淺埋偏壓隧道洞口段圍巖破壞機理

于群群,劉秀敏,鄭 允

(1.安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南232001；2.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071)

山嶺隧道在施工過程中，由于洞口段地質條件復雜，圍巖風化嚴重，且覆蓋層較薄，常發生洞內隧道塌方冒頂、洞外邊坡滑坡等災害，這種現象在淺埋偏壓隧道中尤其明顯。無論是隧道塌方還是邊坡滑坡，其本質都是圍巖失穩，因此許多學者從圍巖穩定性的角度對隧道塌方和邊坡滑坡進行研究。針對層狀巖體下隧道圍巖的失穩情況：邵遠揚[1]提出了四種典型的破壞模式，即順層滑移、彎曲折斷、擠壓外鼓和楔形體破壞；王傳智[2]以新安嶺隧道淺埋偏壓段為工程背景，得出圍巖級別、巖層傾角、隧道埋深及開挖順序是影響淺埋偏壓隧道圍巖穩定性的主要因素；鄧之友等[3]、陳紅軍等[4]、汪成兵等[5]通過模型試驗的方法對隧道圍巖的漸進破壞機制進行了研究，較好地解釋了試驗中隧道周邊的應力變化情況。隧道的破壞一般從掌子面內的變形開始，因此對隧道凈空收斂變化進行分析可預測其穩定性，茹國鋒等[6]結合實際工程，通過對隧道變形進行監控測量，采用回歸分析方法得出凈空收斂符合指數變化規律；巖若明等[7]，郭子紅等[8]運用極限分析原理推導出塌落面目標方程的參數表達式，定量分析了不同巖體參數對潛在塌方范圍的影響，通過研究破裂面分布形式和范圍來預測圍巖穩定性。而對于層狀巖質邊坡的失穩破壞，研究學者通過數值分析和模型試驗的方法對其破壞過程、破壞機理及其影響因素進行了分析[9-14]。對于這類災害，研究學者通常只從隧道或只從邊坡的角度分析其破壞行為，而實際上隧道與邊坡的破壞是緊密聯系、協同作用的。吳紅剛等[15]提出的基于“隧道-邊坡體系”的分析方法，系統解釋了隧道與邊坡的變形機理，為實際工程中采取合理防護措施提供了較為準確的理論依據。

本文針對廣西河百高速公路班丘隧道進口段滑塌事故，根據現場勘察、隧洞監測結果，運用數值模擬的方法，對淺埋偏壓隧道進口段塌方及邊坡變形破壞機理展開了深入研究，為塌方段和滑坡區的治理提供理論依據。

1 工程背景

班丘隧道位于東蘭縣武篆鎮班丘水庫南側，為分離式隧道，左線長990 m，最大埋深126.12 m，右線長1 005 m，最大埋深143.46 m，洞口段偏壓特征明顯。隧址區位于蘭木向斜西翼，無大的斷裂及全新世活動斷裂通過，場地穩定性較好。

隧道進口地形相對平緩，自然坡角20°～24°，邊坡上覆粉質黏土夾碎石，厚約5～7.6 m，下伏基巖為強中風化頁巖夾薄層泥砂巖，圍巖級別為Ⅴ級，巖體較破碎。

出口段邊坡基巖裸露，由強中風化石灰巖組成，自然坡度約40°，邊坡整體穩定性較好，巖體較破碎，圍巖級別為Ⅴ級，存在局部掉塊現象。隧道進、出口段第四系覆蓋層厚度稍大，受巖體巖性軟化及順坡向巖層產狀影響，施工開挖形成臨空時易引起斜坡失穩。

洞身圍巖主要由中風化石灰巖組成，圍巖級別為Ⅳ級，局部穩定性差，開挖后不及時支護可能產生掉塊現象。

2017年7月23日，隧道左線掌子面施工至ZK84+284里程時，左側拱腰局部巖體較破碎，呈塊碎狀構造，斜巖順層狀結構，施工過程中出現掉塊現象，局部偶爾有較大巖石滑落。

