开挖间隔时间对铁路高边坡稳定性影响

唐小军 袁仕贵

（云南省铁路集团有限公司，云南 昆明 650118）

0 引言

路堑是铁路路基的重要形式之一，在深挖路堑边坡开挖中，路堑边坡开挖的时间间隔，即上一层路堑土层开挖与下层土体开挖的时间间隔，对路堑边坡稳定有重要影响。目前许多学者对路堑边坡开挖稳定性问题进行了较为深入细致的研究。

龚建辉[1]针对西部地区高速铁路路堑边坡开挖路易出现滑坡问题，基于成绵乐客运专线滑坡实际情况，对该线工程条件进行理论分析，并提出高陡边坡滑坡针对性预防措施。孙崔源等[2]基于渝怀二线某车站改建工程，对既有铁路路堑爆破开挖工程进行分析研究，认为通过改变临空面方向及多元立体化防护手段，对控制飞石及降低对已有铁路的危害有重要作用。李世信[3]对贵昆铁路复线某明洞附近路堑施工技术进行分析，通过对明洞左侧顺层边坡的清方及锚索加固，再通过6 根锚固桩加强，有效防止在路堑开挖时明洞裂缝的出现。彭永良等[4]研究了河北某拟建铁路穿过古滑坡体路堑边坡工程，通过分析现滑面和古滑面不同工况下的稳定性，全面分析铁路路堑开挖对古滑坡的稳定性影响，提出了滑坡治理的针对性措施。王耀辉[5]结合兰渝铁路DK53 处路堑边坡，通过对路堑边坡开挖过程中产生滑坡的原因进行分析，认为地质因素、自然因素及工程原因是引发滑坡的主要原因，针对该路堑边坡失稳原因，提出了针对性措施，并取得良好效果。石有权等[6]提出顺层路堑边坡的二临空面、三临空面概念，并认为这两种临空面情况下易出现顺层滑坡，通过分析顺层边坡开挖的影响范围，提出相应的加固措施。王明慧等[7]对山区高速铁路建设中采用深路堑与隧道两种方案进行比较分析，认为两种方案的比选应从地质、环境、工程难度、经济成本及运营安全五个方面进行综合比较，并提出了针对性方案的选择建议。

从上述研究成果来看，目前铁路路堑边坡研究涉及施工、设计、方案比选等诸多方面，研究范围相对比较广泛，研究深度也在逐步深入，但对于铁路路堑高边坡开挖时间间隔对边坡稳定性的影响，目前涉及较少。因此，本文主要基于对铁路高路堑边坡开挖时间间隔进行研究，分析边坡的位移、剪切应变及边坡稳定性。

1 模型建立

本次研究以云南某在建铁路项目深挖路堑段为研究对象，路堑开挖段为山麓斜坡地带，研究区域为侵蚀构造，中低山溶蚀地貌，地形起伏幅度较大，研究路段长度为225m，其中路堑边坡最大开挖深度为38.6m，属于高边坡。根据勘查院提供的勘查报告，研究工段覆盖层主要有黏土、碎石组成，下伏岩层主要有风化、中风化泥岩构成。研究主要基于二维有限元软件Geo-Studio，采用SIGMA/W 应力应变分析模块，依据设计院提供的路堑断面图，选定该段较为典型的断面作为建模对象，建立模型中，对地质分层进行了一定的简化处理，通过将CAD 断面图导入Geo-Studio 软件中，进行下一步建模。建立的简化模型如图1 所示，模型土层主要分为两层，上层为覆盖层，标记为蓝色；下层为泥岩层，标记为紫色，开挖的区域用灰色表示。模型网格划分为四边形，网格尺寸控制较为均匀，边长约为2m，为便于比较分析，模型在各级边坡坡脚位置设置6 个监测点，如图1 所示。

图1 路堑开挖模型

2 不同间隔时间条件下路堑开挖模拟

本次数值模拟采用莫尔-库仑模型（Mohr-Coulomb Model）本构模型，该本构模型能够较好地分析岩土体应力应变情况，且本构模型需要的参数较易获取，岩土层物理实验与数值模拟试验的参考资料也较为丰富，各种参数的取值也有较好的经验范围，因此具有较为广泛的应用。本次模型的边界约束条件：依据选取的典型断面，左右方向为半无限土体空间，因此模型左右约束土体X 方向位移；而模型底部，认为既不能发生平移，也不能发生竖向移动，因此模型底部约束土体X 和Y 方向的位移，模型顶部还原土体本来的自由状况，设定为自由面，不约束任意方向土体运动。

