達(dá)曉偉　邵珠山　高懷鵬　許　鵬　王新宇　宋　林③

(①西安建筑科技大學(xué)　西安　710055)(②中交第一公路工程局有限公司　北京　100024)(③中國(guó)中鐵一局集團(tuán)有限公司　西安　710054)

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鄂北地區(qū)隧道洞口坡積土邊、仰坡變形機(jī)制與進(jìn)洞技術(shù)研究*

達(dá)曉偉①邵珠山①高懷鵬②許鵬②王新宇①宋林①③

(①西安建筑科技大學(xué)西安710055)(②中交第一公路工程局有限公司北京100024)(③中國(guó)中鐵一局集團(tuán)有限公司西安710054)

坡積土隧道洞口邊、仰坡在開挖后自穩(wěn)能力差，且受隧道開挖影響，易發(fā)生破壞，導(dǎo)致隧道工程無法正常施工，并帶來經(jīng)濟(jì)損失、危害施工人員安全。本文以香山隧道為工程背景，依據(jù)隧址地形地質(zhì)，建立了隧道洞口邊、仰坡的三維仿真模型，結(jié)合隧道進(jìn)洞開挖，分析了洞口邊、仰坡的位移和應(yīng)力變化過程，研究了隧道開挖對(duì)邊、仰坡的影響，優(yōu)化了隧道進(jìn)洞方案。研究結(jié)果表明，邊、仰坡開挖坡度與原始坡度突變處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中并形成貫通的潛在滑移面，隧道開挖對(duì)仰坡變形影響較大，坡形坡度對(duì)隧道洞口邊、仰坡穩(wěn)定性具有顯著影響，放緩坡度和采用分步臺(tái)階開挖可有效改善邊坡應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。

隧道邊、仰坡坡積土進(jìn)洞技術(shù)

0　引　言

近些年來，隨著我國(guó)高速公路網(wǎng)全面建設(shè)，出現(xiàn)了大量隧道工程。在高速公路選線時(shí)，由于諸多因素的影響，導(dǎo)致很多隧道在進(jìn)出口段的工程地質(zhì)條件較差，邊坡高陡、淺埋段厚度薄、偏壓嚴(yán)重等不良因素較為常見，加之所采用的隧道進(jìn)洞施工方案不合理，導(dǎo)致隧道洞口邊仰坡滑移破壞在隧道施工中頻頻出現(xiàn)，這一點(diǎn)在坡積土隧道洞口段尤為明顯，因此保證隧道安全進(jìn)洞便顯得尤為重要。

目前，對(duì)于邊坡開挖引起的巖土體變形機(jī)制、失穩(wěn)模式和穩(wěn)定性的研究已經(jīng)較為深入，殷坤龍等(2014)采用有限元分析庫水軟化作用下，龔家坊2#斜坡巖石的強(qiáng)度折減參數(shù)及變形破壞規(guī)律； 張社榮等(2014)探討層狀巖質(zhì)邊坡在不同巖層傾角θ、邊坡坡角β、結(jié)構(gòu)面間距h條件下的安全系數(shù)與破壞面位置的變化規(guī)律，揭示復(fù)雜多層軟弱夾層邊坡巖體的破壞機(jī)制及穩(wěn)定性特征； 黃潤(rùn)秋等(2007)通過數(shù)值模擬對(duì)湯屯高速公路順層邊坡變形破壞機(jī)制進(jìn)行深入探討； 鄭穎人等(2003)采用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)巖質(zhì)邊坡破壞機(jī)制進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得出破壞“自然地”發(fā)生在巖體抗剪強(qiáng)度不能承受其受到的剪切應(yīng)力的地帶； 盧海峰等(2010)在對(duì)邊坡巖體進(jìn)行工程地質(zhì)特性試驗(yàn)研究，并分析該類邊坡開挖對(duì)其穩(wěn)定性的影響，并對(duì)潛在滑動(dòng)面軟弱夾層的剪切流變過程進(jìn)行分析； 劉才華等(2005)探討了地下水對(duì)順層邊坡穩(wěn)定性的影響機(jī)制； 曹平等(2011)探究強(qiáng)度折減法和極限平衡法所得結(jié)果產(chǎn)生差異的原因，并研究多層邊坡的破壞機(jī)制。

