（岩土工程专业论文）狮子山隧道开挖对边坡稳定性影响的现场监测与数值模拟.pdf

摘要 在山区公路建设中，有很多隧道都修建在山体边坡内，这些边坡常常会发 生变形开裂等病害。调查表明，边坡变形破坏与隧道开挖边坡出现滑坡密切相 关。针对这一问题，本文开展了隧道洞口地段边坡及隧道变形机理研究工作。 首先在现场布置边坡监测断面监测边坡点位移及监测隧道内的位移，达到了综 合考虑隧道开挖对边坡稳定性影响的目的，结合隧道工程实际对现场实测数据 进行了分析，得到了隧道开挖边坡的变形规律及隧道变形特征。基于f l a c 3 d ， 介绍复杂地质体的三维建模思路及步骤，以建立能更准确反映现场实际地质条 件的模型，进而进行数值模拟分析，从多角度反映边坡的变形规律。通过数值 模拟分析的方法详细探讨了边坡与隧道变形的相互作用机理。详细分析了边坡 在隧道开挖之前的整体稳定性：隧道的分步开挖对边坡变形和受力的影响以及 隧道开挖后边坡的变形和受力规律。取得的成果有助于建立隧道洞口段边坡变 形和稳定性理论，同时可为制定有效的工程措施提供理论指导。 随着国民经济的快速发展和国家西部大开发战略的实施，将有越来越多的 公路在山区投入建设，边坡隧道的数量也将不断增加，可以预见，边坡地段因 隧道开挖引起的边坡稳定性这类复杂的岩土工程问题将不可避免地大量出现。 本文的研究成果将为类似隧道建设中的边坡设计提供重要的依据。 关键词：现场监测，隧道开挖，边坡变形，稳定性 a b s t r a c t i nm o u n t a i na r e a , t h e r ea r eal o to fh i g h w a y t u n n e l sa r eb u i l ti ns l o p e a n ds o m e s l o p e sd i s e a s e ss u c ha sd e f o r m a t i o na n dl a n d s l i d eo c c u rf r e q u e n t l yi nt h e s et u n n e l s t h e s u r v e ys h o w st h a td e f o r m a t i o na n dl a n d s l i d eo fs l o p ei sc o r r e l a t i v ew i t ht u n n e l e x c a v a t i o n i n t i m a t e l y a n d e n d a n g e r ss e c u r i t y d u e t oa b o v ec a u s e , s , t h es l o p e d e f o r m a t i o nm e c h a n i s mt h r o u g ht u n n e le x c a v a t i o ni ss t u d i e di nt h ep a p e r f i r s tt o a r r a n g es l o p em o n i t o r i n gc r o s ss e c t i o nt om o n i t o rs l o p ed i s p l a c e m e n ta n dt u n n e l d i s p l a c e m e n t ，h a sa c h i e v e dg o a lo fi n t e g r a t e de v a l u a t i o nt h es l o p es t a b i l i t yt h r o u g h t u n n e l e x c a v a t i o n , c o m b i n i n gt u n n e l i n ge n g i n e e r i n g a c t u a l a n a l y s i s t h ef i e l d m e a s u r e dd a t a , o b t a i n e dt h es l o p ed e f o r m a t i o nm l ea n dt h et u n n e ld e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i cw h i l et u n n e le x c a v a t i o n b a s e do nf l a c 3 d ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sc l u e a n dt h es t e po fc o n s t r u c t i n gt h r e ed i m e n s i o n a lc o m p l e xg e o l o g i cb o d ym o d e l l i n g , e s t a b l i s h sm o r ea c c u r a t er e f l e c t i o ns c e n ea c t u a l g e o l o g i