巖質(zhì)隧洞邊坡失穩(wěn)機理研究

李林丹 汪 斌 代永新 刁 虎

（1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山243000；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽馬鞍山243000）

現(xiàn)階段邊坡穩(wěn)定性分析方法主要包括極限平衡法和數(shù)值分析法。其中極限平衡法主要有Bishop法、Morgenstern-Price法、Sarma法以及三維極限平衡法等［1-6］。數(shù)值分析法中最常用的是有限元分析方法。陳國慶等［7］在對傳統(tǒng)的強度折減法進行研究，提出了動態(tài)和整體強度折減法計算邊坡穩(wěn)定性。郭芳等［8］在強度折減法的基礎(chǔ)上，定義不同的破壞準則，得出是否考慮拉伸破壞幾乎不影響土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性，而對于節(jié)理巖質(zhì)滑坡影響很大。

隧洞邊坡的研究中王軍和曹平等［9］在FLAC3D中引入改進的黏彈塑性流變模型，考慮降雨入滲對流變介質(zhì)隧道邊坡的穩(wěn)定性影響，得出降雨入滲主要集中在坡頂淺層，影響隧道內(nèi)側(cè)穩(wěn)定。雷用等［10］在FLAC中建立二維模型研究邊坡開挖對既有隧洞的影響，發(fā)現(xiàn)開挖后及時支護，邊坡會有明顯的應(yīng)力釋放，在坡腳產(chǎn)生應(yīng)力集中。劉福東等［11］研究了偏壓隧洞開挖對邊坡穩(wěn)定性的影響，得出在開挖時需要預(yù)防順向邊坡表層破壞。

上述研究多集中在隧洞或者邊坡開挖對整體穩(wěn)定性的影響，而本次研究對象是既有的隧洞邊坡?？紤]到在不同地質(zhì)環(huán)境中影響隧洞邊坡穩(wěn)定性的因素存在著較大的差別，本研究將借助三維地質(zhì)建模軟件建立邊坡與隧洞空間關(guān)系，利用FLAC3D精確模擬隧洞邊坡的失穩(wěn)過程，用現(xiàn)場探勘得到的數(shù)據(jù)加以印證，最終反演出該巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的機理。

1 工程概況

國內(nèi)某鐵礦是一座大型火山沉積變質(zhì)巖型磁鐵礦床，具有礦石儲量大、品位較高、埋藏淺、便于露天開采的特征。此次發(fā)生失穩(wěn)的是D1隧洞區(qū)域，該隧洞是礦山膠帶運輸系統(tǒng)中用以運輸巖石的隧洞。D1隧洞變形區(qū)域所處的邊坡位于北采場，在工程地質(zhì)分區(qū)中為第Ⅳ區(qū)。該鐵礦北采場邊坡受北山復(fù)向傾斜構(gòu)造的控制，向斜的兩翼即構(gòu)成采場上下盤邊坡的順坡傾向特征，兼之采場范圍大，邊坡長，垂直高度深，礦區(qū)斷層、節(jié)理構(gòu)造發(fā)育，邊坡巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。根據(jù)以往邊坡穩(wěn)定性研究成果，該區(qū)邊坡總體穩(wěn)定性好。但由于地質(zhì)條件差，巖性復(fù)雜、斷層、節(jié)理、裂隙發(fā)育、地下水豐富，不利于邊坡穩(wěn)定的節(jié)理構(gòu)造十分發(fā)育。Ⅳ區(qū)位于采場南東幫中部，巖性為各種變質(zhì)巖，其中多為各種混合片麻巖，部分為混合花崗巖、磁鐵石英巖及輝石片麻巖，巖石致密堅硬，強度高。根據(jù)采場主要斷層分布情況來看，發(fā)生變形部位巖性以輝石、黑云斜長片麻巖為主，無斷層等大型地質(zhì)構(gòu)造分布，但大型節(jié)理特別發(fā)育。