在隧道洞口段邊、仰坡的變形模式和穩(wěn)定性研究方面，也得到一些成果。潘龍等(2011)針對(duì)連拱隧道洞口淺埋偏壓段特殊的地形情況，探討圍巖在地應(yīng)力和邊坡滑動(dòng)共同影響下的應(yīng)力分布情況； 王國(guó)欣等(2006)從地質(zhì)因素、水的作用及人為因素3方面分析了滑坡產(chǎn)生的機(jī)制，然后結(jié)合對(duì)邊坡的監(jiān)控量測(cè)，分析滑坡產(chǎn)生的過程并針對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)反饋； 王建秀等(2009)結(jié)合兩座典型滑坡連拱隧道的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)工作，討論了滑坡連拱隧道的破壞規(guī)律和特征； 鄭建中(2007)建立了隧道邊坡變形破壞機(jī)理的概念模型，并模擬研究了開挖后坡體變形特征； 向安田等(2008)研究了偏壓連拱隧道強(qiáng)風(fēng)化仰坡因施工而引起的失穩(wěn)機(jī)制。這些研究主要針對(duì)于隧道進(jìn)洞后隧道開挖與上方坡體滑移的互相影響。而對(duì)于隧道洞口處邊、仰坡的穩(wěn)定性及其破壞模式的研究還比較少，吳紅剛等(2011)提出了基于“隧道-邊坡體系”概念的變形機(jī)理分析方法，通過對(duì)開挖支護(hù)后隧道圍巖和邊坡的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)及塑性區(qū)特征的分析，得出了隧道洞身開挖對(duì)上部邊坡的影響規(guī)律，但并未討論隧道開挖與洞口邊坡的互相影響； 陳思陽等(2014)采用強(qiáng)度折減法，研究了不同開挖工藝下，大斷面黃土偏壓隧道對(duì)穿越邊坡的穩(wěn)定性影響，但并未考慮隧道洞口開挖對(duì)洞口處邊、仰坡的影響。

因此，本文結(jié)合具體工程，針對(duì)坡積土高邊坡淺埋偏壓隧道洞口處邊、仰坡的位移、應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)和變化過程進(jìn)行研究分析，總結(jié)其滑移破壞模式，并對(duì)隧道開挖對(duì)邊、仰坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究，通過研究提出優(yōu)化后隧道洞口施工方案，并在后續(xù)施工中取得了良好的效果。

1　工程概況

香山隧道位于湖北省襄陽市?？悼h，為麻竹高速公路的一座小凈距偏壓短隧道，全長(zhǎng)388m，最大埋深約47.1m。隧址區(qū)屬構(gòu)造剝蝕低中山區(qū)，地形起伏較大，植被較發(fā)育。隧道進(jìn)口斜坡較陡，約40°～50°。

隧址區(qū)區(qū)域上位于新華夏系第三隆起帶與淮陽山字型西翼反射弧東段的復(fù)合部位，淮陽山字型西翼反射弧北西向至近東西向的褶皺帶、斷裂帶斜貫全區(qū)，北部為青峰斷裂帶，南為荊當(dāng)盆地，西為牛頭山倒轉(zhuǎn)復(fù)式向斜，東部為南漳斷凹。新華夏系的北北東向構(gòu)造帶、北北西向構(gòu)造帶的斷裂和槽地帶符合于山字型構(gòu)造帶之上，構(gòu)造較為復(fù)雜。

隧址區(qū)附近無明顯的斷裂構(gòu)造跡象，出露基巖為志留系龍馬溪組頁巖(S11)，進(jìn)口處巖層產(chǎn)狀13°∠40°，出口處巖層產(chǎn)狀210°∠85°。基于以上工程地質(zhì)特點(diǎn)，香山隧道工程有如下特點(diǎn)和問題：

1.1地質(zhì)條件差

香山隧道清邊、仰坡開挖揭露的地質(zhì)情況較差：地表坡積土覆蓋層較厚，土體力學(xué)性能差，開挖后自穩(wěn)能力弱，且下伏基巖主要為全強(qiáng)風(fēng)化頁巖地層，鉆孔揭露30m深位置仍為強(qiáng)風(fēng)化頁巖：灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，頁理構(gòu)造，裂隙較發(fā)育，巖心破碎，多呈碎屑，采取率為80%～85%。隧道地質(zhì)條件復(fù)雜多變，不良地質(zhì)種類繁多，不穩(wěn)定斜坡和滑坡體、巖堆、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害廣泛分布于主線區(qū)域內(nèi)。