c a lc o n d i t i o nm o d e l ，t h e n c a r r i e so nt h en u m e r a ls i m u l a t i o na n a l y s i s ，f r o mm u l t i p l ep e r s p e c t i v e sr e f l e c t i n g s l o p ed e f o r m a t i o nm l e b a s e do nn u m e r a ls i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h i sp a p e rd e t a i l l y d i s c u s s e st h es l o p ea n dt u n n e li n t e r a c t i o nd e f o r m a t i o nm e c h a n i s m ，s l o p es t a b i l i t y b e f o r et u n n e le x c a v a t i o na n dt u n n e ls t e p p i n ge x c a v a t i o nt h es l o p ed e f o r m a t i o na n d s t r e s si n f l u e n c em l e o b t a i n e da c h i e v e m e n ti s h e l p f u lt oe s t a b l i s ht u n n e lp o r t r a l s e c t i o ns l o p ed e f o r m a t i o na n ds t a b i l i t yt h e o r ya n da l s oc a np r o v i d et h e o r e t i c a lg u i d e f o rd e s i g n i n ge f f e c t i v ee n g i n e e r i n gm e a s u r e s a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n dt h es t r a t e g yo f d e v e l o p i n gt h ew e s t e r nr e g i o ni m p l e m e n t i n g , t h e r ew i l lb em o l e ：a n dm o r er a i l r o a d m a i nl i n e st ob u i l di nm o u n t a i na r e aa n dt h ea m o u n t so fs l o p et u n n e l sw i l lb e i n c r e a s i n gc o n s t a n t l y i t啪b cf o r e s e e a b l et h a tag r e a td e a lo fc o m p l i c a t e d g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gp r o b l e m ss u c ha st u n n e ld e f o r m a t i o nc a u s e db yl a n d s l i d ea t s l o p es i t ew i l la r i s eu n a v o i d a b l y t h ea c h i e v e m e n to ft h ep a p e rw i l lp r o v i d ei m p o r t a n t t h e o r e t i cb a s i sf o r p r e v e n t i n g a n dr e d u c i n gd i s a s t e r sa n d b u i l d i n gi n t e l l i g e n t m a n a g e m e n ts y s t e mo ft h eo p e r a t i n gt u n n e l s ，a n do p t i m i z i n gm e t h o d so fd e s i g na n d e x c a v a t i o no ft h ep l a n n i n gt u n n e l s k e yw o r d s ：f i e l dm o n i t o r i n g , t u n n e le x c a v a t i o n ，s l o p ed e f o r m a t i o n , s t a b i l i t y n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：兹猪研 2 0 0 7 年3 月勿日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：矽寥箩饿 2 0 0 7 年多月夕汐日 第一章引言 第1 章引言 1 1 本项研究的目的和意义 随着我国西部大开发的深入，高速公路建设有了快速发展。