偏壓隧道洞口高邊坡?lián)鯄Φ挠?jì)算與優(yōu)化

許 路， 魏華兵， 王 軍， 鄧 幫， 王元漢

(1.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074；2. 湖北省路橋集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430056； 3.武漢市建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站， 湖北 武漢 430010)

為了抵抗土壓力，保持邊坡、隧道洞口、橋梁兩端以及河流岸壁的穩(wěn)定，擋土墻廣泛應(yīng)用于道路、隧道、橋梁以及其他各種土建工程[1～3]。為保證工程的穩(wěn)定，擋土墻需要抵抗和承受較大的側(cè)向土壓力。擋土墻的土壓力是由土體、地基、擋土墻等因素共同決定，即使在擋土墻和填土特性完全相同，土壓力也會(huì)存在很大差異[4，5]。

本文結(jié)合宜巴高速公路廟灣1號隧道偏壓洞口高邊坡?lián)鯄κ┕?，提出了隧洞開挖削弱坡體抗滑力的力學(xué)模型，采用改進(jìn)條分法進(jìn)行了洞口開挖后邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的計(jì)算。同時(shí)，采用ABAQUS有限元軟件對偏壓隧道洞口坡體滑移帶進(jìn)行了計(jì)算，對不同擋墻施工方案進(jìn)行了優(yōu)化，由此得出了優(yōu)化的擋墻施工規(guī)律。將分析計(jì)算的結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行比較，兩者一致，說明了本文方法的正確性。研究結(jié)果不僅為本隧道的工程實(shí)際提供了指導(dǎo)，同時(shí)為其他偏壓隧道的擋墻設(shè)計(jì)施工提供了參考。

1 工程概述

1.1 工程地質(zhì)條件

廟灣1號隧道為四車道分離式高速公路隧道，隧道位于宜昌市霧渡河鎮(zhèn)黃家河村境內(nèi)，隧道走向268°，呈東～西向展布。隧道分左右兩幅；左線ZK72+742～ZK72+970，全長228 m;右線YK72+760～YK72+930，全長170 m。大地構(gòu)造屬揚(yáng)子板塊臺地區(qū)，地處黃陵背斜的核部，廣泛出露基底巖變質(zhì)系，基底變質(zhì)巖系具中深層次、多期次韌性剪切，褶皺疊加變形變質(zhì)構(gòu)造特征，構(gòu)造復(fù)雜。區(qū)域地層被北西向區(qū)域性霧渡河斷裂及北向霧渡河韌性剪切帶所破壞，片麻理產(chǎn)狀30°∠86°(順向坡)，地層巖性為中太古界野馬洞(Ar2y)黑云斜長角閃巖、花崗片麻巖及新元古代(Pt3r)花崗巖。隧道區(qū)主要有三組節(jié)理，產(chǎn)狀分別為①30°∠86°，②148°∠74°③280°∠54°，其中第一組節(jié)理與坡面平行，另外兩組與山體坡向直交或大角度斜交。山體表面巖層為中風(fēng)化，局部破碎較為嚴(yán)重。

1.2 工程存在問題

1號隧道在進(jìn)出口段邊坡傾角大于50°，由于其特殊地貌在右幅進(jìn)口、左幅出口都遇到較大偏壓(如圖1所示)。于2010年底開挖之后，經(jīng)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)較大的地表沉降等問題[6]，仰坡出現(xiàn)多條裂縫多呈45°～60°，其中有兩條較長裂縫一直延伸到邊坡坡頂，見圖2。初襯有沉降且與護(hù)拱有脫離的趨勢，見圖3。

圖1 隧道左幅出口段

圖2 仰坡裂縫

圖3 初襯與護(hù)拱之間的裂縫

2 偏壓隧道邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

隧道未開挖時(shí)，坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。隧洞的開挖造成了坡體的不穩(wěn)定。根據(jù)掌子面的觀察，洞口處于坡體滑移帶上。本文提出的力學(xué)模型為：洞室的開挖，減少了滑移帶的長度，降低了坡體的抗滑力，因此造成了坡體的失穩(wěn)。

2.1 洞口未開挖時(shí)的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

勻質(zhì)發(fā)生滑坡時(shí)，其滑動(dòng)面形狀大多數(shù)為一近似圓弧面(如圖4所示)，節(jié)理面滑移與圓弧滑動(dòng)的滑移面接近，為簡化起見，采用條分法分析，且選用本工程實(shí)際的簡化模型。

