隧道洞口开挖诱导高陡边坡滑动变形及支护研究*

吕 鑫，祝方才，高乐星，晏 仁

(1.中铁北京工程局集团第二工程有限公司，湖南 长沙 410116； 2.湖南工业大学土木工程学院，湖南 株洲 412007)

0 引言

洞口段施工是山岭隧道安全、顺利进洞的关键，直接关系到工程的工期和造价，但在实际进洞施工过程中常出现隧道边仰坡滑塌等工程事故[1-5]。据不完全统计，2006—2016年，我国在公路、铁路隧道建设过程中发生了多起洞口边仰坡坍塌事故，造成巨大的经济损失及恶劣的社会影响。发生此类事故的原因是多方面的，其主要原因为山岭隧道洞口段往往存在地质条件差、埋深浅甚至偏压等施工难点，加上施工扰动等外界因素的不利影响，稍有不慎便会导致进洞施工过程中的边仰坡滑塌事故发生。然而，当前关于该类问题的研究相对较少，既有成果主要侧重于隧道边仰坡失稳原因和处治措施方面，未综合考虑古滑坡、隧道边仰坡失稳和隧道洞口大变形情况。

另外，原始数据怎样快速准确地转换为三维模型，一直也是各界所关注的热点问题。各种曲面构成了物体的表面，可以说，三维模型就是以曲面拟合为基础建立[6]。早在1997年，Piegl Les等就提出了关于使用B样条曲面拟合的方法[7]，由于B样条曲面具有直观性、自动连续性等优点，近年来，基于B样条曲面的自由曲面的重建方法被广泛应用到各领域，同时也衍生出许多以此为基础的优化方法。本文的地质建模将采用反算B样条曲面理论[8]，对地层进行拟合从而建立三维地质模型。

本文以某高速公路隧道为例，针对该隧道进洞施工过程边仰坡滑塌的处治方案及大变形控制技术，通过现场调查、数值模拟和现场测试的方法开展研究，以探明该高速公路隧道边仰坡失稳的主要原因，进而提出相应的滑坡处治措施为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

云南省中部某高速公路隧道，隧道进口段仰坡原始地貌为单斜地形，原始斜坡自然坡度在 20°～35°，坡体大多为阶梯状耕地，植被稀疏，为侵蚀～剥蚀低中山地貌(见图1)。场区地层特性为：①覆盖层 坡积层(Qdl)含碎石粉质黏土，呈可塑状，含少量强风化基岩碎石、角砾，碎石成分为强风化板岩，粒径0.2～2cm，场区均有分布，厚度 0～5m；②强风化层板岩 呈薄层状，岩体破碎，呈松散碎裂结构，岩心呈砂状，钻探揭露厚度一般15～26m；③中风化层板岩 呈薄层状，岩体较破碎～较完整，岩心多呈砂状，少量块状。

图1 某高速公路隧道滑坡全貌

因高速公路隧道建设的需要，在坡体上进行仰坡及便道开挖，导致因仰坡开挖切脚临空，进口段仰坡多发多次开裂变形，坡体浅表层产生开裂变形形成多处牵引式裂缝，最长裂缝达52m，裂缝宽度一般0.2～2cm，最大达8cm，坡体上部村寨部分民房开裂，如图2，3所示。

图2 坡面裂缝

图3 村寨民房墙体开裂

最远裂缝距离隧道洞口约200m，滑坡宽度达130m，形成滑坡体，并有进一步扩大变形的趋势，造成滑坡与上部既有的古滑坡体相接，导致古滑坡体出现复活趋势，隧道洞口段施工也减小了边仰坡支撑力，使得隧道变形增加，稳定性降低。将严重危及坡体上村寨居民的人身财产、高速公路隧道及下方某特大桥的建设安全，需进行工程处治。

2 B样条曲面拟合

B样条曲面方程由u，v方向上的控制点网格、单变量B样条基函数和2个节点矢量构成，定义了一张张量积曲面，其曲面表达式为[9]：

(1)

式中：Pi,j(i=0,1,…,m;j=0,1,…,n)为构成三维空间中控制网格的点阵列，大小为(m+1)×(n+1)；Ni,p(u)和Nj,q(v)分别为定义在节点矢量U和V上的p，q次B样条基函数。节点矢量U=[u0,u1,…,um+p+1]，V=[v0,v1,…,vn+q+1]。

实际勘探中测得的数据有限，为精确拟合实际地层曲面，需根据已知数据反算B样条曲面控制点，得到足够多的控制点后再进行曲面拟合。反算B样条曲面拟合可分2步完成[8,10]：首先对数据点进行u方向的B样条曲线拟合，然后对所得的数据点进行v方向的B样条曲线拟合。

(2)

