隧道开挖扰动对古滑坡稳定性的影响分析

影响分析

骆晓依，苏永华，廖君橙(湖南大学土木工程学院，湖南长沙410082)摘要：山区地形复杂，当隧道必须在一定位置穿越古滑坡这一不良地质时，隧道的施工以及运营对古滑坡都存在着很大的威胁。隧道开挖对古滑坡稳定性的影响是施工安全必须考虑的重点问题。针对隧道-古滑坡正交体系，基于二次回归正交组合试验设计，在局部强度折减法的基础上，提出一种隧道开挖对古滑坡稳定性影响的分析方法。由于古滑坡的变形与其稳定性之间具有一定的内在联系，应用该方法建立隧道开挖后滑带最大位移拟合公式，并结合室内大型直剪试验，依据局部强度折减法的原理，研究分析隧道开挖扰动对古滑坡稳定性的影响。通过工程实例计算分析表明，该方法具有一定的有效性。关键词：古滑坡；隧道；稳定性；数值模拟中图分类号：P642.22文献标志码：A文章编号：1672−7029(2019)08−2028−07Analysisoninfluenceoftunnelexcavationdisturbanceonstabilityofancientlandslide

LUOXiaoyi,SUYonghua,LIAOJuncheng(CollegeofCivilEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,China)Abstract:Becauseofthecomplexterraininmountainousarea,whenthetunnelmustpassthroughbadgeologyinacertainposition,theconstructionandoperationofthetunnelhaveagreatthreattotheancientlandslide.Theinfluenceoftunnelexcavationonthestabilityofancientlandslideisakeyissuethatmustbeconsideredinconstructionsafety.Aimingatthetunnel-ancientlandslideorthogonalsystem,basedonthequadraticregressionorthogonalcombinationtestdesignandthelocalstrengthreductionmethod,ananalysismethodfortheinfluenceoftunnelexcavationonthestabilityofancientlandslidewasproposed.Becauseoftheinherentrelationshipbetweenthedeformationoftheancientlandslideanditsstability,thispaperappliesthemethodtoestablishthedisplacementformulaoftheslidingzoneaftertunnelexcavation,andcombinestheindoorlarge-scaledirectsheartest,toanalyzetheinfluenceoftunnelexcavationdisturbanceonthestabilityofancientlandslideonbaseofthelocalstrengthreductionmethod.Finally,theengineeringexamplecalculationanalysisshowsthatthemethodhascertaineffectiveness.Keywords:ancientlandslide;tunnel;stability;numericalsimulation在古滑坡地段修建道路时，由于选择深路堑形式带来的大范围的开挖会对已稳定的滑坡体产生收稿日期：2018−10−25基金项目：国家自然科学基金资助项目(51578232，51878266)扰动，所以往往大多选择隧道的形式。但是山区地形复杂，由于道路选线的要求，当隧道必须在一定通信作者：苏永华(1965−)，男，湖南涟源人，教授，博士，从事地下结构研究；E−mail：yong_su1965@126.com第8期骆晓依，等：隧道开挖扰动对古滑坡稳定性的影响分析2029位置穿越古滑坡这一不良地质时，隧道的施工以及运营对古滑坡都存在着很大的威胁。因此进行隧道选址时，隧道开挖对古滑坡稳定性的影响是施工安全必须考虑的重点问题。任三绍等[1]对红花屯古滑坡开展了原位大型直剪试验和稳定性模拟分析得出组成红花屯滑坡的碎石土抗剪强度与其碎石含量呈显著的相关性。采取抗滑桩、格构锚等治理措施可有效控制滑坡变形。胡相波等[2]通过对西南某水电站在地下洞室的开挖过程中揭示的一些特殊地质现象，分析该老滑坡结构及解体特征，及变形破坏模式，并对其在各种工况下的稳定性进行量化评价。刘梦琴等[3]以三峡库区巴东县某滑坡滑带土为研究对象，对其重塑土样进行了不同类型的剪切试验，研究其峰值强度、折减强度以及残余强度的变化，探讨了轴向压应力对滑带土结构强度再生的影响。张治国等[4]基于滑移线理论推导得到隧道开挖对围岩扰动范围公式，并结合隧道上部松动岩体的分析，得出隧道正交穿越滑坡体的最小安全下穿距离的解析表达式。本文针对隧道−古滑坡正交体系，基于二次回归正交试验设计以及强度折减法，提出一种隧道正交穿越古滑坡时古滑坡稳定性的分析方法，并以某地工程实例为例详细说明该方法的应用过程，以数值模拟技术为基础，综合考虑多个影响因素，分析各个因素对隧道−古滑坡正交体系中古滑坡的稳定性问题的影响。1基于回归正交的滑带位移分析

