坡面平行型洞口段隧道塌方演化机理研究

李 奥 董 飞 黄 俊 孙振宇 卢志飞

(1.苏交科集团股份有限公司，南京 210019； 2.北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室，北京 100044)

隧道洞口段一般处于坡度较陡的浅埋偏压地段，且围岩破碎程度高，成拱效应差，围岩一旦破坏，易波及地表造成地面塌陷[1]。隧道轴线与边坡的走向之间的角度不同，使得洞口段隧道塌方形态有所差异。坡面平行型洞口是指隧道轴线与坡面走向基本上一致，隧道左右两侧偏压明显，安全风险较大，隧道开挖常会诱发山体滑坡和隧道拱顶薄弱处塌方。另外，隧道洞口与滑移线位置不同，其引发的隧道塌方模式和特性差异较大，分别为隧道处在滑移线内形成的整体式塌方以及隧道与滑移线相交形成的挤压式剪切塌方[2]。

当前，针对坡面平行型洞口段隧道开挖引发的边坡和隧道围岩稳定性问题，已有学者开展大量研究。闫天玺等从地质角度发现浅埋偏压洞口段隧道围岩失稳的影响因素，提出围岩破坏模式可归结为重力坍塌和膨胀内鼓的协同破坏模式[3]；于群群等结合监测数据和数值模拟方法，分析了隧道洞口段围岩的破坏机制，提出隧道浅埋侧拱肩处易出现拱形拉伸屈服塑性带是引发围岩失稳的关键[4]；朱小鹏采用有限元软件ABAQUS，研究了不同开挖方法对隧道洞口浅埋偏压段围岩稳定性的影响[5]；陈云超基于有限差软件FLAC3D，分析边坡坡率、岩层倾角和隧道埋深等因素对隧道洞口边坡稳定性影响[6]；张维基于现场施工和数值模拟，研究了隧道洞口段施工过程中出现失稳破坏的原因[7]；唐沅基于应用极限平衡理论和有限元数值模拟方法(MIDAS NX)，对隧道明挖后未支护边坡进行稳定性计算[8]；左清军等将突变理论和监测数据的结合，开展浅埋偏压隧道围岩突变失稳分析[9]；王伟等对浅埋偏压隧道口的软弱围岩综合加固处治和超前支护措施进行了系统性的研究[10]。当前相关研究对洞口段隧道开挖可能引发的围岩失稳机理已经有清晰认识，但对边坡的扰动规律缺乏定量分析，而洞口段隧道与边坡的滑移线之间的复杂位置关系，使得洞口段隧道位置的确定、安全性控制措施的选择缺乏理论依据。以下基于有限元极限法，分析边坡自身的稳定性，进一步考虑隧道开挖的位置对边坡和隧道安全性的影响进行分析，同时研究坡面平行型隧道洞口段隧道安全性控制措施。

1 基于有限元极限法的边坡安全性分析

有限元极限分析法(FELA)将经典塑性极限定理与有限元相结合，充分利用有限元离散处理复杂土层、荷载和边界条件的强大能力[11-12]，以及塑性极限分析法可以从下限和上限两个方向逼近极限破坏真实解的精确计算优点，无需假定破坏模式，通过数学优化方式自动搜索最优的破坏模式，并给出破坏荷载和安全系数的严格上下解。其中，OptumG2软件是一款专门用于岩土工程的有限元极限分析软件。

1.1 考虑抗拉强度同步折减的安全系数

边坡的安全性分析中常采取剪切强度折减法，对剪切强度参数c，tanφ进行折减，通过输入不同的折减系数来迭代计算边坡的安全系数[13-14]，研究表明，考虑c，tanφ抗剪参数的强度折减法，只适用于压剪型破坏，且在抗剪强度折减过程中，c，tanφ表示的抗拉强度并没有得到同等折减。因此，过高估计材料的抗拉能力，会使计算的安全系数偏大；而对于受拉破坏的情况，其破坏取决于围岩的抗拉强度，过高估计抗拉强度，会使计算结果偏危险。以下对摩尔-库伦屈服准则进行修正，采用拉伸截断来描述拉应力作用下的屈服，如图1所示。图中，c为黏聚力；φ为内摩擦角；T为抗拉强度；φt为拉应力截断的倾角。