然而由于高速 公路技术指标要求高，需克服地形高差的影响，公路隧道就成了必然选择，且 长大隧道所占比例越来越大。由于工程地质条件、水文地质条件及人为等因素 影响，隧道施工过程中易出现各种各样的地质灾害，其中隧道洞口滑坡便是隧 道施工中常见的地质灾害之一“叫。由于隧道洞口的安全关系到隧道能否顺利进 洞并进行安全施工，是隧道施工中的重中之重，因此。隧道洞口的边仰坡安全 一直以来都受到了隧道工程师们的极大关注，并采用了各种方法对隧道洞口的 边仰坡进行安全评价删，并提出合理的设计与施工方案”1 。 由于受诸多因素的影响，使高速公路在设计选线时出现了许多高陡边坡， 其中隧道洞口的仰坡和边坡高陡设计也屡见不鲜，然而由于隧道洞口处岩性往 往较差，多为强风化岩体，且易受地表水或地下水的影响。因此，洞口的坡体 在隧道施工中易出现滑坡等地质灾害问题。这种滑坡现象的出现主要与以下几 方面因素有关：隧道所在的斜坡体由破碎软弱岩体组成，在长期地应力作用 下因流变而使得自身强度降低，沿节理裂隙面形成蠕动性滑坡；隧道位于老 滑坡体中或滑坡后缘以外稳定体中，由于自然环境改变引起老滑坡复活并进一 步扩大到隧道附近；人类工程活动如隧道开挖等其它工程活动引起斜坡内应 力场发生重大调整，导致斜坡出现变形开裂并在薄弱部位形成滑动面从而酿成 滑坡。因此对滑坡地段隧道变形问题进行深入研究，是一项十分必要而又紧迫 的工作吲。如果能对滑坡与隧道变形的相互关系和作用机理进行深入研究，提前 对滑坡和隧道变形的发展变化趋势进行预测预报，及时制定出有针对性的整治 措施，一方面可有效地避免由此带来的重大损失，另一方面也有助于提高我们 在理论上对此类问题的认识。因此对滑坡地段隧道变形机理和灾害预测预防问 题进行专门研究，既具有重要的工程价值又具有较高的理论意义。 在边坡与隧道变形相互作用机理的理论研究方面，目前取得的理论成果还 比较有限。张鲁新、周德培“1 以东荣河隧道为例，利用现场勘测、滑坡监测及室 内试验结果，分析了蠕动型滑坡的成因以及酿成隧道变形开裂的机理，对蠕动 滑坡体中隧道病害的有效防治提供了依据。周德培、毛坚强、张鲁新等”1 比较系 统地分析了坡体病害地段隧道变形开裂的特征及二者的相互关系，给出了隧道 第一章引言 变形与坡体病害相互关系的五种地质结构模型，并提出了用隧道变形规律预测 坡体灾害的模式。毛坚强、周德培睁”1 则应用接触问题的有限元算法对滑坡 隧道问的相互作机理及受力变形规律进行了计算分析。本文通过数值模拟分析， 详细探讨滑坡与隧道变形的相互作用机理。将有助于建立隧道洞口边坡变形理 论，同时可为制定有效的工程措施提供理论参考。 在隧道变形和边坡加固防治措施研究方面，隧道管理部门和工程单位已取 得了不少实践经验，如在整治隧道变形方面采用换拱、抽换边墙，钢筋混凝土 套拱、围岩压浆等加固措施；在滑坡治理方面则采用抗滑桩、预应力锚索等。 抗滑桩的作用具有明显分段性，它主要控制了位于其上部岩土体的变形破坏过 程，减轻了下部滑体的推力，从而提高边坡和隧道整体稳定性。国内对于抗滑 桩的计算的研究主要集中于加固岩土体边坡方面n 1 1 ”，尤其以加固大、中型破碎 岩体滑坡为主。对于普通抗滑桩的计算，将滑坡推力作为外荷载作用于抗滑桩 上，桩与岩士体相互作用的力学计算模型一般采用线弹性w i n k l e r 地基梁模型。 根据对桩前滑体的考虑方法不同，又分为悬臂桩法和地基系数法。前者将桩身 所承受的滑坡推力和桩前滑体的剩余抗滑力或被动土压力视为己知外力，然后 根据滑动面以下岩、土的地基系数计算锚固段的桩壁应力以及桩身各截面的变 位、内力。本文通过数值模拟，能很好地考虑抗滑桩、岩土体的相互作用。有 助于对隧道边坡加固效果的认识和理解抗滑桩对加固边坡稳定和减少隧道变形 的机理。 1 2 隧道变形研究现状 目前在隧道变形问题的研究方面，大量的研究主要是针对隧道开挖过程中 围岩的稳定性。如结合隧道施工进行围岩收敛变形量测，开展的位移反分析 和围岩失稳预测研究“”；对地下开挖工程引起的坍塌、冒顶、底鼓、岩爆等 开展的围岩结构及其力学特性方面的研究“”；隧道开挖引起的围岩松弛圈范 围及新型支护结构的研究“删，等等。造成隧道变形的原因很多，大部分是由于 多种原因综合作用的结果，主要原因有：塑性压力、围岩松动、偏压、滑坡、 地震、围岩冻结、水压、列车振动、邻近施工、地基下沉和衬砌材料劣化等。 周德培等对运营隧道衬砌开裂病害进行了理论研究，他们根据岩体流变理论研 究围岩压力的时间效应，分析了作用在隧道衬砌上的压力随时间的变化规律和 压力对衬砌作用方式的变化，并采用模型试验进行了验证8 “。但到目前为止， 2 第一章引言 这方面的研究主要是针对变形隧道的个案研究，分析变形原因，提出相应的整 治措施等。将隧道变形与边坡稳定结合起来进行系统研究，目前所作的工作还 比较少。 