某隧道邊坡穩(wěn)定性研究

周業(yè)萍 常 嘉

(武漢地鐵集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430030)

0 引言

邊坡問題無論是在施工過程中還是在工程建成后，邊坡失穩(wěn)問題一直威脅著工程的質(zhì)量。因此對邊坡穩(wěn)定性的研究，歷來是工程技術(shù)人員非常關(guān)心的課題。而目前運(yùn)用剛體極限平衡法能夠比較容易地處理各種復(fù)雜的幾何形狀和各種類型的邊界條件，解決難以用解析法求解的力學(xué)問題。因此，它成為解決復(fù)雜巖土體力學(xué)問題的有力工具。

本文圍繞某隧道邊坡穩(wěn)定性，在工程地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，進(jìn)行邊坡地質(zhì)模型概化與試驗(yàn)參數(shù)研究，運(yùn)用剛體極限平衡法對邊坡在不同工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，最終對該隧道邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行綜合分析與評價(jià)，并為進(jìn)一步探討該隧道邊坡的加固方案提出了合理建議。

1 工程概況

在建的某隧道是某高速公路重要控制工程之一，隧道上方邊坡工程主要為巖質(zhì)挖方路塹邊坡，該邊坡巖石力學(xué)性質(zhì)較差。隨著隧道的開挖可能導(dǎo)致其上方邊坡發(fā)生嚴(yán)重變形甚至破壞。因此有必要對其進(jìn)行系統(tǒng)性的穩(wěn)定性研究。

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

邊坡區(qū)內(nèi)構(gòu)造形跡以NNE向?yàn)橹?。工程場區(qū)位于養(yǎng)長河背斜北西翼，其周邊5 km2范圍內(nèi)沒有大的斷層出露，巖層產(chǎn)狀總體穩(wěn)定，約330°∠40°。在橋址周圍發(fā)育眾多不同形態(tài)的結(jié)構(gòu)面(包括裂隙面和層面)，這些結(jié)構(gòu)面對橋頭邊坡穩(wěn)定性起控制作用。

研究區(qū)主要出露三疊系下統(tǒng)大冶組碳酸鹽巖地層，另外在河床底部出露有一定厚度的沖洪積層。

1.2 氣象與水文地質(zhì)

研究區(qū)屬潮濕氣候溫暖區(qū)，春早、夏熱、秋雨綿綿，冬暖而多霧，無霜期長，氣候溫暖濕潤，雨量充沛。地下水主要為巖溶裂隙水和松散堆積體孔隙水。地下水補(bǔ)給主要靠大氣降水，且大多以地表徑流的方式向河谷區(qū)排泄。

2 邊坡變形破壞現(xiàn)狀

目前，邊坡巖體受構(gòu)造、侵蝕、風(fēng)化、卸荷及人類工程活動(dòng)影響，局部地段有明顯的變形破壞跡象，隨著裂隙面規(guī)模逐漸擴(kuò)大，力學(xué)特性逐漸開始弱化，并逐步形成裂隙帶、軟弱層面、層間軟弱帶。

同時(shí)，因20世紀(jì)70年代修建水電站而開挖的引水渠，致使在坡腳帶形成了高3 m～8 m不等的臨空面，臨空面以上塊體不能自穩(wěn)，進(jìn)而發(fā)生順層面或裂隙面的滑動(dòng)破壞，其中部分巖體的失穩(wěn)又會帶動(dòng)周邊塊體的漸進(jìn)性失穩(wěn)、破壞。而隨著隧道施工的進(jìn)行，坡體將可能由于坡腳的破壞、坡體自重、動(dòng)水壓力及其他荷載共同作用下發(fā)生進(jìn)一步的失穩(wěn)。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

為了對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行合理分析與評價(jià)，考慮邊坡的潛在變形破壞以順層破壞為主，故選取走向與巖層傾向一致的工程地質(zhì)剖面，按最不利組合模式，剖面中共有3個(gè)代表性潛在滑移體，其位置形態(tài)如圖1所示。

3.1 計(jì)算參數(shù)選擇

控制性結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)是邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的關(guān)鍵指標(biāo)之一，滑動(dòng)面的剪切強(qiáng)度參數(shù)通常依據(jù)以下三種數(shù)據(jù)來確定，即試驗(yàn)數(shù)據(jù)、極限狀態(tài)下的反算數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

本文根據(jù)現(xiàn)場采集代表性結(jié)構(gòu)面樣和巖塊樣，基于室內(nèi)試驗(yàn)，分析這些樣本在天然和飽水狀態(tài)下的物理力學(xué)參數(shù)，并確定飽水參數(shù)和天然參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。由于室內(nèi)試驗(yàn)存在尺度效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)等問題，其成果往往難以直接應(yīng)用到工程穩(wěn)定性評價(jià)及治理設(shè)計(jì)中，所以在本次研究中還開展了反演分析，并參照了現(xiàn)有規(guī)程規(guī)范給出的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，以及以往的工程經(jīng)驗(yàn)，最后綜合確定了控制性結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值。

3.2 穩(wěn)定性計(jì)算與評價(jià)

根據(jù)前期勘察資料與地質(zhì)模型，可以概化出如圖2所示的極限平衡分析計(jì)算模型。其中圖2a)～圖2c)為剖面1中的潛在滑移體，編號分別為1-1，1-2和1-3。

由于傳遞系數(shù)法適用于滑面為任意形狀的滑體，并可考慮坡體自重、暴雨和地震等荷載及各個(gè)滑塊不同抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響。因此，本文針對兩種工況對潛在滑移體穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，兩種工況如下:

工況1:當(dāng)前天然狀態(tài);工況2:坡腳開挖+暴雨+地震工況(最不利工況)。

經(jīng)計(jì)算，最終得到穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果，如表1所示。從表1可以看出，邊坡目前條件下整體穩(wěn)定性較好，同時(shí)該邊坡在暴雨?duì)顟B(tài)下穩(wěn)定性較差，需要采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

表1 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

4 結(jié)語

本文通過對某隧道順層邊坡巖體變形模式分析，并基于剛體極限平衡法計(jì)算了不同工況條件下的安全系數(shù)，得出如下結(jié)論和建議:

1)邊坡的潛在變形破壞模式有兩種:

其一是單純的順層面向臨空面的滑移破壞;

其二是部分順層面、部分剪切巖體的組合破壞。

2)通過宏觀地質(zhì)調(diào)查和數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明:自重荷載作用下，隧道邊坡變形相對均勻，變形主要以沉降為主，邊坡整體穩(wěn)定性較好，隧道的開挖會導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性一定程度降低，而暴雨工況會進(jìn)一步導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性顯著降低?；谝陨锨闆r，建議消除邊坡的臨空面，加強(qiáng)邊坡的截排水工程以增加邊坡穩(wěn)定。

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