1.2進(jìn)洞技術(shù)要求高

香山隧道進(jìn)口段為小凈距，左右幅中夾厚度為8.76m，左右幅開挖時(shí)互相影響明顯。隧道軸線與山體斜交，洞口段偏壓嚴(yán)重。在右幅進(jìn)口段仰坡處存在一較大天然埡口，導(dǎo)致隧道洞口段埋深較淺，仰坡土體自穩(wěn)能力差，在進(jìn)行邊、仰坡開挖時(shí)，易出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象，加上施工時(shí)下處于雨季，邊仰坡易出現(xiàn)大面積滑塌，給進(jìn)洞施工帶來了極大的難度。

因此，較差的地質(zhì)條件和高邊坡潛埋偏壓的洞口地形特點(diǎn)導(dǎo)致香山隧道進(jìn)洞困難較大。香山隧道山體與隧道位置圖(圖1)。

圖1　隧道位置Fig. 1　The tunnel location

2　有限元模型及分析方案

2.1有限元模型

本文根據(jù)《麻竹高速宜城至?？刀卧O(shè)計(jì)施工圖》，主要針對(duì)隧道洞口邊、仰坡和隧道洞口段，分別對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)洞方案和優(yōu)化后的隧道進(jìn)洞方案采用Midas GTS三維有限元軟件進(jìn)行分析。有限元模型如圖2 所示。

圖2　有限元模型Fig. 2　Finite element modelsa.原設(shè)計(jì)； b.優(yōu)化后設(shè)計(jì)

計(jì)算模型在X方向(縱向)，前后邊界距隧道洞口均大于5倍隧道開挖寬度，并在前后邊界施加X方向的水平位移約束。在Y方向(橫向)，左右邊界距隧道邊界均大于5倍隧道開挖寬度，并在兩邊施加Y方向的水平位移約束。在Z方向(豎向)，上邊界取至地表面，為自由邊界，下邊界取至大于5倍隧道洞高處，并施加固定約束。

模型按照不同材料類別分別劃分單元，并考慮邊、仰坡由表至里風(fēng)化程度的變化劃分為3層土體。邊、仰坡土體和圍巖采用4節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體單元，邊、仰坡噴護(hù)和隧道襯砌采用殼單元。計(jì)算采用摩爾-庫侖屈服條件的彈塑性模型，初始荷載為巖土體的自重荷載。

為簡(jiǎn)化模型，減少計(jì)算過程中的工作量，并同時(shí)能夠反映施工過程中的問題，隧道錨桿和邊、仰坡錨桿折算入噴護(hù)混凝土和襯砌的強(qiáng)度，并根據(jù)《麻竹高速宜城至?？刀蜗闵剿淼赖刭|(zhì)勘查說明書》，圍巖及混凝土材料的參數(shù)如表1所示。

表1　模型材料參數(shù)表Table 1　Model material parameters

材料名稱彈性模量E/MPa泊松比μ密度ρ/kN·m-3黏聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)碎石土3000.4192020Ⅴ類圍巖9000.35255047Ⅳ類圍巖14000.322610050噴射混凝土280000.2025200055

表2　工況-施工進(jìn)度表Table 2　Comparison of load case and construction progress

工況Lcase1Lcase2Lcase12Lcase14Lcase15Lcase32Lcase33Lcase34Lcase35Lcase52Lcase53施工進(jìn)度原設(shè)計(jì)計(jì)算自重開挖第六層邊、仰坡開挖第一層邊、仰坡右洞挖進(jìn)2m右洞襯砌支護(hù)2m右洞挖進(jìn)20m右洞襯砌支護(hù)20m優(yōu)化后設(shè)計(jì)計(jì)算自重開挖第六層邊、仰坡開挖第一層邊、仰坡右洞挖進(jìn)2m右洞襯砌支護(hù)2m右洞挖進(jìn)20m右洞襯砌支20m右洞挖進(jìn)22m右洞襯砌支護(hù)22m右洞挖進(jìn)40m右洞襯砌支護(hù)40m左洞挖進(jìn)2m左洞襯砌支護(hù)2m左洞挖進(jìn)20m左洞襯砌支護(hù)20m

2.2有限元模型分析方案

香山隧道采用臺(tái)階法開挖工藝施工，每個(gè)開挖步進(jìn)尺為2m。具體施工工序如表2所示。其中邊、仰坡開挖由上至下分別為第六至第一級(jí)。

由于右洞相對(duì)左洞而要，邊、仰坡更為高陡，偏壓更為嚴(yán)重，邊、仰坡的危險(xiǎn)性更高，因此在計(jì)算分析時(shí)，我們只考慮右洞邊、仰坡的穩(wěn)定情況。

