某隧道洞口邊坡的穩(wěn)定性評價

溫廣軍， 李翻翻， 王昱博

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司；公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088；2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著我國高速公路和鐵路的不斷建設(shè)，越來越多的工程建設(shè)涉及到邊坡治理[1]，邊坡的穩(wěn)定性直接影響工程建設(shè)質(zhì)量的好壞，常見的邊坡失穩(wěn)因素主要有地震作用、暴雨及河流沖刷以及開挖擾動等。如何針對邊坡失穩(wěn)機制采取有效的加固措施，是邊坡治理的熱點問題之一。

劉君[2]針對杜兒坪礦高邊坡的工程地質(zhì)條件，采用Sarma法對該邊坡穩(wěn)定性進行分析，并提出了相應(yīng)的加固措施。陳曉平等[3]采用Bishop圓弧滑動法對某軟巖高邊坡在天然狀態(tài)、殘余強度狀態(tài)及濕化狀態(tài)下的穩(wěn)定性進行了分析，其分析結(jié)果表明邊坡開挖后由于土體卸載導(dǎo)致邊坡土體強度降低，使得邊坡的穩(wěn)定性降低，開挖后降雨入滲使得表層土體軟化，強變發(fā)生衰減，邊坡穩(wěn)定性進一步降低，開挖后當(dāng)邊坡表層土體達到殘余強度，或邊坡開挖后邊坡表層土體達到濕化強度，采用表層的噴錨支護措施無效。鞏留杰[4]在傳統(tǒng)極限平衡分析法的基礎(chǔ)上，借助有限元對邊坡整體穩(wěn)定性進行了分析和研究，得出了加筋材料、加筋距離及加筋總量等因素對邊坡穩(wěn)定性的影響。沈?qū)毺玫萚5]在邊坡破壞機制的研究中采用了離散元法，成功揭示了邊坡的破壞機制，并指出了塊體邊坡內(nèi)應(yīng)力分布不連續(xù)且存在應(yīng)力核的現(xiàn)象。

目前針對露天礦、公路等高邊坡的分析結(jié)果已有很多[6-9]，但是針對隧道洞口的高邊坡的研究尚需進一步加強。本文將采用ANSYS等數(shù)值模擬軟件對某隧道洞口高邊坡進行三維建模，并對邊坡天然狀態(tài)下、暴雨狀態(tài)下及邊坡加固前后的穩(wěn)定性進行分析，針對分析結(jié)果對邊坡的加固方案進行評價。

1 工程概況

某隧道洞口段軸線方向約204°，洞口位于斜坡地段，斜坡坡向約22°，自然坡度約35°，與地形等高線基本正交。該段第四系覆蓋層主要為碎石、塊石，下伏基巖為強風(fēng)化泥灰?guī)r等，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖層產(chǎn)狀為105°∠13°，主要發(fā)育兩組節(jié)理裂隙，即J1： 285°∠84°、J2：200°∠60°。洞口邊、仰坡坡體主要由第四系覆蓋層碎石、塊石組成。左、右線隧道洞口仰坡、左側(cè)邊坡及右側(cè)邊坡為土質(zhì)邊坡，土質(zhì)類型為崩積成因中密-密實狀塊石、碎石，多為泥質(zhì)充填，自穩(wěn)能力差，抗沖刷能力弱，對邊坡、仰坡穩(wěn)定不利，屬于不穩(wěn)定型土質(zhì)結(jié)構(gòu)邊坡；在無坡面防護或無超前支護措施、不恰當(dāng)?shù)谋剖┕?、坡比較陡、地表水沖刷等情況下，邊坡巖土體易產(chǎn)生滑塌、坍塌、碎落。