正交试验可以利用较少的试验次数获得较好的实验结果，但是所得到的优化方案只是在一定的水平上，而不是一定试验范围内的最优方案；回归分析所确立的回归方程，可以对试验结果进行预测优化，但是对试验数据只能进行被动的处理分析，没有对试验设计的要求。回归正交设计就是将正交设计和回归分析结合起来，可以在因素的试验范围内选择适当的试验点，用较少的试验次数建立精度高、设计性好的回归方程，同时优化试验[6]。1.1滑带位移公式构建方法基于本文所给出的滑带位移公式构建方法，可根据实际情况改变隧道位置、滑带以及滑体的强度参数等条件，得到符合实际工程的隧道开挖扰动下的滑带最大位移公式。其步骤如下：1)确定滑带最大位移的影响因素2)建立数值分析模型3)因素水平编码4)确定试验方案5)实施实验方案6)建立回归方程，进行显著性分析，确定各个影响因素的敏感性大小1.2滑带最大位移的影响因素根据采用FLAC3D有限差分软件对计算模型岩体参数的试算，本文中主要考虑隧道位置、滑带土以及滑坡体的影响。基于莫尔−库仑强度准则，对参数c和φ对滑带位移的影响进行分析。库仑于1776年提出库仑公式：fctan(1)其中：c和φ为黏聚力和内摩擦角。莫尔于1900年提出强度公式：ff()(2)即一个平面上的抗剪强度τf取决于作用于这个平面上的正应力σ。其中破坏包线的函数f(σ)是由试验确定的单值函数。莫尔−库仑强度准则被广泛应用于岩土材料的理论与实践中。它表明材料的抗剪强度与作用于该平面上正应力有关，引起材料破坏的不是最大剪应力，而是在某个平面上的τ-σ最危险的组合。其次，进行数值模拟分析时，隧道−滑带的相对位置也是影响滑带位移的一个因素。考虑3个方面6个因素以及各个因素间的相互作用对滑带位移的影响。1)滑带土：黏聚力c1和内摩擦角φ1；2)滑坡体：黏聚力c2和内摩擦角φ2；3)隧道圆心距滑带的垂直距离x和沿滑带方向距滑带中点的距离y。1.3建立数值模型采用FLAC3D有限差分软件进行数值计算。边坡模型采用一般形式的边坡模型，如图1所示。边坡长L=150m，坡高H=40m，坡高比为1:2。隧道为R=6.12m的四心圆。假定滑体的滑动方向沿滑带向下。1.4二次回归正交组合试验根据一些隧道穿越古滑坡的工程实例，获得各参数的上下限，各因素水平编码见表1。2030铁道科学与工程学报2019年8月图1计算模型Fig.1Computationalmodel表1因素水平编码Table1Factorlevelcoding自然变量Xi规范变量Zj

