朱　超

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)

1　工程简介

罗家村隧道是大理—瑞丽铁路重要控制工程之一，全长534 m，最大埋深54 m，最小埋深18 m。隧道区属低山剥蚀、坡残积缓坡地貌。山体大致走向为南北向，地势东北高，西南低，起伏较大，地面高程1 540～1 745 m，相对高差200 m。横向冲沟较发育，地面横坡变化较大，10°～45°不等。区内上覆第四系全新统滑坡堆积体(Q4del)粉质黏土，冲洪积(Q4al+pl)粉质黏土、碎石土，残坡积(Q4dl+el)粉质黏土、碎石土；下伏基岩为侏罗系中统花开左组一段泥岩夹砂岩及断层影响带压碎岩。

隧道开挖至D2K28+072处，于D2K28+052处发生塌方，塌方后地表形成裂缝，且迅速明显增大、增长，顺着原有裂缝向大里程方向延伸，裂缝宽度1～12 cm，并形成多条横向裂缝，长8～30m，宽1～6 cm。随后洞内D2K28+040～+078段初期支护发生环向、纵向开裂，喷射混凝土掉块，收敛变形增大。现场调查发现地表裂缝与隧道围岩裂隙贯通，实质已形成山体开裂(见图1)。

图1　地表开裂与隧道相对位置示意

隧道山体开裂呈现以下特征：

①纵向、横向均发生开裂。

②纵向开裂张开度小，延伸长，倾向变化较大。

③横向开裂张开度较大，延伸相对较短，倾向与基岩岩层倾向大体一致，顺坡倾向横向沟谷。

④开裂部位岩体节理较发育，岩体较破碎。局部裂缝有泥质充填，表明其沿岩体节理面开裂形成。

2　坡体天然状态下的稳定性分析

在边坡稳定性分析领域，极限平衡法应用较多。

对坡体进行极限平衡分析时，一般采用比较特殊的条分方式，目前常用的条分法有瑞典法、bishop法、Janbu法、传递系数法等。

应用极限平衡原理，选用Slide软件Bishop法计算分析坡体天然状态下的稳定性。依据罗家村隧道工程勘察及隧址区实测资料，建立二维分析模型，如图2所示。坡体内岩土体物理力学参数见表1。

表1　岩土体物理力学指标

图2　稳定性分析二维模型

二维数值计算分析的结果表明，天然状态下坡体抗滑稳定的安全系数K=1.27，潜在滑移面穿越拟开挖隧道洞身，坡体自稳能力较好。

3　隧道开挖对坡体稳定性的影响分析

强度折减技术的原理是利用公式(1)和(2)调整土体的强度指标c，φ，其中Ft为折减系数，然后对坡体进行有限元分析，通过不断地增加折减系数Ft，反复分析坡体，直至其达到临界破坏状态，此时得到的折减系数即为安全系数Fs。

ct=c/Ft

(1)

φt=arctan(tanφ/Ft)

(2)

用强度折减有限元方法分析边坡的稳定性，通常采用解的不收敛作为破坏标准，在用户指定的收敛准则下算法不能收敛，表示应力分布不能满足坡体的破坏准则和总体平衡要求，意味着出现破坏。

以罗家村隧道进口段坡体为研究对象，采用有限元强度折减法，选取Midas/GTS软件建立计算模型，对隧道施工过程中坡体抗滑稳定状态进行动态模拟，分析隧道开挖对坡体稳定性的影响。根据地质勘测部门提供的地质图，在尽量与原地形相吻合的情况下简化模型，取得了很好的效果。计算模型网格划分如图3～图6所示。坡体材料特性按均质弹塑性考虑，采用莫尔—库仑屈服准则。

图4　坡体网格划分侧视

图5　隧道网格划分

图6　隧道网格划分侧视图

在模拟过程中，采用台阶法开挖，先开挖上台阶，计算一定时间步后施做上部初支，后开挖下台阶，释放一定时间步后初支闭合，上下台阶错距5 m。围岩及支护结构物理力学参数如表2。

