隧道开挖对边坡稳定性的影响规律

柳墩利

(国家铁路局 工程质量监督中心，北京 100891)

隧道往往穿越边坡，有些边坡存在古滑坡体或者山体裂缝,如果开挖过程中没有对边坡稳定性进行深入研究，很可能引发工程问题。例如，2004年3月29日武九线盛洪卿隧道施工中，由于边坡不稳定引起隧道衬砌破坏，工程损失巨大;成昆线东荣河隧道所处的边坡中存在滑坡面，在开挖扰动下隧道出现严重变形，甚至出现了整体位移。因此，开展下穿边坡隧道力学特性的研究，对于保障施工安全和工程质量具有重要的理论和实际意义[1-2]。

马惠民等[3]结合近年来我国山区公路建设中的滑坡及高边坡研究和工程实践，介绍了高边坡病害的防治理论和技术。覃林[4]分析了隧道分步开挖对边坡变形和受力的影响以及隧道开挖后边坡的变形和受力规律。汪洋[5]研究了深埋长大山岭隧道软岩大变形机理，针对隧道施工进行灾害预测和治理措施研究。谢晓东[6]研究了施工时序对松潘县某隧道出口边坡稳定性的影响，并将不同治理措施予以对比分析。此外，运用数值分析软件模拟隧道开挖对边坡影响规律的研究较多[7-9]。

本文以典型隧道下穿边坡工程为依托，通过模型试验和数值分析研究边坡和隧道的相互作用。通过研究隧道开挖时边坡的受力特点，选择合理的隧道施工方案以避免滑坡等灾害。

1 工程概况

一隧道位于泾河左岸的三级阶地及黄土残垣区，沟谷发育，沟内小型浅层滑坡错落发育。地表覆盖黄土，位于砂岩上。黄土主要为第四系上更新统黏质黄土，具有Ⅳ级自重湿陷性，湿陷厚度约20～40 m。隧道进口埋深较浅，部分地段位于湿陷性土层，对工程施工影响较大。隧道整体上属于浅埋隧道，位于泥石流、滑坡等灾害易发区。

隧道全长范围内层属Ⅳ级围岩段。隧道右幅起止桩号为YK4+255—YK5+120，全长865 m；左幅为ZK4+295—ZK5+255，全长960 m。在下穿边坡隧道中选取其中的100 m作为试验模型的原型。其断面尺寸见图1。

图1 原型断面尺寸(单位:m)

2 隧道下穿边坡模型试验

2.1 试验模型

试验模型根据实际工程的边坡形状及工程地质条件制作。隧道边坡岩土的物理力学参数见表1。原型与模型尺寸对比见表2。模型试验监测内容有：①隧道开挖过程中边坡的受力特性；②隧道开挖时边坡位移。

表1 岩土物理力学参数

表2 原型与模型尺寸对比

2.2 模型制作

用中细沙为骨料，以酒精松香溶液为胶结剂，以石膏粉为填缝材料,按一定比例配制模型相似材料。在模型填筑过程中，应特别注意模型土密度的相似性，通过在夯实过程中控制橡胶锤的击打次数保证其密度。只有尽可能使模型的密度与实际工程中的密度成一定的比例才能保证试验的精确度。

选取模型隧道的中部截面布置压力盒。考虑到本次模型试验还要监测隧道开挖过程中边坡的稳定情况，共布置了21个压力盒，如图2所示。每次开挖3 cm 采集1次数据。

图2 模型隧道周边压力盒布置

光栅多点位移计是用来监测开挖过程中边坡表面的位移。在模型边坡处埋设好位移监测点。监测的位置如图3所示。

图3 位移测点布设

根据隧道实际施工，在无支护情况下全断面开挖，开挖循环进尺为3 cm。隧道开挖模型如图4。

图4 隧道开挖模型

2.3 模型试验结果分析

试验测试项目之一是监测隧道围岩及边坡压力变化。在进行隧道开挖过程中由于掌子面不断接近监测截面，每个监测点的压力值发生变化。为了能对监测的数据及应力释放过程进行全面研究，对监测数据进行了归一化处理。监测的断面位于模型中间。当掌子面未到达监测断面时距离记为负数，通过监测断面后距离记为正数。表3为径向荷载释放率。

表3 径向荷载释放率 %

图5 隧道洞壁应力释放过程

图5是全断面隧道开挖掌子面不断推进过程中洞壁应力释放过程。主要监测了隧道拱顶、边墙和底板这3个部位的应力变化。可以看出，在开挖过程中隧道围岩荷载的应力释放主要受到隧道开挖围岩扰动的影响，应力变化较为明显。在掌子面越过监测断面后，应力释放加速。

边坡位移每开挖10 cm记录1次数据，经过处理后，选取偶数测点绘制位移曲线，如图6所示。

图6 边坡位移曲线

由图6可知，边坡地表位移不断增加，最大的位移达到了1.28 mm。当掌子面开挖到50 cm处时，边坡位移突然增大。这是由于隧道的开挖使得临空面不断增大。

3 数值模拟分析

3.1 数值模型

采用ABAQUS数值模拟隧道的全断面法开挖过程，并将数值计算结果与模型试验结果作对比。模型的大小及形状根据开挖对土体的影响范围确定。模型的左右边界施加水平方向的约束，底部边界施加竖直方向的约束。对边坡隧道结构进行网格的划分，将模型用 2 232 个节点划分为 2 015 个单元。

3.2 数值模拟结果分析

计算步骤依次是加载地应力、应力释放、施作支护、移除开挖单元，分析各步骤边坡及围岩的位移、应力、应变变化情况。

1)各阶段水平位移

用改变围岩参数的方法动态模拟隧道开挖过程。不同阶段水平位移云图见图7。

图7 不同阶段水平位移云图(单位：m)

由图7可知，在下穿边坡隧道开挖过程中Ⅳ级围岩位移较小而边坡的位移比较大。由于隧道上方边坡区域的地质情况较差，在开挖的扰动下其稳定性受到了影响。

2)围岩及边坡应力(见图8)

图8 不同阶段最大主应力云图(单位：Pa)

由图8可知：在应力释放后，应力分布云图呈蝴蝶状，隧道两侧边墙附近出现负应力，最大主应力主要分布在隧道拱顶和底部。随着隧道的开挖边坡岩土层出现松动现象，应力出现负值。激活衬砌单元后，边坡上部应力变大，坡脚处应力变小，边墙处以及在激活衬砌单元后隧道四周的围岩压力都有所减少。

4 结论与建议

本文以一隧道下穿边坡工程为依托，通过模型试验和数值模拟方法对下穿边坡隧道开挖过程中的应力、位移变化规律展开研究。主要结论及建议如下：

1)隧道开挖对边坡的位移影响明显，对边坡和围岩的稳定性影响最大是在开挖完成后拱顶处于临空状态的阶段，模型试验与数值分析结果有较好的一致性。

2)针对该隧道所处的边坡中存在滑坡体的情况，建议先做好稳定边坡的工作，先治坡，后进洞。边坡下穿隧道时应及时调整支护方案，减小开挖扰动，防止滑坡灾害，保证施工安全。