X1X2X3X4X5X6c1/MPaφ1/(°)c2/MPaφ2/(°)x/my/m上星号臂γ0.02525.30.09328.321.755上水平10.02424.00.08027.020.045零水平00.02222.00.06025.017.530下水平-10.02020.00.04023.015.015下星号臂-γ0.01918.70.02722.713.35变化间距0.00220.02022.515选用正交表L16(215)，二水平试验次数为16，星号试验次数为12，零水平试验次数为1，总试验次数为29。将Z1~Z7分别置于正交表的第1，2，4，8，11，13列，将交互作用Z1Z2，Z1Z3，Z2Z3，Z1Z4，Z2Z4，Z3Z4，Z3Z5分别置于3，5，6，9，10，12，15列，第7和14列空白，该试验方案的回归方程为：y66abjzjbjjz2jb12z1z2bjj13z1z311b23z2z3b14z1z4b24z2z4b34z3z4b35z3z5(3)二次回归正交组合试验方案见表2。1.5回归方程及显著性分析根据表2中的试验方案进行数值模拟并得到相应的滑带最大位移移值。对数值结果进行分析整理，可得到式(3)的各项系数。进行回归方程以及偏回归系数的显著性检验，得到方差分析表3。由表3可知，Z1，Z2，Z3，Z4，Z1Z2，Z1Z3，Z2Z3，Z1Z4，Z2Z4，Z3Z4，Z3Z5，Z1，Z2，Z4，Z4对计算结果的影响不显著，将其计入残差重新计算各因素的偏回归系数得到F′。回归方程为：umax6.7250.224Z50.913Z60.236Z50.311Z(4)6将自然变量回代到式(4)，可得：umax20.4341.421X50.022X60.038X520.001X62(5)表2试验方案及结果Table2Testschemeandresults试验号ic1/MPaφ1/(°)c1/MPaφ2/(°)x/my/mumax/mm10.024240.0802720455.76920.024240.0802315157.61130.024240.0402720157.15240.024240.0402315455.66650.024200.0802715455.71960.024200.0802320157.18170.024200.0402715157.67080.024200.0402320455.84090.020240.0802715157.660100.020240.0802320455.834110.020240.0402715455.712120.020240.0402320157.179130.020200.0802720157.206140.020200.0802315455.745150.020200.0402720455.858160.020200.0402315157.709170.025220.0602517.5306.780180.019220.0602517.5306.918190.02225.30.0602517.5306.696200.02218.70.0602517.5306.944210.022220.0932517.5306.832220.022220.0272517.5306.849230.022220.06028.317.5306.833240.022220.06022.717.5306.829250.022220.0602521.7306.748260.022220.0602513.3308.762270.022220.0602517.5554.307280.022220.0602517.558.174290.022220.0602517.5306.829第8期骆晓依，等：隧道开挖扰动对古滑坡稳定性的影响分析2031表3方差分析表Table3Varianceanalysistable因素FF′Z10.070415—Z20.146865—Z30.002040—Z40.000039—Z55.9542049.993113Z698.880142165.953400Z1Z20.002149—Z1Z30.000422—Z2Z31.968775—Z1Z40.000637—Z2Z40.000215—Z3Z40.000077—Z3Z5

0.000100—Z10.696759—Z20.866720—Z30.744655—Z40.800070—Z55.7196387.921104Z6

8.14790313.674860注：F0.01(1,9)=10.56,F0.05(1,9)=5.12,F0.01(1,24)=7.82,F0.05(1,24)=4.26。2