1 3 边坡稳定性的研究现状 归纳起来，边坡稳定计算方法主要是沿着三种途径进行：第一，以极限平 衡理论为基础，考虑岩土体中断裂结构面的控制因素，利用图解法或数学计算 分析法，最后求得“安全系数”或类似“安全系数”的概念；第二，以数值分 析近似地分析计算边坡岩土体的变形特征和应力状态；第三，其他方法，如用 概率理论分析岩土体结构面和岩土体强度的测试数据，分析各种可能破坏形式 的不稳定概率，以不稳定概率来评价边坡的稳定性。 1 极限平衡法 极限平衡法是一种最古老的边坡稳定性分析方法。1 9 1 6 年瑞典人彼得森 ( p e t t e r s o n k e ) 提出圆弧滑动法，费伦纽斯( f e l l e n i u sw ) 和泰勒( t a y l e rd w ) 进一 步发展了这一方法，称为瑞典法，以后各种稳定性分析方法相继出现，如毕肖 普( b i s h o p a w ) 法、简布( j a n b u n ) 法，摩根斯顿( m o r g e n s t e m n r ) 和普赖斯 ( p r i c e y e ) 法、斯旁塞( s p e n c e r e ) 法、萨尔玛( s a r m a s k ) 法。到目前为止，以极 限平衡法为代表的常规方法仍是国内外广泛应用的方法。 国内在边坡稳定性分析方法研究方面积累了很多经验，其中用的最多的有： ( 1 ) 圆弧滑动法 采用圆弧滑动法边坡稳定性系数可按下式计算： ? 冠 墨。镛 川一( i e + g 0 ) c o s o , + ，is i n ( 口j 一只) 五一 + 瓯) s i n 0 , + 已c o s ( a l 一只) r t n ，g 甲i + c l i 式中“，边坡稳定性系数： c z 第i 计算条块滑动面上岩土体的粘结强度标准值( k p a ) ； 铊第i 计算条块滑动面上岩土体的内摩擦角标准值( 。) 第i 计算条块滑动面长度( m ) q 第i 计算条块底面倾角( 。) a 第i 计算条块底面地下水位面倾角( 。) 3 ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 第一章引言 q 第i 计算条块单位宽度岩土体自重( k n m ) ； 第i 计算条块滑体地表建筑物的单位宽度自重( i d w m ) ； 第i 计算条块单位宽度的动水压力( k n m ) ； 删，第i 计算条块在滑动面法线上的反力( k n j n ) ； 1 第i 计算条块在滑动面切线上的反力( k n 加) ； 第i 计算条块在滑动面上的抗滑力( 1 d q l m ) 。 ( 2 ) 平面滑动法 采用平面滑动法时，边坡稳定性系数可按下式计算： ，c o s o t g q ) + a c ，。瓦矿 ( 1 5 ) 式中y 岩土体的重度( k n m 3 ) ； c 结构面的粘聚力( k p a ) ； 妒结构面的内摩擦角( 。) ； 4 结构面的面积( m 2 ) ； v 岩体的体积( m 3 ) 口结构面的倾角( 。) 。 ( 3 ) 折线滑动法 采用折线滑动法时，边坡稳定性系数可按下列方法计算： 边坡稳定性系黉堪下式计算； 鼻。一：l!：i；糍，ol23，一，万一d c - s ， 妒i - c o s ( o , 一只“) 一s i n ( o , 一b + 1 以 ( 1 7 ) 式中张第i 计算条块剩余下滑推力向第i + 1 计算条块的传递系数。 对存在多个滑面的边坡，应分别对各种可能的滑动面组合进行稳定性计算 分析，并取最小稳定性系数作为边坡稳定性系数。对多级滑动面的边坡，应分 别对各级滑动面进行稳定性计算分析。 ( 4 ) 存在地下水渗流作用的边坡 对存在地下水渗流作用的边坡，稳定性分析应按下列方法考虑地下水的作 用： 水下部分岩土体重度取浮重度； 第i 计算条块岩土体所受的动水压力己按式计算： 4 第一章引言 匕- r w e 豳妄 ，+ 只) ( 1 8 ) z 式中y - 水的重度( k n m 3 ) k 第i 计算条块单位岩土体的水下体积( m 3 m ) 。 动水压力作用的角度计算条块底面和地下水位面倾角的平均值，指向低 水头方向。 极限平衡法的基本出发点是把岩土体作为一个刚体，为方便计算作一些假 定，不考虑岩土的应力应变关系，因而这种建立在刚体极限平衡理论上的稳定 性分析方法无法考虑边坡的变形与稳定。它的优点是：第一可以用手工计算， 无需借助大型计算机；第二当被研究的滑动面确定后，能有效地估算出滑动面 的安全度。可是该方法也存在以下三个主要缺点：第一不能定量的确定边坡破 坏的可能性；第二不能预示破坏首先发生的部位；第三仅计算了确定的滑动面， 并没有考虑此滑动面出现的可能性有多大。总之，由于岩土体是一种复杂的介 质，它的力学特性常与地质构造和长期的地质历史有关。岩土体具有多裂隙性、 分层性、力学性质上的非均质性、各向异性，应力应变关系的非线性、流变性， 在不同条件下岩体还具有脆性或塑性破坏，并往往呈现渐进破坏的特点。岩体 往往具有初始应力，加上工程对象所特有的复杂边界条件、复杂的地质条件等， 使常规的方法难以适应。 2 数值方法 随着计算机硬件与软件的不断发展，利用数值方法进行边坡稳定性分析成 为可能。