圖1 滑坡平面圖

ZK84+284～ZK84+271段，掌子面上臺階圍巖破碎范圍逐漸擴大，圍巖為強風化頁巖、灰巖，裂隙較發育。ZK84+271～ZK84+265段，巖體破碎范圍為左側拱腰至拱頂范圍。ZK84+265～ZK84+247段，拱頂120°范圍內巖體破碎，局部出現塌方，超挖現象嚴重。ZK84+247～ZK84+235段，巖體穩定性較好。ZK81+235～ZK84+215段，圍巖為第四系碎石土、粉質黏土，巖體破碎，埋深較淺，隧道內滲水嚴重。各里程位置見圖1。

2017年9月20日因長時間降雨，班丘隧道附近鄉道裂縫擴大，局部出現塌方，見圖2。2017年9月21日，班丘隧道左線進口段發生塌方，見圖3，同時，隧道上方邊坡產生滑坡?；麦w橫向寬度約為80 m，縱向長度約為100 m，水平面投影面積約為7 200 m2，見圖1?；衙婧缶壐叱碳s為500 m，滑裂面前緣高程約為439 m(左洞路基高程)，滑體高差約為61 m，滑動最大距離約為4 m?；w的地層巖性主要為三疊系下統頁巖夾薄層狀泥砂巖?；w下伏地層巖性為二疊系上統石灰巖。巖層產狀為58°∠20°～30°。結構面發育兩組：355°∠71°，5～6條/m； 210°∠75°，2～3條/m。經赤平投影分析無不利于邊坡穩定的裂隙組合，邊坡穩定性較差?；聟^自然地形的傾向為58°，坡度角約為20°～27°。

圖2 鄉道塌方 圖3 進口段塌方

2 圍巖失穩機制研究

2.1 監測數據分析

2017年8月31日，由于隧道上方鄉道局部出現裂縫，施工方對隧道洞內變形和鄉道沉降進行監測，本文主要選取隧道進口段典型斷面在9月5日至9月20日的隧道左線監控測量數據進行分析。ZK84+243斷面的拱頂沉降、凈空收斂曲線分別如圖4、圖5所示。

圖4 拱頂沉降曲線 圖5 凈空收斂曲線

由圖4可知：該斷面拱頂沉降初始變化較慢，中期增長較快，后期增長速率不穩定且有逐漸增大的趨勢，拱頂沉降不收斂，塌方前拱頂累計沉降量達到75.27 mm。由圖5可知：初始時收斂速率較慢，經過一段時間后，收斂速率增大，坍塌前凈空收斂最大值為8.78 mm。拱頂累計沉降量和凈空收斂累計值都不收斂，說明隧道洞內變形有持續增長的趨勢，隧道有塌方的可能性。

2.2 數值模擬研究

為研究班丘隧道破壞機理，采用FLAC3D對淺埋偏壓段ZK84+243剖面進行數值模擬，模型長243 m，寬1 m，共計122 023個四面體單元，模型底面固定，四面采用法向約束，鉛垂方向頂面為自由面。模型地質巖性分為兩層，第一層為中風化頁巖夾薄層狀泥砂巖，左線隧道處于其中；第二層為中風化石灰巖，右線隧道處于其中。當考慮結構面時，第一層采用遍布節理模型，當不考慮結構面時，第一層采用摩爾庫倫模型，第二層始終采用摩爾庫倫模型。本次計算按照隧道左、右線同時開挖的方式進行，計算模型如圖6所示。

圖6 計算模型

巖體計算參數包括巖體參數和結構面參數。巖體物理力學參數取值根據巖石力學試驗結果，結合結構面類型、物質成分、風化狀況等工程地質調查研究，對巖體參數綜合取值。計算考慮了降雨和結構面對破壞的影響，共進行三種工況的分析，各工況及巖體參數取值如表1所示。

