)離監(jiān)測斷面及圍巖支護(hù)的完善，拱腰水平變形速率逐漸減小，其值也逐漸趨于平穩(wěn)。對比三種工法下拱腰水平變形值可知，采用CRD法開挖時(shí)，隧道拱腰水平變形最小，圍巖相對穩(wěn)定。故綜合考慮隧道圍巖豎向及水平變形，CRD法開挖對隧道圍巖的影響最小。

3.2 隧道洞口區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析

采用三臺階法進(jìn)行隧道開挖時(shí)，洞口區(qū)邊坡土體存在向下滑移的趨勢，最大沉降位移值約為83 mm。邊坡自坡腳到坡肩形成了貫通且連續(xù)的滑動面，且在坡腳處出現(xiàn)了最大剪應(yīng)變率，說明隧道開挖對洞口區(qū)邊坡坡腳產(chǎn)生了較大的擾動。使用強(qiáng)度折減法計(jì)算得到隧道開挖后邊坡的安全系數(shù)為0.93，為不穩(wěn)定狀態(tài)。由上可知，三臺階法開挖隧道對洞口區(qū)邊坡有較大的擾動，可能造成滑坡等災(zāi)害的發(fā)生，故需要采取一定的措施對邊坡進(jìn)行支護(hù)和加固。

采用環(huán)形預(yù)留核心土法進(jìn)行隧道開挖時(shí)，洞口區(qū)邊坡土體存在向下滑移的趨勢，最大沉降位移值約為80 mm。邊坡最大剪應(yīng)變率出現(xiàn)于坡腳處，逐漸向上延伸至坡肩處，其滑動面尚未貫通，但存在分段滑移的趨勢。使用強(qiáng)度折減法計(jì)算得到隧道開挖后邊坡的安全系數(shù)為1.06，其穩(wěn)定狀態(tài)好于三臺階法開挖，但仍存在潛在滑動趨勢。故采取該方法施工時(shí)，需要對邊坡變形進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)減少開挖擾動，加強(qiáng)邊坡支護(hù)，避免滑動面貫通，形成滑坡。

采用CRD法進(jìn)行隧道開挖時(shí)，洞口區(qū)邊坡土體存在向下滑移的趨勢，最大沉降位移值約60 mm。邊坡最大剪應(yīng)變率出現(xiàn)于邊坡中部偏上位置，自坡腳至坡肩存在分段滑移趨勢，一旦受到擾動，即可形成連續(xù)貫通的滑動面。使用強(qiáng)度折減法計(jì)算得到隧道開挖后邊坡的安全系數(shù)為1.14，其穩(wěn)定狀態(tài)較前兩種工法更好，但為避免人為擾動及其他外部因素的影響，還是應(yīng)當(dāng)采取一定的措施加固支護(hù)邊坡，避免其產(chǎn)生滑動破壞。

由上可知，采用CRD工法進(jìn)行隧道開挖時(shí)，對隧道洞口區(qū)邊坡穩(wěn)定性的影響最小，故該工法最為適宜。

4 現(xiàn)場監(jiān)測對比

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果實(shí)際工程采用CRD法進(jìn)行施工，采用初支和二襯相結(jié)合的支護(hù)方式，對現(xiàn)場隧道斷面相同位置處進(jìn)行監(jiān)測，得到其拱頂沉降和水平變形結(jié)果如圖5所示。由圖5（a）可知，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬所得拱頂沉降變化規(guī)律基本一致，可隨著隧道開挖進(jìn)深的增加，將拱頂沉降變形分為急劇上升期和逐漸平穩(wěn)期。在急劇上升期時(shí)，隧道拱頂沉降變形量可達(dá)總變形量的50%，后增長率逐漸降低，最終到達(dá)平穩(wěn)狀態(tài)。由圖5（b）可知，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬所得水平變形變化規(guī)律基本一致，隨著隧道開挖進(jìn)深的增加，先急劇增大，后逐漸趨于穩(wěn)定?，F(xiàn)場實(shí)測值略大于數(shù)值模擬結(jié)果，主要是因?yàn)閿?shù)值模擬存在一定的簡化，考慮到的影響因素相對較少。對比圖5（a）、圖5（b）兩圖可知，隧道拱頂沉降值遠(yuǎn)大于水平變形值，故應(yīng)當(dāng)對拱頂圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測，并加強(qiáng)支護(hù)，以控制其變形。