基于局部强度折减法的古滑坡稳

定性分析

现有的边坡稳定性分析方法中，有限元强度折减法较为常用，主要用于求解边坡的安全系数。该方法将边坡模型中所有单元进行强度折减，直至出现表征边坡滑动的位移或者应变计算结果不收敛。而本文中的局部强度折减法，仅对影响边坡稳定性的关键区域进行强度折减，所得到的位移比全局强度折减法的小。且由于大多边坡失稳是因局部土体强度的下降，更符合边坡失稳机理。2.1局部强度折减法局部强度折减法[7−9]通过降低局部土体的强度，直至边坡达到极限平衡状态。局部土体一般是指边坡中潜在的滑裂带或者软弱土层，可根据地质勘察报告判断。若难以确定局部土体，可通过全局强度折减法，提取出滑裂带的土体单元作为局部土体。然后初始化计算模型，只对滑裂带土体的强度参数进行折减，折减方法仍采用式(6)：ccf,tantanf(6)式中：f为折减系数。使得边坡计算模型刚好不收敛时的f，被定义为边坡的安全系数，此时的临界位移即为临界位移。2.2滑带强度折减的依据边坡体在发生滑动过后，经历了漫长的地质年代历程，滑体、特别是滑带重新固结并且进一步胶结，使滑坡体在总体上达到了内应力场的平衡，处于一定的稳定状态。然而古滑坡的稳定只是暂时的，在外界的自然和人为因素作用下，如降雨、地震、挖填构筑扰动等，滑坡可能重新发生滑动。由于古滑坡原先发生过的滑动使滑带产生了一定的剪切位移，滑带的强度参数受到一定的弱化，因此古滑坡的复活一般会沿着长久以来形成的滑带而发生滑动[10−14]。当隧道正交穿越古滑坡时，隧道的开挖过程会对古滑坡体产生一定的扰动，从而使得滑带产生新的剪切位移，其强度也进一步弱化。因此，在对古滑坡稳定性的分析过程中，仅对滑带这一影响古滑坡稳定性的关键软弱结构面的强度参数进行折减，是符合实际情况的。2.3古滑坡稳定性分析对于实际工程中不同条件的隧道−古滑坡正交体系，可根据2.4中式(5)确定滑带的最大位移umax。通过对现场的滑带土进行分析，在实验室中配制出相同颗粒级配的土样，进行室内大型直剪试验，得到土样的强度参数c，φ。然后进行一组对比试验：取相同的土样，用大型直剪仪先剪切一定的位移umax，释放荷载后重新加载并剪切至破坏得到强度参数c′，φ′。对比是否预剪对土样强度参数的影响，确定该工程条件下隧道开挖扰动使得滑带所产生的位移对滑带土抗剪强度的折减系数f′等于c与c′的比值或φ与φ′的比值。通过FLAC3D有限元分析软件，取折减参数为f′，若计算模型收敛，则古滑坡处于稳定状态；若计算模型不收敛，则古滑坡处于失稳状态。2032铁道科学与工程学报2019年8月3算例分析

