香丽高速公路洼里别隧道开挖过程的数值模拟与分析*

徐勇 邱树茂 李知军 陈亮

1.云南省建设投资控股集团有限公司 云南 昆明 650000；2.北京交通大学 土木建筑工程学院 北京 100044；3.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所 北京 100081

引言

香（格里拉）-丽（江）高速公路位于我国滇西北高原地区，该地区山区分布广泛，逢山开隧的过程中，受工程地质、水文地质和人为施工造成的影响，难免会引发各种地质灾害。其中，隧道穿越滑坡体产生失稳破坏是最常见的一种病害。本文采用数值模拟的方法，分析了洼里别隧道施工过程边坡的稳定与变形之间的关系。

1 工程概况

1.1 概况

根据实地调查及对当地村民的调查访问，洼里别隧道进口端分布一老滑坡体，自然斜坡在20世纪90年代发生过一次大规模滑动，滑坡周界清晰，圈椅状滑坡地貌明显。滑坡体宽度约500m，长约640m，滑体厚约50m，总体积约16000km3。据村民介绍，自2009年斜坡坡脚所在的松坡河上游修建水电站之后，该范围内的山体斜坡变形逐年减小，近几年未见明显的变形迹象。随着隧道的开挖，隧道洞口上方的斜坡体出现了向河侧变形和沉降变形，后缘裂缝尚未贯通，滑坡侧界及剪出口尚未形成，推测滑坡体处于主滑带蠕动阶段向主滑体挤压阶段的过渡过程，尚处于暂时稳定状态[1]。

研究区上覆第四系残坡积层(Q4el+dl）含砾粉质黏土、碎石土。下伏基岩为三叠系下统（T1）灰色、灰褐色板岩。洼里别隧道进口斜坡为上覆第四系堆积体，主要为含砾粉质黏土和碎石土。场区的地下水类型主要有2种，分别为第四系堆积层中的孔隙水和基岩裂隙水。基岩裂隙水主要为强风化带裂隙富水、导水，勘察期间钻孔揭露的地下水位较高。

1.2 滑坡体特征

滑坡后缘表现为台坎，整体走向5 5°，后缘陡坎高0.5～4m。滑坡左界主要表现为错台，错台高约3～6m，整体走向340°。其中在右洞上方发现新近形成的错台，下错高度约20cm。滑坡右界整体走向314°，右界表现为陡坎，上部错台表现不明显，下部表现为陡坎，陡坎高2～5m不等。滑坡前缘位于坡体下部的松坡河内。根据现场调查，松坡河与村民耕地两者之间的坡面，大多数植被东倒西歪，多处见马刀树。滑坡前缘（坡体下部）坡面分布较多块石，坡面土体潮湿，多处见地下水出露。松坡河附近见多处坍塌病害，坍塌体揭露地层主要为黑色碎石土。松坡河左岸（滑坡位于右岸）揭露中风化板岩，量得片理产状95°∠54°。根据现场调查可以看出，该滑坡暂时处于稳定状态，但是在松坡河河流下切作用、地震作用、强降雨作用等多因素诱发下，滑坡可能复活失稳。

2 数值模拟

2.1 计算模型和材料参数

在工程地质调查的基础上，根据工程地质资料，采用Midas GTS NX软件建立滑坡和隧道的三维地质模型（图1），充分利用范围内的监测资料和试验资料，采用有限差分法，导入FLAC3D软件模拟自然、开挖、降雨、地震等多种工况，计算滑坡与隧道的位移和变形，分析斜坡体和隧道结构的应力应变，研究滑坡与隧道的变形规律和相互作用关系，揭示滑坡作用下隧道受力情况、变形特征和失稳破坏机理，评价影响范围和可能产生的工程地质问题[2]。根据地质资料，计算中采用的物理力学参数见表1和表2。

图1 洼里别滑坡-隧道数值模型

图2 隧道剖面塑性变形区分布云图

表1 斜坡体岩土层参数表

表2 隧道支护结构参数表

2.2 斜坡计算结果分析

斜坡有限元计算结果如图2。从塑性区分布图可以看出，塑性区的分布范围非常广泛，主要分布在隧道上部及下部的滑体处，塑性区并未完全贯通，斜坡未出现整体滑移破坏。但隧道开挖引起斜坡发生局部剪切破坏，主要位于隧道进口处上方50m和下方80m区域内，滑坡后缘发生张拉破坏。总体来说，隧道的开挖引起了滑坡体产生一定的位移，其中Y和Z方向的变形相对较大，主要由于隧道开挖引起围岩的卸荷，导致围岩向洞室方向变形移动，隧道顶部产生一定范围的卸荷带（沉降较大的范围），使得地表产生一定的沉降。与此同时，受隧道开挖影响，滑坡体产生变形移动带动隧道产生变形[3]。