表2　岩土体物理力学指标

图7为隧道开挖过程中坡体抗滑稳定安全系数变化曲线，可见隧道开挖对坡体稳定性有较大影响。坡体在天然状态下的稳定安全系数为2.825，可见二维状态下的计算值偏于保守。在隧道进尺20～45 m段，坡体的抗滑稳定安全系数降低速率最大，坡体的稳定性受到隧道开挖的影响最大。此时，坡体由于地层中岩体的碎裂结构及开挖卸荷作用抗滑力降低较大，内部变形趋势在坡面上表现为碎石几何位置的调整，在开挖的初始阶段，坡面岩体发生松动变形，局部有顺层滑塌趋势，地表出现小规模的开裂。随着开挖进程的深入，坡体下部临空面积增大，坡体抗滑稳定能力持续降低，滑移失稳趋势增强，坡面岩体变形增大，地表开裂规模也随之增大，坡体安全系数K在隧道开挖至55 m后降低速率减小明显，最终收敛于1.872。此时，坡体内岩体破碎程度降低，整体性较好，隧道开挖对坡体的稳定性影响程度逐渐减弱，直至不再产生影响。隧道开挖没有导致坡体滑动失稳破坏，坡体自稳能力较好，但整体稳定性变化较大，施工中务必采取治理措施，防止坡体的开裂破坏隧道结构。

图7　安全系数变化曲线

4　结束语

随着隧道工程的开挖进尺，其对围岩的扰动影响十分强烈。地应力在隧道开挖过程中不断进行调整、转移和应力集中，并且形成次生应力场，岩体中伴随产生卸荷裂隙。岩体中裂隙更为发育，结构面之间相互切割，岩体亦成碎裂块状。由于岩体的自身重力及隧道开挖的卸荷作用，山体沉降失稳，加上结构面的切割作用，岩体松动破碎，裂隙张开，且多处形成切层连通，岩体之间开裂加剧，结构面完全贯通，最终导致了罗家村隧道山体的开裂。

尽管隧道工程开挖后进行了支护结构的施工，但是支护始终滞后于开挖，隧道一旦开挖，围岩的弹塑性变形将在短时间内完成。即使支护完成之后，仍需一定时间的固结、硬化过程，在此过程中，围岩继续变形。工程的原位岩体是有初始应力的，而支护结构逐渐开始受力，并最终参与地层的新的应力平衡。在此期间，大部分构造应力已经释放，释放过程势必引起大范围的岩体位移，隧道开挖不可避免的引起围岩移动，最终促使山体的开裂。支护结构强度的不足，还会引起隧道结构的变形甚至破坏。

在隧道施工过程中，务必加强支护，严格控制分台阶开挖的步距，可选用超前小导管与刚架支撑体共同组成支护系统，小导管起到超前管棚和注浆管作用，通过注浆形成加固层，提高围岩的整体性和自稳能力，防止掘进中的过大变形和垮塌。

[1]王思敬，等.地下工程岩体稳定分析[M].北京：科学出版社，1984

[2]朱大勇，钱七虎，周早生,等.复杂形状硐室围岩应力的弹性解析分析[J].岩石力学与工程学报，1998(4)：402-404

[3]于学馥，郑颖人,等.地下工程围岩稳定性分析[M].北京：煤炭工业出版社，1983．

[4]陈帅宇，周维垣，杨强,等.二维快速拉格朗日法进行水布亚地下厂房的稳定性分析[J].岩石力学与工程学报，2003，22(7)：1047-1053

[5]孙红月，尚岳企，张春生.硐室围岩薄弱区三维数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报，2004，23(13)：2192-2196

[6]余卫平，耿克勤，汪小刚.某水电站地下厂房硐室群围岩稳定性分析[J].岩土力学，2004，25(12)：1955-1960