基于联合监测的隧道洞口仰坡稳定性分析

2018-07-04吴维洲

山西建筑 2018年15期

吴维洲

(成兰铁路有限责任公司，四川成都 610031)

0 引言

伴随着我国经济建设的快速发展，中西部交通建设不断加强，中西部由于复杂的地形环境和地质条件，公路和铁路隧道无可避免的要穿越不良地质体。隧道洞口段施工开挖诱发边坡的失稳，边坡的滑移引起隧道洞口段衬砌结构的变形，最终有可能导致隧道结构的完全破坏，这种问题主要是边坡和隧道相互作用所导致。目前国内外学者对穿越潜在滑坡段隧道做了大量的研究[1-3]，也取得了一些相应的研究成果。但在实际的潜在滑坡隧道加固工程中往往依据相关规范，把滑坡的加固治理与隧道衬砌的支护优化当作两个独立的工程进行考虑，以至于在治理滑坡的滑动问题和隧道的变形问题时不够经济科学。实践表明相当数量的滑坡隧道在隧道施工过程中出现不同程度的病害[4，5]多数都是由于没有将两者的相互作用关系进行系统研究导致的。

本文结合某隧道穿越滑坡段实际工程情况，通过不同的监测手段，结合隧道的稳定性对开挖隧道边坡稳定性进行分析研究，通过数值模拟手段来研究在不同降雨条件下边坡与隧道相互作用下边坡的稳定性状况以及隧道的变形特征。本文通过多技术手段多方法来研究在拥有不良地质体条件下的隧道边坡的变形特征，为滑坡和隧道相互作用机理的研究提供理论依据。

1 工程概况

该隧道左线全长19 974.3 m，右线全长20 044.0 m，为双洞分修隧道，左、右线间距为30 m～62.5 m，隧道进口紧邻双线大桥，在此处设置的车站伸入左、右线隧道。隧道经过不良地质体长度为80 m。隧道轴线与滑坡滑向斜交，夹角31°，隧道进口段地质情况如下：

该隧道仰坡属于不良地质体，规模较大，前缘宽约300 m，坡长150 m～200 m，地表植被发育，主要为松木和杂木，轴线方向N27°W，坡向SE，纵坡较陡，坡度30°～40°。坡面主要为第四系崩坡积层，物质主要为碎石土，稍密，稍湿，局部呈半胶结状，石质主要为白云质灰岩、白云岩，厚10 m～35 m，底部基岩为压碎灰岩，白云质灰岩。

根据设计文件对局部半胶结状碎石土的分析，该坡体较为古老，其所处区域地质构造运动强烈、频繁，前方雎水河迅速下切，中间又曾经形成过堰塞湖，水位曾经变化较大，坡面曾经发生多次崩落、堆积、冲刷的过程，故使该边坡在目前坡面较陡的情况下仍能处于稳定状态。

隧道与其仰坡的位置关系如图1所示。

2 隧道及其仰坡监测

2.1 隧道仰坡位移监测

2.1.1监测布置方案

在隧道仰坡布置降雨量监测、地表位移监测和深部位移监测。平行于边坡滑动方向，选择A—A监测断面布置8个地表位移监测点和2个深部位移监测孔，监测点布置图如图1,图2所示。

2.1.2降雨量监测

通过对工点区域的降雨量监测可知工点区域的雨季在每年的4月～10月，每年降雨量峰值月份在7月或8月。

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2.1.3地表位移监测

通过对地表位移监测发现在2016年8月～9月隧道开挖经过监测断面时滑坡地表的位移有较大的变化，位移变化最大为30 mm。隧道从滑坡体出洞后的长期时间段内地表的位移处于稳定状态，由于受到降雨的影响自2017年8月份开始地表位移又出现了明显增大的趋势，但是增大幅度不明显，当雨季结束后进入10月份地表位移再次进入稳定状态。

2.1.4深部位移监测

通过两个深部位移监测孔深部位移变化来看，在隧道穿过不良地质体出洞施工期间位移出现了增大现象，之后一直处于微变形的稳定阶段，两个深部位移监测点的全孔深累计位移最大均为40 mm。随着深度的增加，变形量逐渐趋于减小。

2.2 隧道应力监测

为了更近一步的了解隧道周围的受力情况，在隧道进行初次支护和二次衬砌的同时安装钢筋应力计，以此来监测隧道周围的受力状况，从而对隧道的稳定性进行评价。隧道监测断面选取在隧道轴线与滑坡错动相交位置处，见图3。

2016年9月9日完成隧道初次支护监测仪器的安装，2016年9月26日完成隧道仰拱的施工，2016年11月5日完成隧道二次衬砌监测仪器的安装。本文通过特定的时间节点或阶段对隧道应力监测进行如下分析。