1 9 6 7 年人们第一次尝试用有限元法研究边坡稳定性问题，给定量评价 边坡稳定性创造了条件，使边坡稳定性分析逐步过渡到了定量的数学解法。以 有限元法为代表的数值方法，可以对不同的单元根据具体情况指定不同的力学 性质；可以对节理裂隙等软弱层设置适当的软弱面单元；可以方便地处理层状 岩土体和有规则的节理岩体所表现出的正交各向异性；可以精确地估算地下渗 流或爆破震动等对岩土体应力场、位移场以及稳定性的影响，还可以方便地处 理各种不规则的几何边界以及各种复杂的边界条件。用数值方法分析边坡的稳 定性，不仅能较方便地考察构造应力场的影响和模拟各种开挖高度的影响，获 得坡体内的应力场、位移和塑性区的分布状态，而且还能求出可能的滑动面和 安全系数。但是，由于目前岩土体试验技术还落后于客观需要，不能为数值方 法提供准确的数据。而且由于部分力学模型尚存在一些缺陷，使计算数据和计 算模式还不能完全满足设计要求。另外，还有一些学者尝试采用其他数值方法 5 第一章引言 进行边坡稳定性分析，如离散单元法( d e m ) 、非连续变形方法( d d a ) 、数值流形 方法( n n m ) 、界面单元方法和快速拉格朗日方法( f l a c ) 。 在定量计算边坡稳定性时，数值模拟方法通过降低强度参数的强度折减法 进行计算得到边坡的安全系数。由于岩土体是摩擦型材料，增大岩土体自重不 一定会达到极限状态。为达到岩土体的极限状态，可通过逐步折减其抗剪强度。 大多数边坡的滑坡都属于渐进破坏，滑坡的主要原因是由于斜坡在风化、吸水 饱和、应变软化等因素的作用下岩土体的抗剪强度会逐渐降低。因此通过抗剪 强度的折减可以使边坡达到破坏的临界状态，这时的折减系数定义为边坡稳定 的安全系数。对其抗剪强度进行折减的程度，即岩土体的实际抗剪强度与临界 破坏时折减后的抗剪强度的比值，具有强度储备系数的物理意义。对于边坡， 安全系数f 一般定义为岩土体的实际抗剪强度与阻止其破坏的最小抗剪强度的 比率o ”。d u c a n 嘲指出安全系数f 为这样一个系数，即土的抗剪强度除以该系数 后刚好使边坡处于临界破坏状态。早在1 9 7 5 年z i e n k i e w i c z 等就使用了这一 方法，此后有很多人应用过该方法嘲1 。强度折减法最大的优点是l 临界滑动面或 者破坏模式可以自动找到而不必事先假定。利用强度折减法进行边坡稳定性分 析时，根据下列方程用一系列的试验安全系数f 调整抗剪强度参数c 和妒，用 调整后的强度参数进行一系列计算： c t r i 4 1 - c ，“( 1 9 ) 伊“ia r c t a n ( t a n c p f “t ) ( 1 1 0 ) 直到边坡处于临界破坏状态，此时的f 即为要求的安全系数。 强度折减法在f l a c 3 d 中的实施过程为：首先，我们给出安全系数f 的上 限和下限。下限为任何使得计算收敛的f ，上限为任何使得计算不收敛的 f “。接着，取上限和下限的平均值作为f ，如果计算收敛，则将其作为新 的下限，否则将其作为新的上限。如此继续，直到上限与下限之差在规定的范 围内即得到了要求的安全系数。 3 其他方法 以上的极限平衡法和数值方法是基于确定性模型的。边坡稳定性分析中， 一个确定不移的东西就是“不确定性”，因为岩土特性是空间变化的，取样的 数量是有限的，测试过程以及岩土的原位特性与测定值之间是不确定的。此外 载荷的精确分类、量值的大小及其分布也都是不确定因素。这些因素对于用确 定性计算方法来预测边坡稳定性的影响是显著的。2 0 世纪7 0 年代后，随着一些 新理论的相继出现，如可靠性理论、模糊数学、人工智能等，以及人们对岩土 6 第一章引言 体复杂性和不确定性认识的提高，一些不确定分析方法得到了很大的发展，如 可靠度方法、模糊数学法、专家系统、神经网络、遗传算法等。 在边坡加固防治工程措施研究方面，早期的治理措施以刷方减载、地表排 水和抗滑档土墙为主。上世纪6 0 年代以后，抗滑桩开始得到普遍重视，8 0 年 代以来，随着锚索技术的发展，预应力锚索抗滑桩、预应力锚索地梁等逐步在 滑坡治理中得到应用。与普通抗滑桩相比，预应力锚索抗滑桩改善了桩的受力 条件，使桩截面变小、埋深变浅，可以节省大量工程投资”“。同时预应力锚索 具有对滑体主动施压的特点，能合理利用岩土的自身强度和自稳能力、对岩土 体扰动少而且具有结构简单、适应性广、施工安全快速、造价低等优点，因此 具有广阔的发展前景。 1 4 本文的研究内容 到目前为止，将隧道变形与边坡稳定结合起来进行系统研究的还比较少。 针对公路隧道开挖对洞口边坡稳定性评价还没有一种适用的研究方法，对这类 边坡的变形破坏过程、机制和稳定性的研究大多数都停留在理论研究阶段。对 此，作者结合镇胜高速公路狮子山隧道出口边坡的监测开展研究，意在隧道边 坡的变形破坏过程和机制方面作一定的探讨，采用数值模拟的方法，确定边坡 的有效潜在滑动面，同时求解相应的稳定性系数，对边坡进行综合稳定性评价。 本文在广泛查阅国内外文献资料的基础上，介绍了快速拉格朗日法的基本 理论以及强度折减法的实现过程。