計(jì)算分析中，邊、仰坡各方向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取如圖3 所示。

圖3　監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取Fig. 3　Monitor points location

右洞原設(shè)計(jì)開挖方案如圖4a所示，為暗挖法，在隧道軸線上依原始山體開挖邊、仰坡形成成洞面，邊仰坡坡度為1︰0.5，開挖土方量較小。缺點(diǎn)在于邊坡與原始山體坡度變化較大，邊坡處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，發(fā)生破壞，同時(shí)仰坡上部存在一較大天然埡口，導(dǎo)致仰坡處易產(chǎn)生滑移破壞。

圖4　右洞邊坡開挖示意圖Fig. 4　Diagram of right tunnel slope excavationa.原設(shè)計(jì)方案； b.優(yōu)化后方案

調(diào)整后的香山隧道優(yōu)化進(jìn)洞方案如圖4b所示。具體方案為：(1)明挖明作，原設(shè)計(jì)右洞洞口仰坡處有一沖溝，對(duì)仰坡位移影響較大，因此采用明挖明作法施工，即把右幅位于沖溝至洞口的淺埋偏壓段采取明挖。(2)左右洞邊分層開挖防護(hù)，根據(jù)定位好的邊仰坡開口線，從上而下分層進(jìn)行邊仰開挖及防護(hù)。香山隧道邊仰坡最高處為60m，邊仰坡分臺(tái)階進(jìn)行開挖防護(hù)，每臺(tái)階高度為8m，坡度為1︰0.75，因此最高處為7級(jí)半臺(tái)階。優(yōu)化后方案一方面將成洞面向山體內(nèi)延伸，埡口段采用明挖回填，避免了仰坡處的滑移破壞； 另一方面放緩邊坡坡度，并采用分層臺(tái)階法開挖噴護(hù)，能夠有效限制邊坡處的滑移趨勢(shì)。

3　數(shù)值結(jié)果分析

3.1有限元模型合理性驗(yàn)證

圖5為優(yōu)化后設(shè)計(jì)右洞各斷面拱頂累計(jì)沉降值曲線圖，沉降最大值在距洞口20m處，計(jì)算沉降為17.78mm，實(shí)際沉降為24.13mm。由于模型計(jì)算并沒有考慮爆破震動(dòng)和施工對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響，因此計(jì)算值要略小于實(shí)際值。

圖5　優(yōu)化后設(shè)計(jì)右洞拱頂各斷面累計(jì)沉降Fig. 5　Right tunnel vault’s accumulated subsidence with different distance to tunnel entrance of optimized project

圖6為設(shè)計(jì)優(yōu)化后右洞距洞口2m處隧道斷面沉降變化曲線。由于未考慮爆破震動(dòng)和施工對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響，實(shí)際沉降值大于計(jì)算沉降值。

圖6　優(yōu)化后設(shè)計(jì)右洞洞口斷面沉降Fig. 6　Right tunnel vault’s subsidence with different load case at tunnel entrance of optimized project

3.2原設(shè)計(jì)數(shù)值結(jié)果

各位移曲線橫坐標(biāo)所代表的在邊、仰坡上的位置如圖3 所示，以下不再贅述。

3.2.1右洞洞口邊坡位移特征

圖7和圖8 分別為不同工況下右洞邊坡Y方向(橫向)位移和Z方向(豎向)位移。由圖6 和圖7 可知：右洞邊坡最大Y向位移發(fā)生在坡體前緣距原點(diǎn)40m處，約為32.9mm。Y向位移沿前緣向后緣逐漸減小，沿坡頂至坡腳逐漸減小。且第1、2和3級(jí)邊坡開挖時(shí)位移增幅較大。右洞邊坡最大Z向位移位于坡體前緣距原點(diǎn)30m處，約為12.5mm。Z向位移沿前緣向后緣逐漸減小，沿坡頂至坡腳逐漸減小。且第1、2級(jí)邊、仰坡開挖時(shí)位移增幅較大。

