叙大铁路佘家坡隧道开挖对坡体影响研究

苏海元，邓 辉，贾汝涛

山区铁路建设中开挖形成大量岩体结构复杂、稳定性差的边坡，在开挖或降雨条件下容易导致边坡失稳，严重影响工程建设和生命安全。因此，研究边坡的变形破坏机制，并评价其破坏模式稳定性［1］，对治理有很大意义。

叙永至大村铁路佘家坡隧道位于四川省泸州市古蔺县境内，隧道进口里程编号为DK61＋815，隧道旁边坡高约20m，在隧道开挖过程中发现围岩结构较差，局部岩体较为破碎，在隧道顶部出现多条张拉裂缝，张开宽度约为2～10cm，隧道管棚也出现“V”形裂缝，特别是在开挖和降雨的工程中，变形有加剧的迹象，如不及时治理，坡体就会继续产生滑动，从而加剧了对隧道的破坏，带来严重的影响。为了制订正确的治理措施，必须对滑坡的地质条件和成因机制进行查明及对开挖后滑坡体做出稳定性评价，分析其变形趋势。

1 边坡工程地质条件

研究区属低山区构造剥蚀地貌，地形起伏较大。边坡区地表多为第四系土层覆盖，植被较发育，坡脚及山间凹地多为耕地。覆盖层为第四系全新统残坡积层（Qdl＋el4）的粉质黏土，主要颜色为棕红色、灰褐色和褐黄色，硬塑状含少量碎石和角砾；下伏基岩为侏罗系中统沙溪庙组（J2s）的泥岩夹砂岩，紫红色、暗紫红色，泥岩与砂岩互层，层厚不均，出露地表的泥岩易风化剥落，强风化手捏即碎，砂岩为中厚层、厚层—巨厚层，强风化带一般厚2～3m，三叠系下统飞仙关组（T1f）的页岩或页岩夹灰岩，主要颜色为红褐色、紫红色灰白色，含少量长石，属泥质结构，薄层状构造，泥质或钙质胶结；二叠系上统龙潭和长兴组（P2l＋c）的页岩、炭质页岩夹煤和偶见灰岩，其中主要为红褐色、紫红色，由黏土矿物组成，含少量长石，属泥质结构，薄层状构造，泥质或钙质胶结的页岩；灰色和灰黑色，含炭化有机质，炭泥质结构，中厚层构造，页理发育，局部夹薄层状煤层，易污手节理裂隙发育的炭质页岩夹煤；灰色和深灰色，主要由方解石矿物组成，含少量白云石，隐晶质结构，中—厚层状构造，层理发育，节理裂隙发育，岩层风化较强，裂隙面可见少量钙质和泥质充填物，溶蚀作用较强的灰岩。

区内未见地表水及泉水出露，降雨可形成暂时性流水，受大气降水影响大。区内的地下水类型主要为第四系空隙型水和裂隙水。第四系孔隙型水主要赋存于第四系覆盖层中，区内黏性土富水性差，水量较小，主要由大气降水补给。裂隙水主要赋存于隧址区基岩裂隙内，测区内基岩以页岩为主，节理裂隙较发育，岩体破碎，透水性好，水量较丰富。总体而言，地表水不丰富，地下水较丰富。

2 边坡变形特征

根据已开挖隧道揭露下伏基岩可知，该滑坡体岩性主要为二叠系下统飞仙关组（T1f）的页岩泥岩夹层和二叠系上统龙潭和长兴组（P2l＋c）的页岩、炭质页岩夹煤和偶见灰岩，岩层产状为N75°W/NE∠27°，缓倾坡内，发育的2组优势节理产状为N47°W/SW∠70°和 N30°E/NW∠87°。该滑坡体的坡度约为15°，坡向为211°，与隧道走向大角度相交，滑坡后缘高程为741m，前缘高程约为725m，滑坡前缘与后缘相对高差约为16m，滑坡顺坡长度约为40m，宽度约为50m。（见图1）

3 滑坡稳定性三维数值模拟分析

3.1 计算模型参数的选取

根据前期勘察资料及实验数据，并结合工程经验、相关规范及工程类比综合给出了边坡各岩土体的物理力学参数（见表1）。

表1 模型的物理力学参数表

3.2 计算模型的建立及方法的选取

建立模型时，以垂直于隧道方向为X轴正方向，以向坡内与隧道平行方向为Y轴正方向，以垂直向上为Z轴正方向。整个模型X范围为95m；前缘边界取隧道进口，模型Y范围为147m。滑坡前缘高程为725m，后缘高程741m。模型一共分为3个部分，分别为滑坡体、基岩及隧道。佘家坡隧道进口边坡数值模拟采用美国Itasca顾问有限公司开发的三维有限差分软件FLAC－3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3Dimensions）进行，模型中单元划分选用4节点四面体单元，本三维模型共划分642 915个单元和115 769个节点［2－8］。在模拟计算过程中，采用莫尔—库仑屈服条件的弹塑性模型。