论文力图建立隧道洞口边坡的稳定性分析方 法，首先从研究区工程地质环境条件出发，通过统计观测资料，分析隧道及边 坡变形规律，总结边坡变形破坏的物理模式和变形破坏机制；其次，采用数值 模拟的手段进行了相关的变形破坏过程验证，利用数值模拟分析与地质力学原 型相结合的分析方法，对边坡整体和局部的稳定进行分析计算，并研究隧道边 坡的具体变形破坏模式、变形破坏过程和变形破坏机制；最后采用强度系数折 减法与常规计算方法相结合的手段进行岩体边坡的稳定性计算分析评价，搜索 边坡的有效潜在贯通区及相应的滑动面，旨在综合评价隧道出口边坡的局部和 整体稳定性，并依此来进行边坡支护设计分析。 7 第2 章狮子山隧道开挖对边坡稳定性影响的现场监测分析 第2 章狮子山隧道开挖对边坡稳定性影响的现场监测分析 2 1 前言 目前，在山区公路建设中，有很多隧道都修建在山体边坡内，这些边坡常 常会发生变形开裂等病害。调查表明，边坡变形破坏与隧道开挖边坡出现滑坡 密切相关。隧道边坡的稳定与许多因素有关，如岩体构造、岩体材料的物理力 学特性、原始地应力、地下水作用和时间等等。隧道工程的设计者们总是试图 事先确定上述因素，然后建立某种物理数学模型，利用各种解析方法、数值分 析方法和地质力学模型试脸等评价隧道边坡稳定性并确定出最优开挖支护方 案。但是，坡体经多次地质构造作用，使其各种因素均呈现出极为复杂的特征， 任何一种本构关系模型及破坏准则都难以做到与坡体性质完全符合。再则，不 论是现场原位测试还是室内模型试验，其加卸载过程与坡体形成及隧道开挖过 程都不可能相同，所取得的参数应用于边坡稳定性分析时，显然存在有应力历 史和途径的差异。而且，即使再大规模的室内试验和再大型的电子计算机，也 还没有可能精确地模拟整个工程区域的坡体材料性质和地质构造因素，总是经 过大量简化，其结果用于宏观控制有较大的意义。但用于工程施工还有一定的 距离，所以通过边坡工程监测来研究隧道的隧道开挖边坡变形特性，进而指导 施工是非常有意义的。 2 1 1 隧道边坡监测目的和内容 边坡监测的目的在于监测每个断面上由于隧道开挖边坡的位移情况和变化 趋势，及时发现滑动面的出现、确定滑动面的位置和监视滑动面的发展及稳定 性；弄清边坡的变形或破坏特性，预报其安全稳定性，检验和校核工程设计， 并为边坡的加固措施提供依据。 边坡监测的主要内容包括地表位移监测和隧道内位移和应力的监测。坡面 位移监测通过全站仪实施。全站仪( 如图2 1 ) 是现代测量仪器发展的产物，它 的最优点是可同时测距和测角。从而能够完成空间三维绝对坐标的测算。如将 它应用于边坡变形监测，可使监测结果更客观、及时、全面、准确。本文用固 定设点法监测狮子山隧道边坡变形，该方法的原理及步骤如下：( 1 ) 在隧道洞 8 第2 章狮子山隧道开挖对边坡稳定性影响的现场监测分析 口对面山体受隧道施工影响微小的位置设置一后视基准点a ，贴上反射片；( 2 ) 在隧道洞口对面山体受隧道施工影响微小的另一位置埋设观测墩，作为固定测 站点0 ，并安置全站仪。基准点和观测墩可提前预设；( 3 ) 在隧道上方地表布设 若干监测点p i ( x i ，y i ，z i ) ，贴上反射片。( 4 ) 测量时，先测读后视点a ，得 到a 点坐标( ) ( a ，y a ，z a ) ；( 5 ) 转动全站仪望远镜，测量隧道上方边坡各测点 p i ( x i ，y i ，z i ) 。将p i 坐标减去a 坐标，得差值 x - x i 一以，y _ y i l ，a z - z i 一乙，将这次得到的差值减去上一次测 量时的差值，及得到该点从上一次测量到这次测量的时间内该监测点的三个坐 标方向的位移变化量；( 6 ) 用与上步同样的方法，求得其他测点的位移变化， 将每次测量的位移变化量相加即可得到该点的累计位移变化量。 隧道内部的位移测量有拱顶下沉和洞周收敛。拱顶下沉的仪器有水准仪和 钢尺，也通过测量后视点基准点，获得拱项测点的位移变化情况。洞周收敛为 隧道内同一断面两点之间的相对位移，通过收敛计测量( 如图2 2 ) 。 图2 1 全站仪实物图图2 2 收敛计实物图 2 1 2 监测方案 边坡测点的布置原则应以控制边坡整体稳定性为主，兼顾局部稳定性监测。 综合考虑边坡与岩体受力情况和地质结构特征，并重点布置在最有可能发生滑 移，对工程隧道施工安全影响最大的部位。由于隧道左线边坡的稳定性监测工 作是本项目监测的重点，故加强其上方边坡地表的位移测点数，结合右线隧道 影响，共布置3 个监测断面，如图2 3 所示。断面i 布置在通过隧道左线和右 9 第2 章狮子山隧道开挖对边坡稳定性影响的现场监测分析 线上方的地表面，其方向大致平行于边坡等高线，目的在于监测边坡在隧道左 线和右线共同作用下的下滑位移和变化趋势；断面l i 布置在距离左右隧道顶部 较远的坡腰上，其方向与断面i 基本平行，主要用于监测边坡上部的位移情况 和变化趋势；断面布置在左线隧道洞口上方，垂直于边坡的等高线方向，主 要用于监测边坡随着坡高增大不同点的位移情况和变化趋势。 图2 3 隧道出口边坡位移测点分布示意图 2 2 狮子山隧道的工程概况 狮子山隧道位于贵州省黔西南州普安县盘水镇王家岩与三板桥镇下马基之 间。