圖4 土坡穩(wěn)定分析的條分法

在地表土層內(nèi)部的一定半徑確定滑動(dòng)面，將滑動(dòng)面以上土體分成若干個(gè)等寬或不等寬土條，每個(gè)土條的受力為

Ni=Wicosβi

(1)

Ti=Wisinβi

(2)

Si=Wicosβitanφi+cili

(3)

(4)

在本算例中，圓弧面半徑為46.39 m，坡體高度為37.61 m，劃分為10個(gè)土條，坡體的表層粘聚力C=60 kPa，內(nèi)摩擦角為φ=16°，重度γ=20 kN/m3。穩(wěn)定性的計(jì)算過程如表1所示。

安全系數(shù)為：

(5)

可以判定此邊坡的狀態(tài)為臨界穩(wěn)定狀態(tài)[7]。

表1 條分法計(jì)算

2.2 洞口開挖后的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

如圖5所示，隧道洞口位于邊坡層面的弱層上，隧道的開挖相當(dāng)于減少了坡體的抗滑力分布長度，即條塊5，6，7的部分。而隧道開挖減少的土體重量相對整個(gè)坡體重量可以忽略不計(jì)，因此

(6)

(7)

(8)

其中∑cwlw為開挖后粘性阻力的減小值。

圖5 隧道開挖后示意

對應(yīng)切割條塊5，6，7的滑移帶長度為

(9)

因此在隧道開挖后土體的安全系數(shù)為：

(10)

由此可知土體在隧道開挖后將發(fā)生失穩(wěn)破壞。

3 ABAQUS數(shù)值模擬

為進(jìn)一步進(jìn)行坡體穩(wěn)定性分析，采用ABAQUS有限元軟件[8]進(jìn)行洞口開挖過程中擋墻設(shè)置的數(shù)值模擬。

3.1 簡化模型

根據(jù)地勘報(bào)告和擋墻設(shè)計(jì)圖，可將洞口邊坡?lián)鯄M(jìn)行如圖6簡化，其中擋墻的高度為11.6 m，土層分為rock1、rock2、rock3，rock1和rock2，總高度為37.61 m，并于便道形成51°傾角，為典型的高邊坡。模型總高度為74.4 m，最大寬度為60.1 m。各部分材料系數(shù)如表2所示[6]。

圖6 整體模型

部位密度(kg/m3)泊松比(ν)彈模(GPa)內(nèi)聚力 (kPa)內(nèi)摩擦角(°)剪脹角(°)rock120000.420.160167rock220000.350.31002010rock322000.315004520擋墻20000.22---回填16000.420.160169隧道體22000.221---

3.2 強(qiáng)度折減法的基本原理

影響邊坡失穩(wěn)破壞的關(guān)鍵因素是土體的抗剪強(qiáng)度，當(dāng)最大剪應(yīng)力達(dá)到破壞極限時(shí)，土坡將失穩(wěn)破壞?；诖?，本文在強(qiáng)度折減系數(shù)法求解邊坡穩(wěn)定問題時(shí)，采用的是理想彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb 破壞準(zhǔn)則[9]：

(11)

式中I1，J2分別為應(yīng)力張量的第一不變量和應(yīng)力偏張量的第二不變量；θσ為應(yīng)力德羅角；φ為土的內(nèi)摩擦角。

用強(qiáng)度折減法[9]求邊坡穩(wěn)定的基本原理就是將巖土體強(qiáng)度指標(biāo)c，φ值同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)Fs得到一組新的c′，φ′值，然后作為新的材料參數(shù)代入有限元進(jìn)行試算。當(dāng)邊坡土體符合給定的臨界破壞狀態(tài)判定條件時(shí)，對應(yīng)的Fs即為邊坡的最小安全系數(shù)，在此過程彈性模量E和泊松比μ保持不變，即：

(12)

3.3 洞口未開挖時(shí)邊坡的穩(wěn)定性分析

在重力荷載作用下，在折減系數(shù)分別為1.0、1.03、1.05的情況下，邊坡體的塑性應(yīng)變發(fā)展如圖7所示。

圖7 塑性應(yīng)變分布隨折減系數(shù)的變化

根據(jù)本文判斷失穩(wěn)的依據(jù)，經(jīng)過不斷的調(diào)整折減系數(shù)，在Fs=1.05時(shí)，廣義塑性應(yīng)變最大值已經(jīng)達(dá)到了5.59%，且塑性區(qū)已經(jīng)貫通，所以可以認(rèn)為臨界強(qiáng)度折減系數(shù)為F=1.05。這與根據(jù)條分法算得的穩(wěn)定性系數(shù)1.04基本一致。