3.3 计算结果的分析

3.3.1 应力分析

（1）隧道开挖前后边坡最大主应力都表现出明显受重力场影响，量值总体上与埋深呈正比，分布较均匀，最大主应力方向在边坡内部基本与重力方向一致，而在临近坡面的浅表层则与坡面近平行。开挖前最大达1.31MPa（见图2），开挖后最大达2.46MPa（见图3），可见开挖后最大主应力明显增大。

（2）隧道开挖前后最小主应力总体上随埋深增加按正比例线性增大，达坡体后缘会略微出现一点拉应力带。最小主应力方向在边坡内部几乎水平，而在临近坡面的浅表层则与坡面近垂直。开挖前最大达0.34MPa（见图4），开挖后最大0.36MPa（见图5）。开挖后最小主应力略有增大。

三维数值模拟的结果总体上符合边坡应力场的分布的一般规律，开挖后最大主应力及最小主应力都有应力集中现象。

图2 开挖前最大主应力

图3 开挖后最大主应力

图4 开挖前最小主应力

图5 开挖后最小主应力

3.3.2 应变分析

（1）从施工开挖引起的整体位移图上看，隧道开挖完成后整个坡体都较开挖前有了位移变化。最大位移处出现在隧道顶部，达到了90cm。坡体的前缘和后缘均有相对较大位移出现，其最大值达到了60cm，两侧边缘的位移值也达到了25cm。开挖完成后的坡体总位移一般介于40～80cm之间，主要集中在隧道进口顶端。从隧道开挖后总位移分布特征图（见图6～7）中可以看出，隧道开挖对坡体位移影响很明显，较好地解释了洞顶的张拉裂缝发育情况，反应出隧道开挖加剧了岩土体变形。

图6 开挖前隧道轴向方向剖面上的总位移

图7 开挖后隧道轴向方向剖面上的总位移

（2）从隧道位移剖面图来看，坡体相对于下部岩体有明显的下滑趋势，开挖完成后Z方向的最大位移达到了80cm，比开挖前略有增加（见图8～9）；Y方向的最大位移有68cm，比开挖前增加了30cm左右（见图10～11）。从不同深度上变形大小来看，Y、Z方向位移均自坡面向下逐渐递减，且变形部位中下部位移较上部大。从这两点分析可以看出变形较大岩体沿下伏的最大剪应力面向坡前临空方向剪切蠕变。该蠕动变形的出现与岩层变形后岩体破碎有关。

图8 开挖前隧道轴向方向剖面的Z方向位移

图9 开挖后隧道轴向方向剖面的Z方向位移

图10 开挖前隧道轴向方向剖面的Y方向位移

图11 开挖后隧道轴向方向剖面的Y方向位移

可以看出，工程开挖为岩土体向临空方向的变形提供了发展空间，同时破坏了坡体原有的应力环境，引起了坡体应力重分布及应力集中，导致洞顶上部出现大面积张拉裂缝，最终使坡体的变形进一步加剧。

4 边坡变形成因机制分析

（1）根据现场调查，在坡体底部存在很多老窖积水，为当地居民挖煤所致，以至使坡体基岩下部形成了一个采空区，使岩层在长期悬空状态下由于重力及上覆土体的压力作用下发生剪切折断，使岩层变成了缓倾坡外，从而为滑坡的滑动提供了基础。经过产状记录滑坡区内基岩产状为0°∠17°，滑坡区中部岩石产状为85°∠11°，同时采用极限平衡法计算出滑坡体的稳定性系数为0.87，可以看出滑坡体产生了滑动，同时根据前一节可以看出隧道开挖后使坡产生应力集中现象，加剧了坡体的滑动，坡体滑动位移也明显增大。滑坡体工程地质平面图见图12，剖面图见图13。

图12 滑坡体工程地质平面图

图13 滑坡体工程地质剖面图

（2）由于坡脚处进行开挖，引起了坡体应力重分布，形成了临空面，使坡脚处产生应力集中，使坡脚处产生剪切变形。

（3）由于降雨是地表水深入坡体后缘裂缝，使渗入地下水对坡体产生一个向前的推力，加剧了坡体的变形。

（4）在隧道的开挖工程中，由于爆破和人工扰动，影响了原来坡体的稳定性。

5 结语

通过本文的研究，对佘家坡滑坡的成因机制及隧道开挖后对滑坡体稳定性［9－12］的影响总结如下：

（1）由于缓倾坡内岩层被剪切折断然后蠕滑—拉裂为坡体滑动提供了基础。

（2）隧道开挖完成后使应力场重新分布，使隧道附近出现应力集中现象，最终应力重分布结果反映出边坡坡脚附近均出现拉应力区，由此沿边坡内一定深度上出现了一剪应力相对集中条带。

（3）隧道开挖完成后边坡及边坡后缘岩土体在不同方向上的变形均较大，其变形方式为蠕滑拉裂变形。

（4）综合边坡现况及应力应变特征，可以推断出在隧道开挖完成后边坡变形进一步加大的情况下，如果不采取有效治理措施，边坡会产生局部失稳，甚至影响到整个边坡的稳定性，从而影响到隧道施工安全。

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