隧道为双线双洞，分为y 线隧道( 右线) 和z 线隧道( 左线) ，y 线与z 线 隧道中轴线相距约3 5 米，洞轴线总体走向为2 7 8 9 。 z 线隧道起止里程桩号为z k l1 7 + 8 3 0 z k l l 9 + 8 6 0 ，长度2 0 3 0 米，为单拱 形长隧道。隧道洞底标高设计呈人字坡型式，变坡点为z k l1 8 + 0 0 0 ，z k l1 7 + 8 3 0 z k l l 8 + 0 0 0 坡度为+ o 8 3 7 ，z k l l 8 + 0 0 0 z k l l 9 + 8 6 0 坡度为一1 2 。进洞口设计 高程1 6 0 3 1 5 1 米，z k l l 8 + 0 0 0 处设计高程1 6 0 3 3 2 4 米，出洞口设计高程1 5 9 4 5 6 0 米。 y 线隧道起止里程桩号为y k l1 7 + 8 6 0 y k l1 9 + 8 4 0 ，长度1 9 8 0 米，为单拱形 长隧道。隧道洞底标高设计呈人字坡型式，变坡点为y k l l 8 + 0 0 0 处，y k l l 7 + 8 6 0 y k l l 8 + 0 0 0 坡度为+ 0 8 3 7 。，y k l l 8 + 0 0 0 y k l l 9 + 8 4 0 坡度为一1 2 。进洞口设 1 0 第2 章狮子山隧道开挖对边坡稳定性影响的现场监测分析 计高程1 6 0 3 2 5 1 米，y k l l 8 + 0 0 0 处设计高程1 6 0 3 3 2 4 米，出洞口设计高程 1 5 8 1 8 7 2 米。 图2 4 隧道出口照片图2 5 隧道出口地形等高线 霉蔑 - ! ；：；缝 d ；d ； 妄| 剥妄 t i ；拍：l：i： 图2 6 左线出口纵剖面图 图2 7 右线出口纵剖面图 隧址区地面高程一般为1 5 6 0 1 8 8 0 米，高约3 2 0 米，为低一中山地，冲沟 发育，狮子山附近为岩溶石芽地貌。 隧道穿越地段总体地形为中间高，两侧低，称马鞍型，地表形态波状起伏。 山脊沿东西向延伸，洞轴线与山脊线总体方向一致，交角小。隧道进出口地表 最低标高分别为1 5 6 0 0 7 米和1 5 6 2 米，中间最高点在z k l l 8 + 8 0 0 处山顶，为 1 8 8 2 0 0 米。除进出口埋深较浅外洞室埋深一般在5 0 米以上，最大埋深2 8 6 7 2 米。 隧址主要地层，按风化程度分为： ( 1 ) 、强风化泥沙质砂岩：紫红色灰绿色，泥质细粒结构，中厚层状， 层理清晰，局部夹褐黄色紫红色泥岩、砂岩，呈互层状，节理裂隙发育，岩 石破碎，岩芯呈碎状镶嵌结构岩体。v p = 7 0 0 m s 一9 0 0 m s 。 第2 章膺子山隧道开挖对边坡稳定性影响的现场监测分析 ( 2 ) 、弱风化泥质砂岩、砂岩：紫红色灰绿色，泥质细粒结构，中厚层 状，层理清晰，局部成互层，夹薄层石灰岩( 5 l o c m ) 和泥质条带。轴夹角5 0 。 7 0 。节理发育，节理面平直，闭合，有白色方解石和石英脉充填，节理面倾 角约7 0 。，与层面近直交。岩石较完整，岩芯呈短柱状长柱状、块状，局部 为块状。r q d = 2 2 7 5 ，为大块状砌体结构岩体。v p ：2 7 0 0 2 9 0 0 m s 。 ( 3 ) 、微风化泥质砂岩、砂岩：紫红色，泥质细粒结构，中厚层状，层理 清晰，轴夹角5 0 。7 0 。，局部有灰岩夹层。节理发育，节理面闭合，有白色 充填物。岩石完整，岩芯呈短柱状长柱状。r q d = 7 5 9 3 ，为大块状砌体 结构岩体，v p = 3 5 0 0 3 8 0 0 m s 。 另外s z k i o 揭露出与煤系地层接触带附近t 1 f i + 2 为一套灰绿色泥灰岩， 因受背斜挤压影响，岩体节理发育，岩芯多成碎石状，少量碎块状。 隧址区地下水类型主要为第四系松散层孔隙水、基岩孔隙裂隙水和岩溶水。 隧道洞身段主要为泥质砂岩，孔隙差，地下水交替弱，径流慢，含水层渗透速 度小，故洞室洞壁有渗水一滴水现象，局部有线状滴水现象，洞室涌水量小， 对隧道开挖影响不大。 隧道进、出口有第四系残坡积松散层覆盖。下伏基岩具有相对隔水作用。 故松散层在长期降水后，受水饱和和冲刷，具有蠕滑现象，地面出现小裂隙。 但此种地表蠕滑仅在浅部出现，对洞室稳定性无影响。 隧址区广泛分布泥质砂岩、泥岩，多为泥质一细粒结构，泥一钙质胶结， 抗风化能力差，故地表斜坡上球形风化强烈，撒落堆积明显，对基岩物理剥蚀 作用明显。 隧道出口坡向3 0 0 3 3 0 。，坡角3 0 3 5 。，地表有含亚粘土角砾碎石，易 受降水冲刷向下搬移，下伏基岩以泥岩为主，抗风化能力差，并且位于背斜核 心部附近，地层受挤压后，近直立，自然状态下基本稳定，但因节理裂隙发育 对岩体结构破坏严重，故出口浅埋且具地形偏压段开挖时极易坍塌，成洞困难。 2 3 狮子山隧道开挖对边坡变形的影响 在隧道洞口的施工中，由于地表岩层多为强风化及中风化岩体，且受雨水 入侵频繁，岩土强度较弱，因此，只有确保坡体整体稳定性，才能保证隧道建 设的顺利进行。反之，隧道的稳定亦能为斜坡安全提供有力保障。