岩质隧洞边坡失稳机理研究

李林丹 汪 斌 代永新 刁 虎

（1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽马鞍山243000；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽马鞍山243000）

现阶段边坡稳定性分析方法主要包括极限平衡法和数值分析法。其中极限平衡法主要有Bishop法、Morgenstern-Price法、Sarma法以及三维极限平衡法等［1-6］。数值分析法中最常用的是有限元分析方法。陈国庆等［7］在对传统的强度折减法进行研究，提出了动态和整体强度折减法计算边坡稳定性。郭芳等［8］在强度折减法的基础上，定义不同的破坏准则，得出是否考虑拉伸破坏几乎不影响土质边坡稳定性，而对于节理岩质滑坡影响很大。

隧洞边坡的研究中王军和曹平等［9］在FLAC3D中引入改进的黏弹塑性流变模型，考虑降雨入渗对流变介质隧道边坡的稳定性影响，得出降雨入渗主要集中在坡顶浅层，影响隧道内侧稳定。雷用等［10］在FLAC中建立二维模型研究边坡开挖对既有隧洞的影响，发现开挖后及时支护，边坡会有明显的应力释放，在坡脚产生应力集中。刘福东等［11］研究了偏压隧洞开挖对边坡稳定性的影响，得出在开挖时需要预防顺向边坡表层破坏。

上述研究多集中在隧洞或者边坡开挖对整体稳定性的影响，而本次研究对象是既有的隧洞边坡。考虑到在不同地质环境中影响隧洞边坡稳定性的因素存在着较大的差别，本研究将借助三维地质建模软件建立边坡与隧洞空间关系，利用FLAC3D精确模拟隧洞边坡的失稳过程，用现场探勘得到的数据加以印证，最终反演出该岩质边坡失稳的机理。

1 工程概况

国内某铁矿是一座大型火山沉积变质岩型磁铁矿床，具有矿石储量大、品位较高、埋藏浅、便于露天开采的特征。此次发生失稳的是D1隧洞区域，该隧洞是矿山胶带运输系统中用以运输岩石的隧洞。D1隧洞变形区域所处的边坡位于北采场，在工程地质分区中为第Ⅳ区。该铁矿北采场边坡受北山复向倾斜构造的控制，向斜的两翼即构成采场上下盘边坡的顺坡倾向特征，兼之采场范围大，边坡长，垂直高度深，矿区断层、节理构造发育，边坡岩体结构复杂。根据以往边坡稳定性研究成果，该区边坡总体稳定性好。但由于地质条件差，岩性复杂、断层、节理、裂隙发育、地下水丰富，不利于边坡稳定的节理构造十分发育。Ⅳ区位于采场南东帮中部，岩性为各种变质岩，其中多为各种混合片麻岩，部分为混合花岗岩、磁铁石英岩及辉石片麻岩，岩石致密坚硬，强度高。根据采场主要断层分布情况来看，发生变形部位岩性以辉石、黑云斜长片麻岩为主，无断层等大型地质构造分布，但大型节理特别发育。

如图1（a）所示D1隧洞内40#架子区域出现一条垂直皮带走向的裂缝1，裂缝最大开裂宽度5 cm左右，裂缝边缘错动约5 cm。在40#架子裂缝轴线距离10 m处发现另一条垂直皮带走向裂缝2，见图1（b），裂缝开裂宽度3 cm左右，裂缝无明显错动。在裂缝1处，其顶部距离边坡为3～5 m，裂缝2处的隧洞顶部距离边坡为7～9 m。经查阅资料，在早期隧洞施工期间该处地质条件较差，存在塌方冒顶现象，故而当时该处采用了钢筋混凝土衬砌，且顶部进行了回填，正常情况下，经多年固结沉降，其顶部会逐渐趋于稳定。

现场踏勘发现，该处存在软弱夹层（见图2），与边坡走向总体斜交，并贯穿整个隧洞断面，初步分析该部位的变形裂缝是由于该夹层的存在导致边坡沿着该破碎带方向发生错动，进而带动附近的隧洞产生贯穿横断面的裂缝。

2 数值分析

2.1 模型建立

D1隧洞边坡平面图如图3所示，根据其等高线生成三维地质模型（见图4）。隧洞斜向上穿过边坡，坡度为23%。根据边坡实际的产状，岩层的分布，隧洞的断面尺寸和空间位置，前期的支护，以及裂缝出现的位置及可能的滑坡影响范围，建立了三维数值计算模型（见图5）。同时在建模时还考虑到在3个台阶坡面出露的软弱夹层，夹层厚度在0.5 m左右，夹层内部多为泥质充填，其走向与坡面走向呈60°夹角。

数值计算模型走向方向为130 m，高度为70 m，宽为150 m。共有55 094个单元和30 895个节点。

2.2 计算参数

边坡主要有3种岩性，上部的中风化岩层，下部的片麻岩和混合片麻岩。结合现场调查结果和参数反算，得到隧洞边坡相关力学参数见表1。

2.3 计算模型

本次模拟采用摩尔—库伦模型，该模型在岩土破坏分析中模拟效果较好，对于滑坡中产生的剪切破坏和后缘的拉伸破坏都能很好体现。该模型包括摩尔—库伦判据（剪切屈服准则）和拉伸分离点（拉应力屈服准则），即拉剪复合破坏准则（见图6）。

?