3.4 洞口開挖未加擋墻時(shí)邊坡穩(wěn)定性分析

在進(jìn)行臺階法開挖模擬時(shí)，如果不加擋墻，在折減系數(shù)分別為0.65、0.85、0.86的情況下，邊坡體的塑性應(yīng)變發(fā)展如圖8所示。

圖8 開挖時(shí)塑性應(yīng)變分布隨折減系數(shù)的變化

由圖可見在Fs=0.86時(shí)，廣義塑性應(yīng)變最大值已經(jīng)達(dá)到3.42%，且塑性區(qū)已貫通?？梢哉J(rèn)為臨界強(qiáng)度折減系數(shù)為0.86與根據(jù)建立力學(xué)模型所得結(jié)果接近。這里滑移面與原假定滑移面相比形狀有一定差異，是因?yàn)樵诙纯陂_挖過程中發(fā)生了應(yīng)力重分布所致。

3.5 洞口開挖進(jìn)行擋墻處理的兩種方案

(1) 施工過程中，根據(jù)隧道洞口邊坡不滿足穩(wěn)定性的分析，決定進(jìn)行擋墻施工，參照施工的順序安排，可歸納為兩種不同施工方案：

施工方案1：初始地應(yīng)力平衡→上臺階開挖→上臺階支護(hù)→下臺階開挖→下臺階支護(hù)→擋墻→回填

施工方案2：初始地應(yīng)力平衡→擋墻→回填→上臺階開挖→上臺階支護(hù)→下臺階開挖→下臺階支護(hù)

(2) 計(jì)算結(jié)果

圖9,10為方案1，方案2的塑性應(yīng)變圖。由圖9可見，塑性區(qū)貫穿坡體，雖然由于擋墻的存在阻擋了坡體的失穩(wěn)滑移，但是由于整個(gè)坡體塑性區(qū)的貫穿，土體變形發(fā)展較大，引起了過大的沉降和收斂。圖10為方案2的塑性應(yīng)變圖，由圖可見，塑性應(yīng)變值明顯小于方案1，并且塑性區(qū)未貫穿整個(gè)土體。

圖9 方案1的塑性應(yīng)變

圖10 方案2的塑性應(yīng)變

圖11和圖12為兩種方案的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形圖。方案2的隧道體變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于方案1，由以上比較可見，洞身開挖前先施作擋墻的方案2明顯優(yōu)于洞身開挖再施作擋墻的方案1。

圖11 方案1的支護(hù)變形

圖12 方案2的支護(hù)變形

(3)與監(jiān)測結(jié)果的比較

監(jiān)控小組于2010年12月3日在1號隧道左洞洞口附近上臺階ZK72+965(方案1)布置一組拱部監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測結(jié)果如圖13所示。由圖可見，當(dāng)未加擋墻時(shí)，隧道變形較大，且沒有收斂的趨勢。鑒于變形較大，施工單位停止了左洞開挖，并施作擋墻。施工得以順利進(jìn)行。

圖13 ZK72+965拱部累計(jì)收斂

在右洞進(jìn)口開挖時(shí)，則先施作擋墻，再進(jìn)行開挖。監(jiān)控小組于2011年10月3日在隧道右洞洞口附近上臺階YK72+765(方案2)布置一組拱部監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測結(jié)果如圖14所示。由圖可見，當(dāng)加了擋墻時(shí)，隧道變形較小，且很快收斂。因此，先施作擋墻，再進(jìn)行開挖，是比較合理的工序。

圖14 YK72+765斷面的拱部累計(jì)收斂

比較監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與模擬計(jì)算結(jié)果，可以看出它們基本一致。

4 結(jié) 論

(1)提出了一種模擬洞室開挖的邊坡穩(wěn)定性力學(xué)模型，結(jié)合邊坡分析的條分法，可以方便應(yīng)用于偏壓隧道開挖過程的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算。

(2)采用ABAQUS和強(qiáng)度折減法計(jì)算隧洞開挖前后的邊坡應(yīng)力應(yīng)變大小，塑性區(qū)分布，為隧道工程合理化施工提供了參考。

(3)進(jìn)行了偏壓隧道洞口高邊坡?lián)鯄Φ膬?yōu)化設(shè)計(jì)研究。結(jié)果表明，先施作擋墻再隧道洞口施工較為安全經(jīng)濟(jì)。

(4)分析計(jì)算與監(jiān)控量測的結(jié)果進(jìn)行比較，兩者總體一致，說明采用的模型和方法是合理的。

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