設(shè)計(jì)采用12排9列鉆孔孔徑為16 mm的6根鋼絞線錨索對坡面進(jìn)行加固，設(shè)計(jì)其張拉力為700 kN，其余參數(shù)見表1。采用CRD法進(jìn)行隧道開挖施工模擬，可得錨索加固后邊坡最大沉降位移值約33 mm，相較于不加固時(shí)，降低了27 mm。使用強(qiáng)度折減法計(jì)算得到此時(shí)邊坡的安全系數(shù)為1.3 穩(wěn)定性較好。

對現(xiàn)場邊坡相同位置處進(jìn)行監(jiān)測，得到其監(jiān)測點(diǎn)1和監(jiān)測點(diǎn)2沉降變形對比結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，現(xiàn)場監(jiān)測所得邊坡各監(jiān)測點(diǎn)沉降變形規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，在初始開挖時(shí)，沉降值急劇增大，后沉降增加率逐漸降低，其值逐漸趨于穩(wěn)定。故可知，隧道開挖初始時(shí)對邊坡穩(wěn)定性的影響較大，應(yīng)當(dāng)對洞口邊坡變形進(jìn)行監(jiān)測，并采取一定措施進(jìn)行支護(hù)。而現(xiàn)場監(jiān)測最終結(jié)果值略大于數(shù)值模擬，究其原因是工程實(shí)際情況較數(shù)值模擬更為復(fù)雜，影響因素多。監(jiān)測點(diǎn)1距離隧道較近，監(jiān)測點(diǎn)2距離隧道較遠(yuǎn)，對比監(jiān)測點(diǎn)1和監(jiān)測點(diǎn)2的沉降值可知，監(jiān)測點(diǎn)1最終沉降值遠(yuǎn)大于監(jiān)測點(diǎn) 由此可見，邊坡距離隧道較近的區(qū)域受開挖施工的影響更大。

由圖6可知，隧道洞口區(qū)圍巖及邊坡變形的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，故可認(rèn)為數(shù)值模擬結(jié)果具有一定的可信度，可為類似工程提供借鑒。

5 結(jié)語

為研究隧道開挖工法對高陡邊坡下隧道洞口區(qū)穩(wěn)定性的影響，本文依托某實(shí)際隧道工程，采用FLAC 3D軟件建立相應(yīng)的高陡邊坡隧道洞口區(qū)三維模型，模擬了三臺階法、環(huán)形預(yù)留核心土法和CRD法開挖施工對隧道洞口區(qū)圍巖及邊坡變形的影響，并對工程現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測，得到如下結(jié)論：

（1）利用數(shù)值模擬分析三種工法開挖隧道圍巖和邊坡變形可知，采用CRD法開挖時(shí)，隧道洞口區(qū)隧道圍巖變形和高陡邊坡沉降值最小，安全系數(shù)最大，未形成連續(xù)的滑動面；而采用三臺階法開挖時(shí)，隧道圍巖變形最大，邊坡出現(xiàn)貫通的滑動面，處于失穩(wěn)狀態(tài)；環(huán)形預(yù)留核心土法開挖時(shí)，隧道圍巖變形相對較小，邊坡也未形成連續(xù)的滑動面，但其安全系數(shù)接近 極易產(chǎn)生滑移現(xiàn)象。故CRD法為最適宜的隧道開挖方法。

（2）對比數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果可知，兩者所得隧道圍巖和邊坡變形變化規(guī)律基本一致，故可認(rèn)為采用數(shù)值法模擬隧道施工，優(yōu)化施工方法是可行的，可對其他類似工程提供借鑒。

（3）隧道開挖會造成圍巖應(yīng)力重分布，對邊坡產(chǎn)生一定的擾動，從而降低邊坡穩(wěn)定性，導(dǎo)致滑坡等災(zāi)害的發(fā)生。采用CRD法進(jìn)行隧道開挖施工，結(jié)合錨索對邊坡進(jìn)行預(yù)加固可有效提高邊坡的安全系數(shù)，增強(qiáng)其整體穩(wěn)定性。

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收稿日期：2023-10-21

作者簡介：潘 峰（1984—），主要從事公路橋隧等工程施工工作。