图1 考虑抗拉强度的摩尔库伦强度准则

基于OptumG2软件，利用边坡算例进行强度折减分析[15]，模型中，边坡高100 m，边坡坡率为1∶0.2。采用剪切破坏和拉剪破坏强度准则折减下边坡总耗散图(见图2)，可以看出，压剪破坏下坡脚和后缘大致处于一个圆弧上，而拉剪破坏强度准则下后缘近似于垂直，表明后缘受拉破坏。剪切破坏和拉剪破坏强度准则折减下的安全系数分别为1.242，1.142，拉剪破坏下的安全系数较小。对于大多数边坡的破坏，应为“张拉+剪切”的复合破坏模式，边坡前缘多为剪切破坏，而后缘往往会产生拉裂破坏，且高陡边坡后缘的张拉破坏更为明显。因此，在张拉破坏的情况下，采用“拉剪强度同等折减的强度折减法”计算的结果与边坡实际破坏方式更为接近，安全系数也更精确。

图2 两种强度准则下的边坡总耗散能量(单位：kJ)

1.2 边坡安全系数分析

基于有限元极限分析方法分析隧道未开挖时土质边坡自身稳定性，其中，黏聚力c=100 kPa；抗拉强度T=0 kPa，φt=90°；内摩擦角φ=25°；边坡角β=45°；边坡高度h=50 m；重度γ=20 kN/m3。网格划分结果见图3，模型网格自适应迭代次数为3，当单元数目为500、1 000和2 000时，上限解安全系数分别为1.469、1.44和1.434，下限解安全系数分别为1.407、1.42和1.423。随着单元数目的增加，上下限解的差异逐渐减小。设置网格数目为2 000即可满足精度要求。极限分析方法模拟边坡稳定性结果见图4、图5，剪切耗散能即剪切耗散功率是材料塑性破坏的重要指标，指剪切力沿着隧道开挖面剪切破坏面所做的功率，从剪切耗散能的云图可以看出，存在明显的剪切耗散能集中，集中的边界即是边坡失稳的破坏面。同时可以得到，极限分析结果与极限平衡安全系数结果(FS=1.43)吻合[16]，滑移线位置也基本一致(见图6)。

图3 网格划分结果(单元数2 000)

图4 边坡剪切耗散能量(单位：kJ)

图5 边坡总变形(单位：mm)

图6 基于极限平衡法的边坡安全系数

2 坡面平行型洞口段隧道塌方机理

对于坡面平行型隧道洞口，隧道开挖易诱发山体滑坡和隧道拱顶薄弱处塌方。坡面平行型隧道拱顶塌方主要有两类[17]：一类是隧道整体在滑坡体中，随滑坡体整体滑动塌方；二类是隧道与坡体滑面相交，在滑坡体滑动挤压下发生塌方(见图7)。分析隧道与边坡的二维空间位置对隧道与边坡安全性影响时，应考虑处于最危险状态隧道对边坡的影响，此时隧道未得到有效支护，即隧道存在未支护段。以下研究隧道开挖存在未支护时对边坡的扰动，使得边坡产生滑移失稳，进而引发隧道失稳的过程。

图7 坡面平行型洞口段隧道塌方类型

2.1 隧道位置对边坡和隧道安全性的影响

在洞口段边坡处进行隧道开挖，不可避免地会对边坡造成一定影响，使得边坡安全系数降低，使其从安全状态向非安全状态发展。边坡参数与上节一致，假定圆形隧道直径为10 m，当隧道圆心与边坡中点水平距离变化时，得到隧道与边坡不同水平距离下模型剪切耗散能(见图8)和安全系数结果(见图9)。

图8 不同水平距离下模型的剪切耗散能(单位：m)

由图8、图9可知，随着隧道从水平方向逐渐远离边坡坡面，安全系数呈现先减小后增大趋势，其原因是隧道开挖后未采取支护，使得隧道围岩松动变形，进而引起边坡滑动。隧道先逐渐靠近边坡滑移线，与滑移线相交后逐渐远离滑移线，当隧道与边坡滑移线相交时，安全系数最低为1.18。安全系数最低时即隧道开挖最危险位置，隧道和边坡失稳塌方风险较大，可能导致塌方掩埋隧道。