表1 各工況及巖體參數取值

本文主要通過圍巖塑性區分布和位移場分布對巖體破壞形式進行分析。

(1)圍巖塑性區分布特征

隧道開挖引起圍巖應力重分布，當圍巖應力超過其屈服極限時，圍巖發生塑性變形，形成較大的塑性分布區。當塑性變形繼續發展超過圍巖的變形極限時，圍巖發生破壞。塑性區不能直接代表圍巖破壞的區域，但能夠直觀、綜合的反映圍巖的穩定狀態[16]。不同工況下圍巖塑性區分布如圖7所示。

圖7 塑性區分布

由圖7可知：對于工況1，塑性區主要分布在左線隧道淺埋側拱肩處，為節理的剪切和拉伸屈服，呈帶狀沿左側拱肩向地表的近垂直發展；工況2塑性區小范圍分布在左線淺埋側拱肩，為巖體的剪切屈服；工況1和工況2條件下，均未形成塑性貫通區，圍巖穩定性較好，隧道不易發生破壞；工況3圍巖塑性區分布狀態發生改變，表現為左線隧道深埋側拱腳處出現節理的剪切屈服帶，淺埋側拱肩塑性區形狀發生改變，在隧道拱頂和淺埋側拱肩之間形成拱形拉伸屈服帶，即為拱形塌方的輪廓線，拱形屈服帶上方分布有貫穿地表的以剪切屈服為主的帶狀塑性區，此時塑性區貫通，圍巖可能發生破壞。

(2)圍巖位移場分布特征

圍巖位移分布特征如圖8所示。

圖8 位移分布

由圖8可知：隧道開挖導致圍巖有向臨空面移動的趨勢；對于工況1和工況2，左、右兩側隧道均有拱頂沉降和仰拱隆起的趨勢，且隧道上方的位移有向淺埋側拱肩偏移的趨勢，但是由于隧道開挖的空間效應，圍巖壓力并沒有完全釋放，因此巖體變形不明顯；工況3的位移明顯增大，主要發生在左線隧道拱頂與淺埋側拱肩之間，且其變形量與實際監測結果基本吻合。

3 隧道塌方與滑坡破壞機理分析

層狀圍巖變形破壞具有其特殊性，通常以楔形體崩塌、滑動和因層面張裂、折斷、巖層彎曲而向洞內滑移或塌落為特征，而順層的結構面對其破壞特征起著主導作用[17]。一般將順層巖質邊坡的破壞類型分為滑移-拉裂破壞、滑移-潰曲破壞、滑移-壓致拉裂破壞、滑移-剪切破壞[18]。根據上述數值模擬結果，結合隧址區地質條件分析隧道塌方和邊坡滑坡的破壞機理。

3.1 偏壓影響

對于班丘隧道，天然狀態下巖體基本穩定，開挖后圍巖應力重分布，由地形引起的偏壓作用使隧道深埋側圍巖壓力大于淺埋側，導致左線隧道深埋側拱腳處出現剪切屈服，圍巖易在此處發生破壞。

3.2 結構面影響

對比工況2、工況3塑性區分布圖可知：在考慮結構面時塑性區才出現貫通，說明結構面是引起隧道塌方和邊坡滑坡的重要因素。

隧道進口段主要巖石類型為中風化頁巖夾泥砂巖，巖體中含有由風化礦物組成的充填結構面，由于充填礦物性質不良，導致巖體強度較低，為隧道塌方提供了物質基礎。而左側拱肩和拱頂之間區域距離坡面最近，隧道上方巖層較薄，相對深埋側更易發生彎曲折斷，尤其在與層面基本平行的洞壁部位表現更為明顯，因此在臨近坡面范圍產生了貫穿地表的帶狀塑性區。開挖使得層狀巖體在隧道臨空面附近被切割成大小不一的可移動塊體，當巖體受到外力擾動時，可移動塊體的受力特征發生改變，當可移動塊體的下滑力大于結構面的抗剪力時，這些塊體沿結構面發生剪切滑移，使得隧道內出現掉塊現象，掉塊沿拱形拉伸屈服帶發展，形成拱形塌方的形態，而拱形塌方的發生擴大了松弛的范圍，坍塌沿上部貫穿地表的帶狀塑性區繼續向坡頂擴展，隧道整體塌方。