(3)

此时，可将式(3)视为一条样条曲线，其控制点为ci(v) (i=0,1,…，m)，将此m+1个控制点代入式(2)即得以u为参数的曲线面。其中，必有n+1条过已知数据点的曲线，称其为截面曲线。

(4)

(5)

通过式(5)反算可求得B样条曲面的(m+1)×(n+1)个控制点pi,j(i=0,1,…,m;j=0,1,…,n)，从而拟合地层曲面建立三维地质模型。

结合MIDAS GTS三维有限元软件，根据以上B样条曲面理论和实际勘探得到的数据点(见表1)，拟合的地层曲面如图4所示。

图4 地表B样条曲面拟合

表1 地表钻孔坐标

同理，依次可拟合出第2层和第3层地层的曲面图，然后参考边坡主要岩土力学参数表(见表2)，表中物理力学参数是根据地质勘察报告，结合工程类比及相关规范获得，纵向生成实体单元后最终得到完整的三维地质模型(见图5)。

表2 边坡各土层参数

图5 三维地质模型

反算B样条曲面拟合方法很好地解决了小样本情况下地层曲面拟合精度不够的问题，使拟合的地层曲面更加贴合实际情况，建立的三维地质模型更加直观连续。

3 切坡及支护对古滑坡的影响

基于B样条曲面拟合建立的三维地质模型(见图5)，使用GTS/NX模拟实际工程中的切坡与支护过程。

古滑坡位置如图6所示。大量实践表明，滑坡破坏的主要位置即最大剪应变发生的区域，在边坡稳定性有限元分析中，塑性区贯通的判定主要是依据剪切应变，因此需通过查看应变结果确定最危险滑动面，即在GTS/NX中查看等效塑性应变(E-EFFECTIVE PLASTIC)结果[11]，不同于描述变形过程中某一时刻的塑性应变，等效塑性应变是整个变形过程中塑性应变的累积结果。

图6 古滑坡位置

图7显示切坡后坡体塑性区贯通，证实了边仰坡开挖会导致古滑坡复活，沿着潜在最危险滑动面发生滑动变形，图中贯通的塑性带即为最危险滑动面，此时边坡处于时效变形阶段，为防止该边坡整体失稳，需及时对其进行支护加固，加固方案采取钢管桩对发育中的超高陡大型滑坡体进行初期加固，然后利用预应力锚索框架梁对超高陡大型滑坡体进行二次加固，最后采用双级抗滑桩对超高陡大型滑坡体进行最终加固。其材料参数如表3所示。

图7 切坡未加固等效塑性应变

表3 边坡加固材料参数

在GTS/NX建模过程中，除土体采用实体单元外，其他均采用结构单元进行模拟。因为实体单元虽比较直观，但数据提取和处理有些困难，同时数据有时会出现很大误差，应用结构单元得到的数据较精确，结构单元还可简化计算，像锚杆、梁等结构GTS/NX中就有类似的材料参数可供选择输入，况且对于隧道边坡这种较复杂的结构，关注的重点是结构总体受力情况，因此除土体外其他结构使用结构单元更方便。

抗滑桩以受弯为主且长度远大于横截面尺寸，相比于梁单元与其他单元同时用时须共节点，植入式梁单元无须共节点，因此采用植入式梁单元模拟抗滑桩较合适；植入式桁架单元一般用于模拟如忽略弯曲的锚索、土钉等结构单元；板单元可考虑平面受拉、受压、平面受剪、平面外受弯、厚度方向的剪切，故用板单元模拟框架梁。表3中材料参数则通过试验结合工程经验获得。

加固措施平面布置如图8所示。

图8 边坡加固措施平面布置

在最远地表裂缝及主裂缝外2～3m依据实际地形情况各做3排φ108×6钢管桩，钢管桩长25～30m，1m×1m 梅花形布置；I—I，II—II，III—III断面：在滑坡前缘均设置1排抗滑桩支挡，1排共5～8根，间距5m，长24～26m，截面尺寸为2.4m×3.6m；在隧道仰坡中下部设置预应力锚索进行预加固，锚索长26～33m，锚索沿坡面方向间距3～3.4m，倾角为20°，III—III断面锚索倾角30°，预应力600kN，横截面积1.8×10-4m2，浆液黏结力1×106N/m，抗拉强度 1 860MPa， 浆体内摩擦角20°，锚索端部设置框架梁，竖梁及横梁截面尺寸均为0.6m×0.6m，采用C30钢筋混凝土现浇。