图9 边坡安全系数与水平距离的关系

当隧道圆心与边坡中点水平距离为10 m，得到隧道与边坡不同竖向距离下模型的剪切耗散能(见图10)和安全系数(见图11)。与上文的结论基本一致，越靠近隧道滑移线，安全系数越低。当隧道开挖处于滑移线的正下方，且靠近边坡的坡脚时，边坡的安全系数也较低。故隧道从水平方向远离边坡的滑移线比从竖直方向远离边坡的滑移线更为安全。

图10 不同竖向距离下模型的剪切耗散能(单位：m)

图11 边坡安全系数与竖向距离的关系

2.2 隧道位置建议

《铁路隧道设计规范》给出了偏压隧道外侧拱肩山体最大覆盖厚度t[18](见图12)，此建议值只顾及边坡的坡面角度，而未考虑边坡高度和边坡滑移面位置等。一般情况下，最大覆盖厚度应结合边坡的破裂面进行考虑，根据坡脚和隧道滑移线的位置(见图13)，将隧道可能出现的区域划分为A、B、C区，根据3个区域内隧道距离坡脚和隧道滑移线的距离，以及前文多种工况下的安全系数对比，可以得知3个区域内安全系数依次增大，即FSA

图12 偏压隧道外侧拱肩最大覆盖厚度建议值

图13 洞口段隧道位置分布

3 安全控制措施

当边坡自身的安全系数较低，或由于隧道开挖使得边坡的安全系较低时，边坡和隧道的安全性无法满足要求，可采取反压回填措施或采取边坡加固措施(注浆加固、锚索、锚杆或土钉等)[19]。同时可以采用周边帷幕注浆加固或大管棚支护等隧道超前支护和加固措施，以减小隧道施工对边坡的扰动。

3.1 隧道周边帷幕注浆加固

以隧道圆心与边坡坡面中点水平距离为25 m，竖向距离为0 m位置处隧道为例，此时隧道与边坡滑移线相交，未采取加固措施时边坡安全系数为1.17。当采取厚度为0.5 m、1 m、2 m和3 m周边帷幕注浆，注浆材料黏聚力c=500 kPa，内摩擦角φ=35°，开挖后，边坡安全系数分别为1.275、1.32、1.38和1.43，接近边坡未受开挖时安全系数上限解1.434。从剪切耗散图(见图14)可见，即使隧道与边坡初始滑移线相交，但采取注浆加固后进行隧道开挖，当注浆厚度达到一定时(2 m)，边坡滑移线较为完整，表明在注浆加固后的围岩能够对隧道施工扰动进行隔离，减小隧道施工对边坡滑移线的扰动。

图14 周边帷幕注浆加固下边坡的剪切耗散能

3.2 坡脚反压回填

通过对边坡的坡脚采取反压回填措施，得到边坡的剪切耗散能(见图15)，由图15可知，反压回填本质上起到降低了边坡的高度的作用，使得边坡滑移线向上移动，滑移线的角度减小。当边坡回填2 m、5 m、7.5 m和10 m时，边坡的安全系数分别为1.15、1.20、1.21和1.23。回填后，边坡安全系数有较大提高，且回填高度越大，控制效果越好，但反压回填效果低于帷幕注浆效果，且无法避免对边坡滑移线造成影响。

图15 反压回填下边坡的剪切耗散能

4 结论

基于有限元极限分析方法，研究边坡自身的稳定性，进一步考虑隧道开挖的位置对边坡和隧道安全性的影响进行分析，并研究坡面平行型隧道洞口段隧道安全性控制措施。相关结论如下。

(1)剪切破坏和拉剪破坏强度准则折减下的安全系数分别为1.242，1.142，拉剪破坏下的安全系数较小。采取考虑张拉剪切同步折减的边坡安全系数计算方法，能够真实模拟边坡的失稳，确保安全系数的结果更准确。

(2)隧道位置越靠近边坡的滑移线，边坡的安全系数越低，故隧道应尽量远离边坡的坡脚和潜在滑移面位置，且隧道应整体往上移动，避免隧道处于边坡滑移线的下方。

(3)反压回填措施本质上起到降低边坡的高度的作用，通过对隧道施工扰动进行有效隔离，均使得边坡的安全系数有所提升。当注浆厚度达到一定时(2 m)，注浆加固隔离效果较好，边坡滑移线完整。注浆加固的效果明显优于反压回填。