路堑边坡开挖模拟，依据施工方案，土体自上而下总共分为5 个开挖阶段，依据上下层开挖时间间隔不同，设定两种不同的开挖方式：其一，上下层开挖间隔时间很短，上层路堑边坡土体开挖卸荷应力未完全释放，土体应变也没来得及完全发生，因此直至第五层开挖完成，第一次开挖的路堑边坡土体应力才完全释放；其二，上下层开挖时间间隔很长，上层路堑边坡土体开挖卸荷后，应力得到完全释放，土体变形也完全发生，因此下层开挖不考虑上层应力释放，土体累积应变不予考虑。通过对比分析两种不同的开挖方式，分析不同开挖方式下边坡土体的位移及最大剪切应变情况，模型中各土层的物理力学参数见表1。

表1 各岩土层力学参数参考值

3 模型计算结果分析

3.1 位移分析

采用两种不同时间间隔开挖方式完成路堑开挖，通过分析可知，各层开挖时间间隔较短的快速开挖的路堑边坡位移，均大于开挖时间间隔较长的慢速开挖方式的边坡位移。对于坡脚监测点的位移量，快速开挖远大于慢速开挖。

两种开挖方式下的位移云图见图2、图3，由位移云图对比分析可以发现，采用慢速开挖时，X-Y 位移量最大值区域为0.12～0.14m；而采用快速开挖时，X-Y 位移量最大值区域为≥0.3m，且位移的平均值也比采用慢速开挖时大。通过位移监测及位移云图分析可以得出，对于路堑边坡土体，特别是覆盖层土体产生的位移，快速开挖法远大于慢速开挖法，因此，在不考虑其他因素条件下，采用慢速开挖方法，边坡产生的位移较小，有利于边坡的稳定。

图2 慢速开挖完成后总位移图

图3 快速开挖完成后总位移云图

3.2 剪应变分析

通过分析可知，当采用快速开挖时，覆盖层监测点最大剪切应变与采用慢速开挖方式的监测点最大剪切应变值的差，远大于下伏泥岩层监测点的最大剪切应变差值，这主要是由于覆盖层土体力学性质要差于下伏泥岩。采用快速开挖方式下，覆盖层每层土体开挖卸荷产生的应力还未完全消散，土体位移没有完全释放，下层开挖即进行，因此，出现每层开挖的位移及应变的累积；覆盖层与下伏泥岩交界区域，土体性质差异较大，对于开挖方式更为敏感。

两种开挖方式下的最大剪切应变云图如图4、图5所示。通过应变云图对比分析，可以明显发现，不论采用何种开挖方式，覆盖层与下伏泥岩交界区域土体最大剪切应变值是整个路堑各级边坡土体中最大的。当采用慢速开挖时，最大剪切应变极大值区域为≥0.022；而采用快速开挖时，最大剪切应变极大值区域为≥0.075，且最大剪切应变的平均值也比采用慢速开挖的大。通过最大剪切应变监测对比表及最大剪切应变云图分析，可以明显得出，快速开挖方法下的路堑边坡土体，特别是覆盖层土体产生的最大剪切应变，远大于慢速开挖方法产生的。因此，在不考虑其他因素条件下，采用慢速开挖方法，边坡产生的最大剪切应变较小，有利于边坡的稳定。

图4 慢速开挖最大剪切应变云图

图5 快速开挖最大剪切应变云图

4 结束语

通过以上分析可知，采用快速开挖方式的路堑边坡土体的土体位移及最大剪切应变,绝大部分均大于采用慢速开挖方式的，特别是覆盖层与下伏泥岩交界区域土体。因此，在对具有深厚覆盖层地质条件下的路堑边坡，宜采用慢速开挖方式，且必须在上层支护措施发挥作用时，方可进行下一层路堑开挖，特别是覆盖层与下伏泥岩层交界区域土体防护加固措施，应在本层边坡开挖完成后，立即组织施工，以防止边坡发生失稳破坏。