钢筋应力计受力分析：通过图4,图5可以看出，在隧道完成初次支护与二次衬砌之间的时间段内，钢筋应力计受力持续增大，在应力增加到一定程度后便处于稳定状态并逐渐有减小的趋势。这表明随着初次支护的完成，随着隧道的变形，隧道周围围岩中的应力进行释放，隧道围岩与初次支护结构之间发生相互作用，随着围岩中应力的进一步释放，支护力也在相应的增大，随后达到一个动态平衡过程，再经过一段时间，隧道围岩逐渐趋于稳定，随之支护结构所提供的支撑力也逐渐减小。以上即为围岩与支护结构的相互作用动态变化过程[5]。

2016年11月5日完成隧道二次衬砌支护，初期支护承载的围岩应力开始持续的增大，2017年2月27日监测围岩应力达到最大值，在隧道初支布设的9个钢筋应力计中，监测围岩应力最大的钢筋计编号及应力大小分别为CG-2(17.4 MPa),CG-3(10.6 MPa),CG-6(13.1 MPa)和CG-7(15.0 MPa)。在围岩应力达到最大值后经历了69 d(2017年2月27日～2017年5月7日)的稳定期开始逐渐减小，这个过程在于二次衬砌施工后，围岩的初次支护平衡被打破，由于二次衬砌的支护作用，支撑结构的支护力开始逐渐增大，围岩对支护结构的反作用力也逐渐提高，新一轮的围岩与支护体系之间的动态平衡过程又逐渐开始并最终形成。

通过图3钢筋应力计布设位置图可以看出，初次支护承载围岩应力最大的钢筋计监测点CG-2,CG-3与CG-6，CG-7在隧道中的位置互成对角，其连线与水平夹角约30°，此角度与滑坡的滑向一致。

在初次支护和二次衬砌的支护承载的围岩应力达到最大值开始减小，按照围岩和支护结构相互作用的理论，最终要达到一个力学上的平衡状态。但在2017年8月23日监测时发现初次支护和二次衬砌承载的围岩应力同时增大持续至监测任务结束(2017年12月份)，增大趋势仍未结束。在此时间段内现场无影响隧道结构和隧道仰坡稳定的施工，结合隧道仰坡降雨量监测分析，可知由于长时间降雨，雨水入渗隧道仰坡的坡体内导致坡体内不良地质体产生变形从而影响了隧道结构的受力变化。

3 数值模拟研究

为了更进一步的对洞口隧道仰坡的稳定性进行分析，本文采用数值模拟的方法对含有不良地质体的仰坡在正常含水条件下以及多雨季节下的稳定性进行分析。

3.1 数值模型的建立

本文选取洞口处的仰坡剖面A—A建立数值计算模型，运用数值模拟软件UDEC离散元软件对隧道开挖下的洞口仰坡的稳定性进行分析。数值计算模型如图6所示。模型底部约束Y方向位移，左右边界约束X方向位移。计算过程中根据实际的施工来进行，先对含有不良地质体的仰坡进行加固，然后对隧道进行开挖并支护。UDEC中自带的强度折减法可以很方便对在不同条件下边坡的安全系数进行求解，从而对边坡的安全系数进行求解，进而对边坡的稳定性进行分析。

3.2 模拟结果的分析

3.2.1非雨季条件下仰坡稳定性分析

首先对边坡在非雨季情况下进行数值模拟，考虑隧道在开挖并支护后上部仰坡的稳定性进行分析，计算结果如图7所示。从图7a)中垂直方向的位移云图中可以看出受到上部不良地质体的影响，右侧隧道上部仰坡的垂直位移变化相对其他位置较大，特别是位于两层含水率不同的不良地质体交界面部位。但是垂直方向的位移总体较小，最大仅为4 cm。从图7b)位移矢量图中可以看出随着隧道的开挖，隧道周围的围岩变形主要向隧道部位靠近，特别是右侧隧道上部仰坡的位移向右侧隧道顶部移动。通过分析隧道边坡周围的剪应变云图(如图7c)所示)可以发现剪应变主要集中在下部碎石不良地质体部位。通过计算此时的边坡安全系数为1.40。

3.2.2雨季仰坡稳定性分析

由于不良地质体受到水的侵蚀弱化作用明显，该地区在7月、8月份降雨明显，因此对于降雨条件下仰坡的稳定性进行分析。计算结果如图8所示。从图8a)中可以看出随着雨季的到来，雨水逐渐渗入到不良地质体中，不良地质体的强度逐渐降低，因此边坡上部的垂直位移不断增大，其中右侧巷道上部受到的影响作用明显，边坡的位移总体相比非雨季均有所增大。但是整体而言边坡的位移量也较小。从位移矢量图来看右侧隧道周围的位移变化明显，总的位移相对非雨季也有所增加。从图8c)中边坡的剪应变云图中可以看出剪应变也有所增大。此时上部仰坡的安全系数为1.18，相对于非雨季，边坡安全系数降低了15.7%，但边坡仍处于稳定状态。