3.2.2右洞洞口仰坡位移特征

圖9和圖10 分別為不同工況下右洞仰坡X方向位移和Z方向位移。由圖8 和圖9 可知：右洞仰坡最大X向位移位于坡體前緣距原點(diǎn)8m處，約為12.7mm。X向位移沿前緣向后緣逐漸減小，沿坡頂至坡腳變化不大，說明邊坡滑移土體深度較大，將整個(gè)仰坡包含在內(nèi)。位移受隧道開挖影響較大，位移最大點(diǎn)的隧道開挖后位移占總位移的57.1%。右洞仰坡最大Z向位移位于坡體前緣距原點(diǎn)12m處(即距前緣3m處)，約為10.9mm。Z向位移沿前緣向后緣逐漸減小，沿坡頂至坡腳變化不大。位移受隧道開挖影響極大，位移最大點(diǎn)的隧道開挖后位移占總位移的94.2%。右洞仰坡Z向位移主要受隧道開挖的控制，坡體最前緣由于埋深最淺，影響最大。隨著隧道埋深增大，位移受隧道開挖影響逐漸減小。

3.2.3右洞洞口邊坡力學(xué)特征

圖11和圖12 為右洞邊坡最大、最小主應(yīng)力圖，主應(yīng)力的分布主要受自重的影響，隨著埋深而增加，而在邊坡坡腳處出現(xiàn)了應(yīng)力集中，且主要為壓應(yīng)力，最大值達(dá)1.21MP。尤其在隧道成洞面附近邊坡的應(yīng)力集中較為明顯，已發(fā)展至坡體中部。圖13 為右洞邊坡最大剪應(yīng)變圖，可知邊坡中部剪應(yīng)變最大，數(shù)值為1.18E-2，且該區(qū)域向坡體內(nèi)部延伸，從邊坡中部至上部坡體已經(jīng)形成貫通的區(qū)域，剪應(yīng)變值均較大，存在潛在滑移面如圖12 所示?？梢姡撨吰乱呀?jīng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡可能在潛在滑動(dòng)面發(fā)生剪切破壞?，F(xiàn)場(chǎng)施工也如所分析的一樣，邊坡在開挖后發(fā)生滑移破壞，如圖17 所示。

3.2.4右洞洞口仰坡力學(xué)特征

圖14和圖15 為右洞仰坡最大、最小主應(yīng)力圖，在仰坡坡腳出現(xiàn)應(yīng)力集中，表現(xiàn)為壓應(yīng)力，數(shù)值為1.01MP，圖15 為右洞仰坡最大剪應(yīng)變圖，在仰坡中部剪應(yīng)變最大，數(shù)值為5.51E-3，且向坡體內(nèi)部延伸至坡體上部形成貫通面，存在潛在滑動(dòng)面如圖16 所示。然而這是在隧道未開挖時(shí)的狀態(tài)，當(dāng)隧道開挖后，坡體下部臨空，導(dǎo)致坡體應(yīng)力增大，剪應(yīng)變突變，潛在滑移面可能發(fā)生滑動(dòng)侵入隧道斷面，而現(xiàn)場(chǎng)施工中正如所分析一樣，仰坡在隧道開挖后產(chǎn)生滑動(dòng)導(dǎo)致隧道襯砌受力開裂，如圖18 所示。

3.2.5隧道洞口邊、仰坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

對(duì)于隧道右洞邊坡，Y向(橫向)和Z向(豎向)位移為控制位移。兩個(gè)方向位移較大且都發(fā)生在距邊坡原點(diǎn)30～40m處。Y向和Z向位移都是邊坡前緣最大，向后緣逐漸減小，與典型的牽引式滑移模式相吻合，即邊坡前緣土體率先發(fā)生滑動(dòng)并帶動(dòng)邊坡后緣土體一起滑動(dòng)。邊坡力學(xué)特征分析也證明了這一點(diǎn)，邊坡前緣剪應(yīng)變值最大，同時(shí)向坡體內(nèi)部延伸，坡體前緣可能率先發(fā)生破壞并帶動(dòng)坡體內(nèi)部土體沿潛在滑移面發(fā)生滑移破壞。同時(shí)，第1、2級(jí)邊坡開挖對(duì)位移影響較大，隧道開挖對(duì)右洞邊坡影響較小。