隧道和边坡 第2 章狮子山隧道开挖对边坡稳定性影响的现场监测分析 的相互影响，使之成为一个整体。监控测量的“眼睛”作用，能及时的反映出 岩土体空间及时间变化关系，能为施工提供指导，为设计的改进提供现实依据。 为得到全面反应隧道及边坡变形关系的数据，往往要求同时进行多项参数的测 量。一般采用的项目有隧道拱顶下沉测量、隧道收敛位移测量、锚杆应力测量 及地表和边坡沉降观测。 由于隧道洞口处在高边坡承受偏压地段，随着隧道开挖深入，坡体变形较 大，为更准确判断边坡移动规律，在隧道出口重点加强了监测工作，增布观测 点，及增大观测频率。我们规定平行隧道方向为x 方向，竖直向下为z 方向，y 方向为垂直隧道轴向，由左线指向右线。图2 8 图2 1 6 为各边坡观测点历时 位移累积曲线。 图2 8p l 点边坡累计位移 图2 9p 2 点边坡累计位移图 如图2 3 所示，p l 点距离右线轴线最近仅9 3 m 。如图2 8 所示，在开始阶 段，p 1 点三个方向位移发展速度相同且都比较快，在3 0 天里三个方向的位移量 都达到了4 0 r a m ，随后三方向位移发展速率有所减缓，位移累计曲线坡度变缓， 且x 方向明显落后于其他两个方向，到最后，x 方向比y 和z 方向的位移量相差 3 5 r a m 左右，但y 和z 两个方向的位移和它们总的位移量( 1 0 0 r a m 多) 相比相差 不多，仅l o m m 左右，说明向洞口方向的位移明显小于向坡底和向下沉降的位移， 开挖造成的边坡应力场和位移场变化主要反映在由于开挖造成的坡内临空面的 形成，从而向坡内临空面即隧道右线滑动的趋势。虽然边坡上方也有隧道开挖 即右线隧道的平行线一左线隧道，相当于边坡上方卸载，但一方面由于本监测 点距离右线很近，一方面隧道的开挖量相对于整个边坡来说很小，且左右线处 第2 章狮子山隧道开挖对边坡稳定性影响的现场监测分析 于同一水平线上，所以其影响如何还要通过其它监测点数据的比较才能得出较 准确的结论。另外由于本工程的特殊性，右线洞口处比较低，即整个边坡呈向 这边倾斜的趋势，所以随着洞口及隧道的开挖，沿隧道轴线方向向洞口方向的 位移量也比较大，最终达到了7 5 r a m 左右。 如图2 3 所示，p 2 点位于p 1 点下方2 m 多的位置，距右线中轴线1 2 m ，如 图2 9 所示，p 2 点在开始的3 0 天里，三个方向的位移发展速度相同且都比较快， 累计位移都达到了4 0 m m ，随后三个方向的发展速率同时放慢，位移累计曲线坡 度z 方向最陡，其次是y 方向，x 方向最缓，z 方向累计位移达到了l l o m m ，y 方向累计达到了9 0 m m ，x 方向则是6 5 r m ，三个方向的累计位移相差比较大，都 在2 0 m m 以上。说明此监测点的位移向下发展的趋势最强烈，其次才是向隧道右 线方向，此现象表明，在边坡中开挖隧道，对边坡稳定性的影响很大，很大程 度上超过了山体本身荷载对开挖隧道本身的安全性的影响。另外如上所述，由 于本工程特殊地质条件，开挖造成了边坡向洞口方向的位移也很大，在此监测 点达到了6 5 r a m 。 针对p 1 、p 2 监测点的位置近、内容相同，本文对两点的数据进行了对比， 发现以下几点：( 1 ) 在位移发展速率上两点相差无几，在最后的位移累计量上， z 方向p 2 点比p 1 点略大几个毫米，y 方向p l 比p 2 点大将近2 0 r a m ，x 方向p 1 比p 2 略大几个毫米，说明由于隧道的开挖造成的向开挖临空面下滑的趋势随着 离临空面越远而越小，且减小的速率很快，因p 2 和p 1 仅相差2 7 m ，然而它们 在y 方向的位移就相差2 0 r a m 。( 2 ) 由于本项目的特殊性，随着离隧道中轴线的 距离增大，开挖造成的对边坡稳定的影响比开挖本身的稳定的影响而增大，再 次说明坡角的开挖卸载对边坡的稳定性极为不利。 图2 1 0p 3 点边坡累计位移图图2 1 lp 5 点边坡累计位移图 1 4 第2 章狮子山隧道开挖对边坡稳定性影响的现场监测分析 如图2 3 所示，p 3 点位于右线中轴线1 8 m 处，离右线出口最远。如图2 1 0 所示，p 3 点处的三方向的位移在开挖的前期和中期发展都比较平缓，累计位移 量也基本相同，其都不太大，都在4 0 m 左右，到了后期，三方向的位移累计曲 线都变陡了些，其中y 方向发展最快，从而导致最后的位移量达到了6 5 m m 左右， 而x 方向和z 方向相对较小些，大概在4 0 4 5 m m 之间。这样的规律应和开挖顺 序有关，因为隧道的开挖是从出口处开始的，随着向里的推进，开挖对p 3 点处 位移场和应力场的影响也逐渐增大，因此位移速率相应增大。另外y 方向的累 计位移最大说明随着远离隧道出口，即远离坡角，开挖造成的山体位移场的变 化主要表现在向开挖临空面的下滑趋势增大，而对边坡的稳定性影响变小，证 明在边坡上部开挖隧道对边坡的稳定性影响较小。 如图2 3 所示，p 5 点位于左线中轴线8 4 m ，离左线出口不远处。如图2 1 1 所示，三方向的位移在开挖早期、中期和后期呈明显的三层阶梯状，在早期的 一个月里