隧道開挖形成臨空面，使得隧道上方巖體在自重作用下沿結構面向臨空面發生滑動，同時產生與滑移面垂直的張拉裂隙，隨著巖體的不斷滑移，在地表形成張拉裂縫，此時坡體強度大大降低。由于隧道在進口段出現長達50 m的局部塌方，邊坡遭到破壞，坡體繼續加速沿軟弱面滑動形成貫通滑移面，邊坡滑坡發生。

3.3 降雨影響

由工況1、工況3可知：在考慮結構面影響時，降雨條件下隧道塑性區貫通，巖體有可能破壞，說明降雨是影響隧道圍巖破壞的重要因素。

連續降雨使水分通過地裂縫迅速滲透到巖土體中，而隧道進口段巖體本身較破碎，為地表水入滲和運移提供通道，水分通過滲流作用將巖體中細粒物質帶走，巖體的完整性受到破壞，圍巖承載能力降低，隧道塌方。同時，水對軟弱結構面的潤滑和軟化作用，降低了結構面的摩擦系數和黏聚力，泥化作用使結構面由固態向塑態轉化，使其抗剪強度降低，抗滑力減小，滑坡發生，同時降雨對坡體的加載作用加速了滑坡的發生。

4 現場處理建議

針對隧道塌方和邊坡滑坡，提出以下治理建議：

(1)左線隧道塌方后，采用洞渣回填法對塌方體進行反壓，C25噴射混凝土對塌方體進行封閉，厚度不小于10 cm，坡比不小于1∶1；塌方體打設滲水孔，采用長度不小于5 m的Φ50鋼花管@2 m×2 m梅花形布置；右線掌子面封閉，暫停施工；隧道進口地表裂縫用彩條布進行遮蓋。

(2)滑坡發生后，對自隧道拱頂開挖線下10 m開始至地表的整個滑坡體進行注漿，采用Φ50鋼花管，內置Φ28鋼筋，只在注漿加固區按15 cm間距交錯設置孔徑為8 mm的注漿孔，水泥漿的水灰比為0.8；左、右線明洞加長，套拱位置由K84+215適當向大里程方向調整；對ZK84+215～ZK84+275段采用Φ50超前小導管配合超前大管棚對洞身范圍塌方體進行超前加固處理；ZK84+215～ZK84+270左右洞之間設置抗滑樁；清除滑移塌陷鄉道右側滑動坡體并對邊坡進行防護處理，鄉道向右側移至滑動坡體挖除后的坡腳位置，左側設置抗滑樁。

5 結論

本文以班丘隧道為例，分析了順傾巖質邊坡下淺埋偏壓隧道洞口段破壞機理，得出以下結論：

(1)對于順層邊坡下的淺埋偏壓隧道，開挖后其塑性區主要分布在深埋側拱腳和淺埋側拱肩，且淺埋側拉伸屈服塑性區具有在拱肩與拱頂之間呈拱形分布的特點。

(2)隧道塌方和邊坡失穩是多種因素耦合作用的結果：地形偏壓導致圍巖受力不均，巖體結構中軟弱結構面的存在為巖體失穩提供了物質基礎，降雨通過弱化巖體強度影響破壞的發生。

(3)洞口失穩形式為：首先由于重力作用在淺埋側拱肩至拱頂之間形成拱形坍塌形態，在彎折內鼓作用下破裂范圍貫通地表，形成隧道整體塌方，導致邊坡坡體受到破壞，邊坡表面中風化頁巖夾泥砂巖在坡體受到破壞的情況下發生順層面的近平面滑移。