圖7　邊坡Y方向位移Fig. 7　Y displacement of slope beside tunnel

圖8　邊坡Z方向位移Fig. 8　Z displacement of slope beside tunnel

圖9　仰坡X方向位移Fig. 9　X displacement of slope above tunnel

圖10　仰坡Z方向位移Fig. 10　Z displacement of slope above tunnel

圖11　邊坡最大主應(yīng)力等值線圖Fig. 11　Max principal stress isogram of slope beside tunnel

圖12　邊坡最小主應(yīng)力等值線圖Fig. 12　Minor principal stress isogram of slope beside tunnel

圖13　邊坡最大剪應(yīng)變等值線圖Fig. 13　Maximum shear strain isogram of slope beside tunnel

圖14　仰坡最大主應(yīng)力等值線圖Fig. 14　Max principal stress isogram of slope above tunnel

圖15　仰坡最小主應(yīng)力等值線圖Fig. 15　Minor principal stress isogram of slope above tunnel

圖16　仰坡最大剪應(yīng)變等值線圖Fig. 16　Maximum shear strain isogram of slope above tunnel

對(duì)于右洞仰坡，在X向(縱向)和Z向(豎向)位移值均較大。沿X向前緣位移最大，向后緣逐漸減小，仰坡前緣的剪應(yīng)變值最大，且向坡體內(nèi)部延伸，有牽引式滑動(dòng)的趨勢(shì)。隧道開挖對(duì)仰坡的穩(wěn)定性影響極大，隧道開挖后位移占仰坡總位移的50%以上。因此仰坡很有可能在隧道進(jìn)洞后發(fā)生滑塌，原隧道進(jìn)洞方案需要優(yōu)化，以保證隧道施工安全。

3.3優(yōu)化后設(shè)計(jì)數(shù)值結(jié)果

3.3.1右洞洞口邊坡位移特征

圖17和圖18 分別為不同工況下右洞邊坡Y方向位移和Z方向位移。由圖11 和圖12 可知：右洞邊坡最大Y向位移發(fā)生在坡體前緣距原點(diǎn)60m處，為12.5mm。Y向位移沿前緣向后緣逐漸減小，沿坡頂至坡腳位移有起伏。邊坡位移受隧道開挖影響較小。右洞邊坡最大Z向位移位于坡體前緣距原點(diǎn)45m處，為3.7mm。Z向位移沿前緣向后緣逐漸減小，沿坡頂至坡腳位移有起伏。邊坡位移受隧道開挖影響較小。

3.3.2右洞洞口仰坡位移特征

圖19和圖20 分別為不同工況下右洞仰坡X方向位移和Z方向位移。由圖13 和圖14 可知，右洞仰坡最大X向位移位于坡體前緣距原點(diǎn)45m處，為3.5mm。X向位移沿坡體前緣距原點(diǎn)35～45m處距隧道拱頂最近，地表最薄，因此位移較大。X向位移沿前緣向后緣變化較小，沿坡頂至坡腳位移變化較小，略有增加，說明潛在滑移面距地表較深，坡體為整體位移。右洞仰坡X方向位移受隧道開挖影響較大，最大位移點(diǎn)處隧道開挖所產(chǎn)生的位移約占總位移的69.2%。右洞仰坡最大Z向位移位于坡體前緣距原點(diǎn)35m處，為1.9mm。Z向位移沿前緣向后緣有增大趨勢(shì)，沿坡頂至坡腳位移有減小趨勢(shì)，且位移受隧道開挖影響較大。

圖17　邊坡Y方向位移Fig. 17　Y displacement of slope beside tunnel

圖18　邊坡Z方向位移Fig. 18　Z displacement of slope beside tunnel

圖19　右洞仰坡X方向位移Fig. 19　X displacement of slope above tunnel

圖20　右洞仰坡Z方向位移Fig. 20　Z displacement of slope above tunnel

圖21　邊坡最大主應(yīng)力等值線圖Fig. 21　Max principal stress isogram of slope beside tunnel

圖22　邊坡最小主應(yīng)力等值線圖Fig. 22　Minor principal stress isogram of slope beside tunnel

圖23　邊坡最大剪應(yīng)力等值線圖Fig. 23　Maximum shear strain isogram of slope beside tunnel

3.3.3右洞洞口邊坡力學(xué)特征

圖21和圖22 分別為優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案邊坡最大、最小主應(yīng)力等值線圖，由圖可明顯可出，坡腳處的應(yīng)力集中得到了明顯的改善，在最大主應(yīng)力圖中坡腳處的應(yīng)力集中現(xiàn)象已不明顯，在最小主應(yīng)力圖中，坡腳雖然依然存在應(yīng)力集中，但量值有所減小，僅為0.81MP。圖23 為優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案邊坡最大剪應(yīng)力圖，優(yōu)化后剪應(yīng)力狀態(tài)與原設(shè)計(jì)方案相比已有明顯改善，最大值僅為3.87E-3，較之原設(shè)計(jì)明顯減小，且較大值范圍均較小，不存在從坡體前緣連通至坡頂?shù)臐撛诨泼?。說明優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案改善了洞口邊坡的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，限制了其滑移破壞的趨勢(shì)。