通过一个工程算例来进一步阐明以上所述的隧道开挖扰动对古滑坡稳定性影响的分析方法。3.1工程概况及数值模型工程原型为某西南地区穿越大型古滑坡体的公路隧道。该隧道−古滑坡体系主要是由碎石土以及未完全解体的灰岩组成。滑体上部主要成分为卵砾石土(灰岩、砂岩等)，多为弱风化状态；中下部为强风化岩体，裂隙较发育。隧道围岩主要为中强风化的结晶灰岩，完整性较差，围岩为Ⅴ级。对该工程实例建立如图2所示的简化模型。图2工程实例简化模型Fig.2Simplifiedmodelofengineeringcase在进行数值模拟分析时，对模型采用莫尔−库仑本构模型，只考虑自重应力场。该古滑坡−隧道体系整体分为基岩、滑带、滑体以及隧道4个部分。模型共有5399个单元和10840个节点。计算参数如表4所示。表4力学参数取值Table4Valueofmechanicalparameters岩性重度/变形模量内摩擦角黏聚力抗拉强(kN∙m−3)E/GPaφ/(°)c/MPa度/MPa基岩2560271.210滑带土1925200.0220.01滑体201022.50.213.2滑带位移对比该工程实例中隧道圆心距滑带的垂直距离x=26.5m，沿滑带方向距滑带中点的距离y=12.8m，代入式(5)可得滑带最大位移umax=9.581mm。通过FLAC3D有限差分软件对该边坡模型进行数值模拟，可得隧道开挖使得滑带所产生的最大位移umax=8.052mm。其中误差为18.9%。图3隧道开挖前后位移差云图Fig.3Differentialnephogramofdisplacementbeforeandaftertunnelexcavation图4隧道开挖前后滑带位移差云图Fig.4Differentialnephogramofslipzonedisplacementbeforeandaftertunnelexcavation3.3室内大型直剪试验根据滑带土的力学参数，在实验室中制作6个相同的重塑土样分为第1组与第2组。第1组试验：按照大型直剪试验仪的操作步骤，所加法向荷载分别取100，200和300kPa进行3次试验，将试样剪切至剪应力趋于不变，可得图5所示结果。经计算可得土样1的c1=0.0216MPa，tanφ1=0.396。第2组试验：按照大型直剪试验仪的步骤，所加法向荷载分别取100，200和300kPa进行3次试验，对试样预剪以模拟隧道开挖对滑带土产生的扰动，达到预剪位移umax=9.581mm后释放荷载，继续剪切至剪应力达到峰值。可得图7所示结果，经计算可得土样2的c2=0.0188MPa,，tanφ2=0.344。由此可得c1/c2=1.148，tanφ1/tanφ2=1.151。第8期骆晓依，等：隧道开挖扰动对古滑坡稳定性的影响分析2033图5剪应力-水平位移关系曲线Fig.5Shearstress-horizontaldisplacementcurve图6峰值强度包线Fig.6Peakstrengthenvelope图7预剪后剪应力-水平位移关系曲线Fig.7Shearstress-horizontaldisplacementcurveafterpre-shearing3.4古滑坡稳定性分析运用FLAC3D有限差分软件，仅对滑带的强度参数进行折减，折减系数取4.3中的室内大型直剪试验所得的预剪前后tanφ的比值，折减系数f=1.15。经过数值模拟计算分析，数值模拟结果如图9及图10所示。图8预剪后峰值强度包线Fig.8Peakstrengthenvelopeafterpre-shearing图9滑带土强度折减后的位移云图Fig.9Displacementnephogramofslidingzonesoilafterstrengthreduction图10滑带土强度折减后的塑性区Fig.10Plasticzoneofslipzonesoilafterstrengthreduction经过强度折减后，滑带顶部最大位移为12.53mm，且滑带土的塑性区并未贯穿整条滑带，该古滑坡处于稳定状态。因此，当隧道从该位置穿过时，开挖不会促使该古滑坡发生复活。4结论

正交组合设计的基础上，提出了一种隧道：2034铁道科学与工程学报2019年8月1)针对隧道−古滑坡正交体系，给出了一种隧道开挖后滑带位移公式构建方法，得到了考虑位置因素的滑带位移公式。2)通过数值模拟分析，滑带土的强度参数c1