2.3 隧道结构计算结果分析

通常来讲，由于岩土体的性质、结构面的性质或者隧道开挖方式等多方面的影响因素，隧道开挖可能对洞径3～5倍范围内的围岩造成扰动。在斜坡不良地质体内开挖隧道，滑坡体的变形和应力的变化与隧道的变形及应力变化是相互影响的。在隧道开挖过程中，隧道周围岩土体的应力应变会直接关系到斜坡整体的稳定性。虽然隧道开挖时斜坡体的应力没有出现较大的变化，但滑坡体的滑动变形直接影响隧道结构的变形和应力变化[4]。

通过计算的结果进行分析可知，隧道开挖后隧道衬砌X方向的位移主要向X正方向变形，隧道洞口至洞内60m处X方向的变形位移1.2～1.7cm；隧道的拱顶比拱底的位移更大，隧道左幅衬砌的位移比右幅衬砌的位移更大；隧道衬砌Y方向的位移主要向河侧方向（Y负方向）变形，从隧道洞口至洞内60m范围内Y方向的变形量为0.4cm～1.04cm，超过60m至大里程方向范围的隧道部分基本没有位移，推测滑坡的最深滑动面在距离洞口60m附近。在进洞60m范围内衬砌的最大位移主要集中在隧道顶部的位置，且左幅隧道衬砌的位移比右幅隧道衬砌的位移较大，在实际现场施工过程中，隧道左幅的衬砌开裂程度比右幅的严重，与实际现象相符合。主要原因是隧道开挖扰动导致隧道顶部部分的土体松动，牵引更远的岩土体产生松动变形，从而引起局部岩土体的滑动变形，滑坡体的下滑推力作用在隧道衬砌上，衬砌混凝土的强度无法承受下滑推力，使得衬砌产生变形。因此隧道的变形主要是沿着滑动面的剪切变形。隧道内衬砌Z方向的位移主要向沉降方向（Z负方向）变形，从隧道洞口至洞内60m范围内Z的变形量为0.3cm～1.6cm。Z方向的变形主要集中在左幅隧道上，在拱顶处位移最大，达到1.6cm。

由以上结果可以看出，隧道穿越斜坡体的中部时，在隧道开挖的扰动下，斜坡的应力和位移发生重分布，开挖破坏了斜坡体原有平衡，坡体内的应力和位移发生重分布，开挖面形成一个自由面，隧道围岩产生松动，引起隧道上部分的滑体向下产生挤压蠕动变形，从而诱发滑坡的变形蠕动，滑体产生下滑推力，滑体的下滑推力作用在隧道上超过了衬砌混凝土的强度，使得隧道进口段60m范围内的隧道结构受到较大的滑坡推力挤压作用，产生较大的压应力和位移变形，使其出现变形开裂，随着隧道的进一步开挖，滑坡体的变形量增加，衬砌开裂也迅速发展。滑坡体变形产生下的滑推力作用在隧道顶部，隧道的底部受到向上的土体抗力，隧道在滑动面处受到的剪力和弯矩都达到最大，隧道很容易在滑面处剪切破坏，造成隧道衬砌的变形开裂，当隧道产生变形后，使得周围岩土体更加松动，使斜坡体产生下滑蠕变，导致斜坡稳定性下降，滑体产生更大的变形，加剧隧道变形。而且斜坡体的下滑力对隧道产生的偏压作用使得隧道受力不均，衬砌产生非对称受力和变形[5]。

3 结束语

本文通过建立了香丽高速公路洼里别隧道三维地质模型，模拟斜坡在隧道开挖工况下情形。分析了滑坡与隧道在开挖工况下的应力应变以及位移情况。研究表明在隧道开挖的扰动下，隧道围岩产生松动，引起隧道上部分的滑体向下产生挤压蠕动变形，滑体的下滑推力作用在隧道上，并超过了衬砌混凝土的强度，使得隧道结构受到较大的滑坡推力挤压作用，产生较大的位移变形，同时，也使得隧道衬砌周围的岩体进一步松动变形，牵引斜坡更大范围的蠕滑变形，导致斜坡稳定性下降，加剧隧道变形。