2 計算模型與方案設(shè)計

2.1 模型建立

針對ANSYS等數(shù)值模擬軟件的特性，選擇利用ANSYS軟件強大簡單的建模功能進行模型的建立，利用ANSYS智能劃分網(wǎng)格功能對模型進行合理的網(wǎng)格劃分。隧道洞口邊坡三維計算模型如圖1所示，離散后的計算模型四面體單元數(shù)為637 988個，節(jié)點數(shù)109 732個。計算模型的邊界效應(yīng)已考慮，故模型四周及底部均采用位移約束，地表為自由面，應(yīng)力場由巖體自重引起。

圖1 隧道洞口邊坡三維計算模型

2.2 計算方案設(shè)計

本隧道洞口巖堆邊坡穩(wěn)定性數(shù)值計算采用ANSYS分析軟件，通過顯式積分算法對網(wǎng)格中的節(jié)點進行隨時步的進代計算，該程序能較好地模擬地質(zhì)材料在達到強度極限或屈服極限時發(fā)生的破壞或塑性流動的力學(xué)行為，特別適用于分析漸進破壞和失穩(wěn)以及模擬大變形。

在自然狀態(tài)、暴雨狀態(tài)和地震狀態(tài)3種工況下，為模擬隧道洞口邊坡自然邊坡、開挖過程及工后地震狀態(tài)下的洞口邊坡穩(wěn)定性情況，共31種工況開展模擬分析，其中左、右隧洞泥灰?guī)r、碎石層分別分兩層開挖及加固，上下層及左右洞間分別錯開40 m左右，并根據(jù)設(shè)計要求，隧洞自昭通端向麻柳灣端單向開挖，左隧洞超前右隧洞40 m以上，工后地震條件下的洞口邊坡穩(wěn)定性按地震+暴雨條件的最不利狀態(tài)下模擬。

2.3 計算參數(shù)選取

根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》和其他邊坡、滑坡規(guī)范，在反算邊坡強度參數(shù)時：①對于基本穩(wěn)定邊坡，安全系數(shù)應(yīng)該高于1.05～1.10；②對于臨滑狀態(tài)的邊坡，取安全系數(shù)為0.95～1.05；③對于欠穩(wěn)定的邊坡，安全系數(shù)為0.90～0.95；④對于不穩(wěn)定的邊坡，安全系數(shù)低于0.90。結(jié)合定性分析和現(xiàn)場情況，通過參數(shù)反演，參照《工程地質(zhì)勘察說明書》，參數(shù)的選取見表1、表2。

表1 某隧道洞口邊坡巖體基本力學(xué)參數(shù)(天然工況)

表2 某隧道洞口邊坡巖體基本力學(xué)參數(shù)(暴雨工況)

3 穩(wěn)定性分析評價

根據(jù)設(shè)計計算方案，對隧道邊坡在天然狀態(tài)、暴雨狀態(tài)、地震狀態(tài)下不同工況的巖堆邊坡體穩(wěn)定性進行了數(shù)值模擬計算。根據(jù)不同工況計算結(jié)果，分析巖堆體在天然狀態(tài)、暴雨狀態(tài)、地震狀態(tài)下位移、應(yīng)力、安全系數(shù)等主要參量變化規(guī)律，揭示巖堆體不同工況下內(nèi)在變形破壞特征，為合理做出巖堆體中掘進公路隧洞巖體穩(wěn)定性評價、指導(dǎo)工程設(shè)計與施工、降低生產(chǎn)安全風(fēng)險提供參考。

3.1 巖堆體變形破壞特征

計算過程中，根據(jù)設(shè)計監(jiān)測點位置，對關(guān)鍵點進行了監(jiān)測數(shù)據(jù)的計算機自動采集，包括位移與速率監(jiān)測。結(jié)果表明，自然狀態(tài)和暴雨狀態(tài)下各工況巖堆體最危險位置監(jiān)控點位移與速率具有如下變化特征：

(1)左隧洞口邊坡巖堆體開挖但不及時支護情況下，最大位移位于左隧洞口左上側(cè)，自然狀態(tài)下最大位移達到67.01 mm；左隧洞口邊坡巖堆體開挖后及時噴錨加固坡面，并施工好擋土墻情況下，最大位移僅6.285 mm，最大位移減小到了十分之一以下。由此說明，開挖對巖堆體變形有較大影響，施工時應(yīng)根據(jù)工程實際情況，實行分步開挖，每步開挖后應(yīng)盡量做到及時支護、加固等處理，最大限度地降低工程對原有巖堆體的擾動。