如圖1（a）所示D1隧洞內(nèi)40#架子區(qū)域出現(xiàn)一條垂直皮帶走向的裂縫1，裂縫最大開裂寬度5 cm左右，裂縫邊緣錯動約5 cm。在40#架子裂縫軸線距離10 m處發(fā)現(xiàn)另一條垂直皮帶走向裂縫2，見圖1（b），裂縫開裂寬度3 cm左右，裂縫無明顯錯動。在裂縫1處，其頂部距離邊坡為3～5 m，裂縫2處的隧洞頂部距離邊坡為7～9 m。經(jīng)查閱資料，在早期隧洞施工期間該處地質(zhì)條件較差，存在塌方冒頂現(xiàn)象，故而當時該處采用了鋼筋混凝土襯砌，且頂部進行了回填，正常情況下，經(jīng)多年固結(jié)沉降，其頂部會逐漸趨于穩(wěn)定。

現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，該處存在軟弱夾層（見圖2），與邊坡走向總體斜交，并貫穿整個隧洞斷面，初步分析該部位的變形裂縫是由于該夾層的存在導(dǎo)致邊坡沿著該破碎帶方向發(fā)生錯動，進而帶動附近的隧洞產(chǎn)生貫穿橫斷面的裂縫。

2 數(shù)值分析

2.1 模型建立

D1隧洞邊坡平面圖如圖3所示，根據(jù)其等高線生成三維地質(zhì)模型（見圖4）。隧洞斜向上穿過邊坡，坡度為23%。根據(jù)邊坡實際的產(chǎn)狀，巖層的分布，隧洞的斷面尺寸和空間位置，前期的支護，以及裂縫出現(xiàn)的位置及可能的滑坡影響范圍，建立了三維數(shù)值計算模型（見圖5）。同時在建模時還考慮到在3個臺階坡面出露的軟弱夾層，夾層厚度在0.5 m左右，夾層內(nèi)部多為泥質(zhì)充填，其走向與坡面走向呈60°夾角。

數(shù)值計算模型走向方向為130 m，高度為70 m，寬為150 m。共有55 094個單元和30 895個節(jié)點。

2.2 計算參數(shù)

邊坡主要有3種巖性，上部的中風(fēng)化巖層，下部的片麻巖和混合片麻巖。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果和參數(shù)反算，得到隧洞邊坡相關(guān)力學(xué)參數(shù)見表1。

2.3 計算模型

本次模擬采用摩爾—庫倫模型，該模型在巖土破壞分析中模擬效果較好，對于滑坡中產(chǎn)生的剪切破壞和后緣的拉伸破壞都能很好體現(xiàn)。該模型包括摩爾—庫倫判據(jù)（剪切屈服準則）和拉伸分離點（拉應(yīng)力屈服準則），即拉剪復(fù)合破壞準則（見圖6）。

?

在主應(yīng)力空間中拉正壓負，主應(yīng)力σ1、σ2、σ3之間的關(guān)系為σ1≤σ2≤σ3。圖6中，從A到B的剪切破壞定義為

從B到C的拉應(yīng)力破壞定義為

其中，

2.4 結(jié)果分析

隧洞裂縫的出現(xiàn)在時空上都較為復(fù)雜。在空間上，隧洞以23%的坡度斜向貫穿整個邊坡，穿插多種巖性，同時邊坡存在的軟弱夾層也被隧洞斜穿。在時間上，隧道開挖多年且進行過支護，逐漸趨于穩(wěn)定。

2.4.1 破壞模式分析

在+80～+92 m范圍內(nèi)，軟弱夾層出露的地方，臺階原先是連續(xù)的，由于巖性較差，導(dǎo)致前期爆破出現(xiàn)超挖，加之軟弱夾層對超挖范圍起控制作用，形成圖5中所示凹陷，+80～+92 m臺階角由原先設(shè)計的56°變?yōu)?9°，邊坡超挖導(dǎo)致出現(xiàn)“削坡腳”的現(xiàn)象。凹陷處坡面有坡體擠壓產(chǎn)生剪切破壞塑性區(qū)。

根據(jù)塑性區(qū)在圖7中分布可知，剪切破壞多集中在+61～+92 m范圍內(nèi)，且位于軟弱夾層的左側(cè)，而張拉破壞主要是在+127 m平臺。根據(jù)邊坡的破壞特點可知在+61～+80 m坡面塑性區(qū)為滑面在剪出口滑動所引起的剪切破壞；而+80 m平臺為上部坡體擠壓產(chǎn)生的剪切破壞。