图9显示切坡后的坡体最大位移达282mm，主要滑动部位为隧道洞口仰坡及古滑坡位置处。由图10可知，加固后隧道洞口仰坡和古滑坡的滑移量非常小，滑坡最大位移仅7mm，可判断加固后隧道洞口仰坡处于稳定状态。且通过强度折减法计算得出的初始应力场中边坡的安全系数为1.1，不满足隧道洞口仰坡安全系数的规范要求，在采用钢管桩、锚索和抗滑桩等复合式支挡结构加固后，边坡的安全系数为1.406 64(>1.3)，达到JTG/T 3334—2018《公路滑坡防治设计规范》要求：在滑坡防治安全等级为I级正常工况下稳定安全系数在1.20～1.30[12]。

图9 切坡未加固坡体位移云图

图10 切坡加固后坡体位移云图

为更全面地了解边坡的变形规律，对边坡进行布点监测，布置如图11所示。取切坡后孔JZK3，JZK5，JZK6的深部位移实际监测数据如图12所示。

图11 监测孔布置

图12 JZK3，JZK5，JZK6深部位移监测断面(单位：m)

由图12可知，切坡后距JZK3，JZK5，JZK6孔口0.6，2，3.3m处的实测位移约为190，270，160mm，使用钢管桩、锚索和抗滑桩加固后位移量分别控制在20，50，80mm左右。这表明随加固措施逐渐完成，坡体趋于稳定状态，与数值模拟的结果也相一致。监测数据还显示，边坡深部存在一定的位移，但位移量不大且随着深度增加而减小，这是受到隧道开挖影响，若隧道及滑坡处治不及时，将会诱发坡体沿潜在滑移面产生更深层次的滑动。

4 隧道进口开挖与边坡施工及支护耦合分析

隧道进口的开挖不仅易造成新的滑坡灾害，且对古滑坡也有一定影响[13]。隧道进口开挖时，由于开挖坡度与原始坡度的突变导致突变处应力、应变值激增，可能使边坡最大剪应变区域贯通，形成潜在滑移面[14]，给隧道安全进洞施工带来极大困难。分析隧道进口开挖与边坡间的相互作用原理及隧道进口边坡的稳定性动态便显得尤为重要。

在结合B样条曲面拟合理论与MIDAS GTS有限元软件建立更加贴合实际情况的三维地质模型基础上，借助MIDAS GTS/NX模拟隧道进口开挖，每次开挖进尺为25m。

数值模拟显示，随着隧道开挖，如图13所示，边仰坡的滑移量逐渐变大，开挖100m时滑移量达320mm，坡体产生向临空面的变形，极易造成洞口处滑坡。且隧道开挖后周围岩体产生变形，在支护结构薄弱的情况下加剧了隧道洞口段坡体的变形发展，坡体底部出现剪应力集中现象，如图14所示，因此得出隧道的开挖施工扰动是该隧道进口边仰坡变形的直接诱因。加固后的边仰坡位移云图如图15所示，可以看出，隧道进口处边仰坡的位移明显变小，隧道洞口变形得到有效控制。

图13 隧道分别开挖25，50,75，100m边坡位移云图

图14 隧道开挖后边坡的剪切应变

图15 加固后的边仰坡位移云图

根据现场提供的监测数据和数值模拟结果绘制位移-时间监测曲线如图16所示，其显示：对照分析JZK3，JZK5，JZK6数值模拟与实测位移的位移-时间曲线，各测点位移随着隧道开挖逐渐呈增大趋势，但随着支护加固措施的完成，位移量渐趋稳定。

图16 位移-时间监测曲线

通过对某高速公路隧道进口段在隧道开挖不同时段边仰坡变形、应力分布及加固后边仰坡变形的模拟研究，并对照实际监测资料分析得出，隧道开挖施工会造成围岩扰动，坡体底部出现应力集中然后引起边坡变形，边坡变形又反作用于隧道洞身，而对边坡进行了支护加固后隧道洞口大变形也随之趋于稳定，表明该支护方案合理有效。

5 结语

1)在小样本情况下，根据反算B样条曲面拟合理论，结合MIDAS GTS/NX三维有限元软件可对地层曲面进行拟合建立更加符合实际的隧道洞口段高陡边坡三维地质模型。

2)通过对切坡支护前后坡体的位移变化、坡体塑性区、隧道开挖时边坡的变形特征及应力、应变进行数值模拟分析，评估了隧道洞口段高陡边坡稳定性。

3)揭示了隧道进口边仰坡变形问题的起因是边仰坡的开挖导致古滑坡复活，加上隧道开挖施工扰动导致围岩松弛变形，围岩变形又引起边坡失稳，而边坡失稳又反作用于隧道洞身，形成恶性循环。

4) 提出了钢管桩+预应力锚索框架梁+抗滑桩的复合式支挡结构支护加固方案，对比数值模拟与现场监测结果，证明了该支护方案的合理有效性，可为类似工程提供借鉴。