在主应力空间中拉正压负，主应力σ1、σ2、σ3之间的关系为σ1≤σ2≤σ3。图6中，从A到B的剪切破坏定义为

从B到C的拉应力破坏定义为

其中，

2.4 结果分析

隧洞裂缝的出现在时空上都较为复杂。在空间上，隧洞以23%的坡度斜向贯穿整个边坡，穿插多种岩性，同时边坡存在的软弱夹层也被隧洞斜穿。在时间上，隧道开挖多年且进行过支护，逐渐趋于稳定。

2.4.1 破坏模式分析

在+80～+92 m范围内，软弱夹层出露的地方，台阶原先是连续的，由于岩性较差，导致前期爆破出现超挖，加之软弱夹层对超挖范围起控制作用，形成图5中所示凹陷，+80～+92 m台阶角由原先设计的56°变为49°，边坡超挖导致出现“削坡脚”的现象。凹陷处坡面有坡体挤压产生剪切破坏塑性区。

根据塑性区在图7中分布可知，剪切破坏多集中在+61～+92 m范围内，且位于软弱夹层的左侧，而张拉破坏主要是在+127 m平台。根据边坡的破坏特点可知在+61～+80 m坡面塑性区为滑面在剪出口滑动所引起的剪切破坏；而+80 m平台为上部坡体挤压产生的剪切破坏。

图8为剖面塑性区分布图，剖面位置为凹陷区最内侧。在FLAC3D中塑性区逐渐发展直至相互贯通，这一过程表面边坡发生了整体失稳。在图8中，沿着剪切破坏塑性区可以判断出边坡产生滑坡的基本形态。根据剪切破坏塑性区分布特点可以确定潜在滑面的走向及空间分布位置。滑坡主要是由于岩土体间相互挤压，产生剪切破坏。同时根据图8张拉破坏塑性区的分布特点，发现在+80 m及+127 m平台滑坡后缘存在张拉破坏，根据滑坡的特点，在滑坡体后缘一般是张拉破坏，这验证了对滑坡形态及滑面位置的推测。

2.4.2 位移结果分析

根据图9所示的边坡位移等值线图，发现在前期超挖区域下部+61～+80 m台阶产生位移，且中间位移最大，越往两边，位移越小。而边坡其他位置基本没有发生位移。

图10为图9发生滑动部分的剖面位移等值线图，图中坡顶最外侧位移最大，越往边坡内部位移就越小，同时可以发现边坡滑动影响了岩石隧洞的稳定性，在隧洞的左侧顶板、左肩以及左侧直墙均发生位移，位移大小为10～30 mm。

为了进一步探究岩石隧洞失稳的成因，在隧洞断面的顶板、底板和两帮各设置1个位移检测点，沿着走向方向均匀布置，将各点位移绘制成岩石隧洞位移折线图（见图11）。发现在同一X方向上，各点位移大小基本一致，这表明岩石隧洞是整个断面发生位移，并非隧洞内部出现冒顶或者局部发生不均匀沉降，将断面的位移绘制成岩石隧洞位移折线图（见图11）。根据上述结论，可以推定，隧洞失稳是由于边坡发生滑动，带动该边坡内的隧洞移动，滑动方向和隧洞轴线垂直，岩土体对隧洞的推力，相当于给隧洞施加剪力，最终剪力超出隧洞抗剪强度，隧洞被“剪断”。从现场所发现隧洞产生的2条裂缝及裂缝的错动宽度、错动方向的一致性，均能很好地印证上述结果。

3 结 论

（1）通过对于隧洞边坡进行三维数值模拟，采用摩尔库伦模型，考虑边坡的多种地质条件，得出的计算结果和实际情况吻合，能较好地反映出隧洞边坡的破坏过程和机理。

（2）隧洞失稳的原因并非前期所推测的软弱夹层错动导致的。主要原因是前期超挖，导致边坡被削坡脚，加之隧洞周围岩性较差，衬砌的抗剪强度不够，在上部坡体的推动下，隧洞被剪断。从隧洞的2条相距10 m的裂缝也可以证明，隧洞是整段被推断，而非是夹层错动。

（3）由于FLAC3D的模拟对象是连续介质，所以对模拟中产生的隧洞裂缝位置只能从边坡的位移等值线图去判断，而在位移折线图中能较好地反映。

4 建议

根据模拟结果，在隧洞边坡的加固中，应重点从边坡的滑坡控制上去考虑。隧洞的错动段即边坡的滑动部分，鉴于该处的隧洞距离+80 m平台后缘不远，可以在+80～+92 m坡脚布置钢轨桩，斜插至隧洞靠近坡内一侧，抗滑的同时避免隧洞进一步错动。再对+61～+92 m边坡采用锚杆、锚索和框架梁的联合支护。

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