3.3.4右洞洞口仰坡力學(xué)特征

圖24和圖25 分別為優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案右洞仰坡最大、最小主應(yīng)力等值線圖，由圖可知，原設(shè)計(jì)方案中仰坡坡腳的應(yīng)力集中已得到改善，沒有明顯的應(yīng)力集中區(qū)域，最小主應(yīng)力值為0.83MP，較之原設(shè)計(jì)明顯減小，同時(shí)由圖26 仰坡最大剪應(yīng)力等值線圖可知，最大剪應(yīng)變值僅為約1MP，且不存在剪應(yīng)變較大值貫通的區(qū)域。說明優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案對(duì)改善仰坡穩(wěn)定性是有效的。

圖25　仰坡最小主應(yīng)力等值線圖Fig. 25　Minor principal stress isogram of slope above tunnel

圖26　仰坡最大剪應(yīng)變等值線圖Fig. 26　Maximum shear strain isogram of slope above tunnel

3.3.5原設(shè)計(jì)和優(yōu)化后設(shè)計(jì)邊仰坡穩(wěn)定性對(duì)比

為了更為直觀的說明優(yōu)化后隧道進(jìn)洞方案的可行性和合理性，將原設(shè)計(jì)和優(yōu)化后設(shè)計(jì)的邊、仰坡位移分別繪于圖27 和圖28。其中圖例“原設(shè)計(jì)”為原設(shè)計(jì)模型中工況Lcase32的位移曲線，圖例“優(yōu)化后設(shè)計(jì)1”和“優(yōu)化后設(shè)計(jì)2”分別為優(yōu)化后設(shè)計(jì)模型中工況Lcase32和Lcase52的位移曲線圖。

由圖27 可知，對(duì)于隧道右洞邊坡，主要位移方向?yàn)閅向和Z向。Y向位移最大值為原設(shè)計(jì)的38.1%，且最大值位置距右洞洞口相比原設(shè)計(jì)遠(yuǎn)20m左右，隧道施工對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較小。Y向位移沿坡頂至坡腳變化較小，不存在位移突變坡造成的巖體破壞現(xiàn)象。Z向位移最大值約為原設(shè)計(jì)的25.1%。

由圖28 可知，對(duì)于右洞仰坡，優(yōu)化后設(shè)計(jì)的X向和Z向右洞仰坡位移明顯小于原設(shè)計(jì)，坡體較原設(shè)計(jì)更為穩(wěn)定。且位移從坡頂?shù)狡履_變化較小，邊坡為整體變形狀態(tài)。

由原設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案的力學(xué)特征分析可知優(yōu)化后設(shè)計(jì)有效改善了應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力應(yīng)變量值也有所減小，同時(shí)原設(shè)計(jì)中邊、仰坡處出現(xiàn)的貫通潛在滑移面在優(yōu)化后只出現(xiàn)前邊、仰坡前部，不在向內(nèi)部坡頂貫通。

圖27　右洞邊坡位移對(duì)比Fig. 27　Displacement comparison of slope beside tunnel

圖28　右洞仰坡位移對(duì)比Fig. 28　Displacement comparison of slope above tunnel

綜上所述，優(yōu)化后的隧道右洞進(jìn)洞方案所造成的邊、仰坡位移遠(yuǎn)小于原設(shè)計(jì)，且邊、仰坡位移變化較為平緩，不存在位移突變情況，坡體處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)也得到了有效地改善，說明優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案是有效的。

在施工現(xiàn)場(chǎng)，前期進(jìn)洞采用了原設(shè)計(jì)方案，正如文中所判斷的一樣，隧道洞口邊仰坡各發(fā)生了一次滑塌(圖29～圖31)，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度，并造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。后來施工單位采用優(yōu)化方案施工后，邊仰坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，隧道順利安全進(jìn)洞，如圖32 所示。