(2)巖堆體圍巖軟弱，通常處于淺埋地段，施工期間早期壓力大，圍巖變形快，自穩(wěn)時間短。在泥灰?guī)r(基巖)中掘進隧洞時，位移變化較平緩；左隧洞開挖進入到碎石巖堆層后，巖移速率明顯加快，位移增大；到右隧洞貫通后，位移達到了11.72 mm，周邊點位移同樣有所增大。因此，在巖堆體中掘進隧道，施工過程中應(yīng)加強前期支護，并做好施工監(jiān)測工作。

(3)暴雨(飽水)狀態(tài)下，各工況監(jiān)控點位移及速率大大提高。左右隧洞均貫通后，最大位移位于左隧洞口左上側(cè)，在暴雨狀態(tài)下最大位移達到了885.9 mm，位移增大了80倍?？梢哉J為，暴雨(飽水)對巖堆體穩(wěn)定性具有巨大影響，應(yīng)避免暴雨期間或暴雨剛過后即進行工程施工，隧洞附近的施工更是如此。

3.2 安全系數(shù)分析

依據(jù)三維模型對各工況安全系數(shù)進行了計算，結(jié)果表面自然狀態(tài)下安全系數(shù)介于1.05～1.08，屬于基本穩(wěn)定邊坡；暴雨狀態(tài)下各工況安全系數(shù)介于1.0～1.05，處于臨滑狀態(tài)；對于暴雨+地震狀態(tài)下，安全系數(shù)小于1.0，為欠穩(wěn)定坡體。

3.3 注漿錨桿軸力分析

為進一步研究注漿錨桿對隧道洞口邊坡巖堆體的加固效果，對各工況錨桿軸力進行了計算。由計算結(jié)果可知，工后自然狀態(tài)和暴雨狀態(tài)下，注漿錨桿分別提供了11.98 kN和105.78 kN的錨固力，對巖堆坡體的穩(wěn)定性具有一定的改善作用。

3.4 地震時程分析

為進一步研究工后巖堆路塹邊坡工程體在地震荷載作用下的穩(wěn)定性情況，本隧道邊坡所處區(qū)域地震動峰值加速度大致相當(dāng)于地震烈度為七度(峰值加速度0.15g)時的特定地震波，對本段工后邊坡體開展了暴雨+地震情形下的地震時程模擬計算。

計算結(jié)果表明，地震對隧道洞口巖堆體的穩(wěn)定性有較大影響，工程設(shè)計中應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐卣饸v史情況加以地震因素考慮，工程施工過程中更應(yīng)嚴格控制施工質(zhì)量，確保工程在極端環(huán)境下的整體穩(wěn)定性。

4 結(jié)論與建議

(1)開挖對巖堆體變形有較大影響，施工時應(yīng)根據(jù)工程實際情況，實行分步開挖，每步開挖后應(yīng)盡量做到及時支護、加固等處理。

(2)防坍塌是巖堆體隧道施工的重點，巖堆體宜固不宜清，并應(yīng)先支后挖，強支護，開挖斷面要變大為小，步步為營，施工前應(yīng)做好穩(wěn)固掌子面的工程措施，防止頂部巨石下坍危險。

(3)地質(zhì)體復(fù)雜，影響因素眾多，在勘查成果偏少情況下，數(shù)值模擬結(jié)果僅限于定性評價，在實際工程施工過程中，應(yīng)加強現(xiàn)場的施工監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，及時按需調(diào)整施工方案。

(4)工程設(shè)計中應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐卣饸v史情況加以地震因素考慮，工程施工過程中更應(yīng)嚴格控制施工質(zhì)量，確保工程在極端環(huán)境下的整體穩(wěn)定性。