圖8為剖面塑性區(qū)分布圖，剖面位置為凹陷區(qū)最內(nèi)側(cè)。在FLAC3D中塑性區(qū)逐漸發(fā)展直至相互貫通，這一過程表面邊坡發(fā)生了整體失穩(wěn)。在圖8中，沿著剪切破壞塑性區(qū)可以判斷出邊坡產(chǎn)生滑坡的基本形態(tài)。根據(jù)剪切破壞塑性區(qū)分布特點可以確定潛在滑面的走向及空間分布位置。滑坡主要是由于巖土體間相互擠壓，產(chǎn)生剪切破壞。同時根據(jù)圖8張拉破壞塑性區(qū)的分布特點，發(fā)現(xiàn)在+80 m及+127 m平臺滑坡后緣存在張拉破壞，根據(jù)滑坡的特點，在滑坡體后緣一般是張拉破壞，這驗證了對滑坡形態(tài)及滑面位置的推測。

2.4.2 位移結(jié)果分析

根據(jù)圖9所示的邊坡位移等值線圖，發(fā)現(xiàn)在前期超挖區(qū)域下部+61～+80 m臺階產(chǎn)生位移，且中間位移最大，越往兩邊，位移越小。而邊坡其他位置基本沒有發(fā)生位移。

圖10為圖9發(fā)生滑動部分的剖面位移等值線圖，圖中坡頂最外側(cè)位移最大，越往邊坡內(nèi)部位移就越小，同時可以發(fā)現(xiàn)邊坡滑動影響了巖石隧洞的穩(wěn)定性，在隧洞的左側(cè)頂板、左肩以及左側(cè)直墻均發(fā)生位移，位移大小為10～30 mm。

為了進一步探究巖石隧洞失穩(wěn)的成因，在隧洞斷面的頂板、底板和兩幫各設(shè)置1個位移檢測點，沿著走向方向均勻布置，將各點位移繪制成巖石隧洞位移折線圖（見圖11）。發(fā)現(xiàn)在同一X方向上，各點位移大小基本一致，這表明巖石隧洞是整個斷面發(fā)生位移，并非隧洞內(nèi)部出現(xiàn)冒頂或者局部發(fā)生不均勻沉降，將斷面的位移繪制成巖石隧洞位移折線圖（見圖11）。根據(jù)上述結(jié)論，可以推定，隧洞失穩(wěn)是由于邊坡發(fā)生滑動，帶動該邊坡內(nèi)的隧洞移動，滑動方向和隧洞軸線垂直，巖土體對隧洞的推力，相當于給隧洞施加剪力，最終剪力超出隧洞抗剪強度，隧洞被“剪斷”。從現(xiàn)場所發(fā)現(xiàn)隧洞產(chǎn)生的2條裂縫及裂縫的錯動寬度、錯動方向的一致性，均能很好地印證上述結(jié)果。

3 結(jié) 論

（1）通過對于隧洞邊坡進行三維數(shù)值模擬，采用摩爾庫倫模型，考慮邊坡的多種地質(zhì)條件，得出的計算結(jié)果和實際情況吻合，能較好地反映出隧洞邊坡的破壞過程和機理。

（2）隧洞失穩(wěn)的原因并非前期所推測的軟弱夾層錯動導(dǎo)致的。主要原因是前期超挖，導(dǎo)致邊坡被削坡腳，加之隧洞周圍巖性較差，襯砌的抗剪強度不夠，在上部坡體的推動下，隧洞被剪斷。從隧洞的2條相距10 m的裂縫也可以證明，隧洞是整段被推斷，而非是夾層錯動。

（3）由于FLAC3D的模擬對象是連續(xù)介質(zhì)，所以對模擬中產(chǎn)生的隧洞裂縫位置只能從邊坡的位移等值線圖去判斷，而在位移折線圖中能較好地反映。

4 建議

根據(jù)模擬結(jié)果，在隧洞邊坡的加固中，應(yīng)重點從邊坡的滑坡控制上去考慮。隧洞的錯動段即邊坡的滑動部分，鑒于該處的隧洞距離+80 m平臺后緣不遠，可以在+80～+92 m坡腳布置鋼軌樁，斜插至隧洞靠近坡內(nèi)一側(cè)，抗滑的同時避免隧洞進一步錯動。再對+61～+92 m邊坡采用錨桿、錨索和框架梁的聯(lián)合支護。

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