和φ1，滑坡体的强度参数c2和φ2以及隧道的位置对滑带位移的影响程度不一。总体而言，隧道位置对滑带的位移影响较大。3)通过实例分析，展示了该种方法的应用过程，在一定程度上验证了该方法的有效性。参考文献：[1]任三绍,郭长宝,吴瑞安,等.成兰铁路松潘隧道入口红花屯古滑坡发育特征与稳定性分析[J].地质力学学报,2017,23(5):754−765.RENSanshao,GUOChangbao,WURuian,etal.DevelopmentcharacteristicsandstabilityanalysisofHonghuatunancientlandslideatSongpantunnelentranceofChenglanRailway[J].JournalofGeomechanics,2017,23(5):754−765.[2]胡相波,赵其华,王兰生,等.某古滑坡基本特征及稳定性分析[J].地质灾害与环境保护,2008,19(4):67−71.HUXiangbo,ZHAOQihua,WANGLansheng,etal.Basiccharacteristicsandstabilityanalysisofanancientlandslide[J].JournalofGeologicalHazardsandEnvironmentPreservation,2008,19(4):67−71.[3]刘梦琴,陈勇.基于直剪试验的滑带土强度再生特征研究[J].人民长江,2018,49(18):92−96.LIUMengqin,CHENYong.Studyonstrengthregenerationcharacteristicsofslipzonesoilbasedondirectsheartest[J].People’sYangtzeRiver,2018,49(18):92−96.[4]张治国,徐晓洋,姜蕴娟,等.隧道正交穿越滑坡体的安全距离及稳定性分析[J].岩土力学,2017,38(11):3278−3286.ZHANGZhiguo,XUXiaoyang,JIANGYunjuan,etal.Analysesonsafetydistanceandstabilityincaseoftunnelorthogonallycrossinglandslide[J].GeotechnicalMechanics,2017,38(11):3278−3286.[5]吴博,赵法锁,王雷,等.黄土–基岩滑坡滑带土特性及其演化过程[J].煤田地质与勘探,2018,46(4):129−134,141.WUBo,ZHAOFasuo,WANGLei,etal.Physicalandmechanicalpropertiesofslipzonesoilinloess-bedrocklandslidesanditsevolutionaryprocess[J].CoalfieldGeologyandExploration,2018,46(4):129−134,141.[6]钟志辉,杨光华,张玉成,等.基于局部强度折减法的土质边坡位移研究[J].岩土工程学报,2011,33(增1):203−208.ZHONGZhihui,YANGGuanghua,ZHANGYucheng,etal.Displacementofsoilslopesbasedonlocalstrengthreductionmethod[J].JournalofGeotechnicalEngineering,2011,33(Suppl1):203−208.[7]马磊,李满意,魏燕珍,等.古滑坡滑带土强度特性及其影响因素研究[J].工程勘察,2016,44(2):23−26.MALei,LIManyi,WEIYanzhen,etal.Studyonsoilstrengthcharacteristicsofancientlandslidezoneanditsimpactfactors[J].EngineeringInvestigation,2016,44(2):23−26.[8]董文萍,戴福初,张洪影,等.向家坝水电站库区某滑坡滑带土的残余强度试验研究[J].高校地质学报,2018,24(4):619−626.DONGWenping,DAIFuchu,ZHANGHongying,etal.LaboratorystudyonsoilresidualstrengthofslipzoneofalandslideintheXiangjiabareservoirarea[J].JournalofGeologyofUniversity,2018,24(4):619−626.[9]王磊.隧道穿越古滑坡体稳定性研究[D].重庆:重庆大学,2013.WANGLei.Studyonstabilityoftunnelthroughancientlandslide[D].Chongqing:ChongqingUniversity,2013.[10]刘军营,姚晓光,罗要飞.基于正交试验的纤维微表处路用性能研究[J].铁道科学与工程学报,2016,13(1):82−88.LIUJunying,YAOXiaoguang,LUOYaofei.Researchonpavementperformanceoffibermicro-surfacingbasedonorthogonaltest[J].JournalofRailwayScienceandEngineering,2016,13(1):82−88.[11]YANGGH,ZHONGZH,FUXudong,etal.Slopeanalysisbasedonlocalstrengthreductionmethodandvariable-moduluselasto-plasticmodel[J].JournalofCentralSouthUniversity(EnglishVersion),2014,21(5):2041−2050.[12]GuptaV,BhasinRK,KayniaAM,etal.Finiteelementanalysisoffailedslopebyshearstrengthreductiontechnique:AcasestudyforSurabhiresortlandslide,Mussoorietownship,GarhwalHimalaya[J].GeomaticsNaturalHazards&Risk,2016,7(5):1−14.[13]KimuraS,GiboS,NakamuraS,etal.Landslidestabilityanalysisutilizingshearstrengthofslipsurfacesoil[C]//AsatoandTyunjunLandslides,Okinawa,Japan,2010:1246−1254.[14]CHENXP,ZHUHH,HUANGJW,etal.Stabilityanalysisofanancientlandslideconsideringshearstrengthreductionbehaviorofslipzonesoil[J].Landslides,2016,13(1):173−181.(编辑蒋学东)