圖29　邊坡滑坡Fig. 29　Landslide of slope

圖30　仰坡滑移致襯砌開裂Fig. 30　Tunnel lining cracks caused beside tunnel by slipped of slope above tunnel

圖31　仰坡滑移導(dǎo)致仰坡噴護(hù)開裂Fig. 31　Cracks of slope above tunnel

圖32　隧道順利進(jìn)洞Fig. 32　Tunnel constructed successfully

4　結(jié)　論

通過對(duì)高邊坡淺埋偏壓隧道進(jìn)洞施工方案優(yōu)化，深入分析了洞口邊仰坡在隧道進(jìn)洞過程中的位移、應(yīng)力、應(yīng)變的變化趨勢(shì)，為采取合理有效的進(jìn)洞施工方案提供了技術(shù)支撐，并得到以下結(jié)論：

(1)對(duì)于有坡積土的隧道進(jìn)口邊、仰坡，開挖坡度與原始坡度突變會(huì)在突變出產(chǎn)生較大應(yīng)力應(yīng)變值，可能產(chǎn)生貫通的剪應(yīng)變較大值區(qū)域，形成潛在滑移面，對(duì)隧道修建造成危害。

(2)坡積坡積土邊、仰坡產(chǎn)生滑移時(shí)，位移前緣大，向后緣逐漸減小，應(yīng)力集中發(fā)生在坡腳，應(yīng)變較大值出現(xiàn)在坡體前緣，滑移模式類似牽引式滑移模式。

(3)對(duì)高陡邊坡放緩其坡度并采用分層臺(tái)階開挖噴護(hù)可有效減小其位移并改善應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，消除應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高邊、仰坡穩(wěn)定性。因此，適宜的邊坡坡形對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大。

(4)隧道開挖對(duì)邊坡位移影響較小，對(duì)仰坡位移影響較大。因此本隧道邊坡的破壞發(fā)生在隧道進(jìn)洞前，而仰坡的破壞發(fā)生在隧道進(jìn)洞以后，破壞后導(dǎo)致隧道襯砌開裂，危害較大。

(5)隧道洞口淺埋段的沖溝對(duì)仰坡位移有較大的影響，對(duì)洞口仰坡的穩(wěn)定性有不利影響。將沖溝到洞口的淺埋偏壓段采用明挖法施工后有效的減小了仰坡的位移，增強(qiáng)了仰坡的穩(wěn)定性。因此，適宜的仰坡坡形對(duì)仰坡穩(wěn)定性具有重要影響。

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DEFORMATION MECHANISM OF SLOPE COVERED WITH CLINOSOL AT TUNNEL ENTRANCE AND ASSOCIATED EXCAVATION TECHNOLOGY IN NORTH HUBEI PROVINCE

DA Xiaowei①SHAO Zhushan①GAO Huaipeng②XU Peng②WANG Xinyu①SONG Lin①③

(①Xi′anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi′an710055)(②ChinaFirstHighwayEngineeringCo.，Ltd.，Beijing100024)(③ChinaRailwayFirstGroupCo.，Ltd.，Xi′an710054)

The slope with colluvial soil near the entrance of tunnels has poor self-stability after excavation and is influenced by tunnel excavation. Therefore landslides can occur frequently， which can bring economic losses and endanger the safety of construction workers. This paper is based on Xiangshan tunnel and conduct three-dimensional finite element numerical simulation model on the basis of tunnel site topography and geology. It analyzes the changing processes of displacement and stress of slope near tunnel entrance and the influence of tunnel excavation to slope. Then， it optimizes the excavation scheme of tunneling. The research result shows that the abrupt change of gradient between excavation slope and original slope induces stress concentration and forms potential slip surface. Then， the tunnel excavation can impact greatly on deformation， stress and strain of front slope. Excavating slope in layers can effectively improve the stress-strain state of the slope. An appropriate shape of slope has a significant influence on stability of slope near tunnel entrance．

Tunnel entrance， Slope， Colluvial soil， Excavation

10.13544/j.cnki.jeg.2016.03.017

2015-02-09;

2015-05-13.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(10772143)，陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2013KTCQ01-16)資助.

達(dá)曉偉(1990-)，男，碩士，主要從事隧道與地下工程研究工作. Email: daveyda@sina.cn

簡(jiǎn)介： 邵珠山(1968-)，男，博士，教授，主要從事隧道與地下工程方面的教學(xué)與研究工作. Email: shaozhushan@xauat.edu.cn

TU43

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