基于強(qiáng)度折減法邊坡與隧道聯(lián)合地層穩(wěn)定性研究

胡文亮

(重慶市設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400015)

山嶺隧道受地形地質(zhì)條件及路線限制，隧道偏壓較為常見，隧道下穿邊坡形成的聯(lián)合受力系統(tǒng)較為復(fù)雜，分析邊坡與隧道聯(lián)合體系的地層穩(wěn)定性是進(jìn)行隧道工程安全建設(shè)的首要問題。目前，偏壓隧道處置研究多從施工技術(shù)、隧道加固等方面進(jìn)行。王軍等[1]采用有限元差分法計(jì)算受偏壓隧道影響的邊坡加固，計(jì)算數(shù)值與工程監(jiān)控較吻合；楊小禮等[2]通過數(shù)值模擬淺埋小凈距隧道施工過程，提出先開挖埋深較大的一側(cè)，隧道圍巖塑性區(qū)相對(duì)較?。悔w陽等[3]對(duì)偏壓小凈距隧道進(jìn)行計(jì)算，指出小凈距隧道兩主洞掌子面保持在2倍洞徑時(shí)隧道穩(wěn)定性最好；黃強(qiáng)等[4]通過計(jì)算分析了在淺埋偏壓公路隧道采用CRD工法施工，隧道按外側(cè)上部、內(nèi)側(cè)上部、外側(cè)下部、內(nèi)側(cè)下部的順序進(jìn)行開挖，應(yīng)力位移較?。魂愔久舻萚5]通過分析隧道拱頂沉降塑性區(qū)等，認(rèn)為大跨淺埋偏壓隧道優(yōu)先開挖深埋側(cè)隧道，并優(yōu)先開挖其淺埋側(cè)導(dǎo)洞。

鑒于目前邊坡隧道聯(lián)合受力體系地層穩(wěn)定性的研究尚少，本文采用有限元強(qiáng)度折減法分析從隧道拱部的邊坡覆蓋層厚度探討研究隧道與邊坡聯(lián)合受力地層穩(wěn)定性受力特性，以期指導(dǎo)偏壓隧道的設(shè)計(jì)與施工。

1 強(qiáng)度折減法原理

強(qiáng)度折減法是通過折減巖土工程的材料參數(shù)強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度)，使得巖土處于臨界破壞失穩(wěn)狀態(tài)[6-12]，強(qiáng)度折減的數(shù)值F即為安全儲(chǔ)備系數(shù)。

選擇巖土材料本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，將巖土的穩(wěn)定性系數(shù)F定義為抗拉強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度同等減少值。

式中：c為粘聚力，Pa；c′為折減后粘聚力，Pa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)；φ′為折減后內(nèi)摩擦角，(°)；T為抗拉強(qiáng)度，Pa；T′為折減后抗拉強(qiáng)度，Pa。

采用有限元軟件計(jì)算，判斷巖土失穩(wěn)的依據(jù)是位移過大，計(jì)算程序?qū)⒉皇諗?。?jù)此，本文以有限元迭代計(jì)算不收斂作為巖土失穩(wěn)的判據(jù)[13-15]。

2 偏壓隧道邊坡地層穩(wěn)定性分析

隧道圍巖結(jié)構(gòu)與邊坡坡體的受力模式不同，隧道穩(wěn)定性取決于其周邊圍巖的強(qiáng)度，而邊坡體的穩(wěn)定性取決于邊坡抵抗自重滑移能力，其破壞模式一般表現(xiàn)為沿邊坡內(nèi)部滑面滑移。

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3370.1—2018)附錄A.0.07隧道IV級(jí)圍巖參數(shù)建議取值如下：泊松比μ= 0.35，內(nèi)摩擦角φ= 30°，彈性模量E= 1 200 MPa，重度γ= 25 kN/m3，粘聚力c= 0.2 MPa，抗拉強(qiáng)度T=28 kPa。算例選取邊坡高度45 m、坡率1∶1進(jìn)行拉剪強(qiáng)度折減法計(jì)算。初始邊坡安全系數(shù)經(jīng)計(jì)算F=2.3。

2.1 隧道拱肩巖層厚度影響

隧道拱肩覆巖層不同厚度對(duì)邊坡隧道地層穩(wěn)定性的影響，選取2車道隧道距離地表23 m情況下計(jì)算隧道拱肩距離坡面厚度5 m、10 m、15 m、20 m及25 m工況對(duì)比分析，各工況下隧道與邊坡相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。

單位：cm

1) 穩(wěn)定安全系數(shù)

采用有限元軟件計(jì)算不同工況下的地層穩(wěn)定性安全系數(shù)，結(jié)果見表1。由表1可知，隨隧道拱肩邊坡巖土厚度的增加，邊坡隧道地層安全系數(shù)先減小后增大。

表1 穩(wěn)定安全系數(shù)

2) 破壞模式

隧道拱肩處不同覆蓋層厚度工況下，邊坡臨界失穩(wěn)狀態(tài)的巖土塑性區(qū)云圖如圖2所示。

(a) 工況1

(c) 工況3

(e) 工況5

分析塑性區(qū)分布模式存在一定的規(guī)律：

(1) 當(dāng)隧道拱肩覆蓋層厚度較小時(shí)(工況1、工況2)，由地層臨界失穩(wěn)巖土塑性區(qū)圖2(a)、(b)可知，塑性區(qū)位于隧道拱墻兩側(cè)，隧道左側(cè)巖土塑性區(qū)在理論破裂面方向形成破壞區(qū)，隧道右側(cè)巖土塑性區(qū)從拱肩位置貫通到邊坡坡面形成破壞區(qū)，此種工況下邊坡與隧道聯(lián)合地層穩(wěn)定性受隧道穩(wěn)定性控制；

(2) 隨隧道拱肩覆蓋層厚度增大(工況3～工況5)，由地層臨界失穩(wěn)巖土塑性區(qū)圖2(c)～(e)可知，隧道左側(cè)巖土塑性區(qū)沿理論破裂面方向形成破壞區(qū)，隧道右側(cè)巖土塑性區(qū)從拱墻位置向邊坡坡腳貫通形成破壞區(qū)，此種工況下邊坡與隧道聯(lián)合地層穩(wěn)定性受隧道穩(wěn)定性和邊坡穩(wěn)定性同時(shí)控制。

2.2 隧道拱頂巖層厚度影響

偏壓隧道拱頂不同埋深厚度對(duì)邊坡與隧道聯(lián)合地層穩(wěn)定性的影響，選取2車道隧道偏壓拱肩覆土5 m情況下計(jì)算隧道拱頂距離地表厚度5 m、10 m、15 m、20 m及25 m工況對(duì)比分析，各工況下隧道與邊坡相對(duì)位置關(guān)系如圖3所示。

單位：cm

1) 地層穩(wěn)定安全系數(shù)

采用有限元軟件計(jì)算不同埋深工況下的邊坡與隧道穩(wěn)定性安全系數(shù)，結(jié)果見表2。由表2可知，隨埋深厚度的增加，邊坡隧道地層安全系數(shù)逐漸減小。

表2 地層穩(wěn)定安全系數(shù)

2) 地層破壞模式

偏壓隧道拱頂不同埋深工況下，邊坡臨界失穩(wěn)狀態(tài)的巖土塑性區(qū)云圖如圖4所示。

由圖4(a)、(b)可知，當(dāng)偏壓隧道埋深較小時(shí)(工況6、工況7)，在隧道左側(cè)巖土體在理論破裂面方向形成塑性破壞區(qū)。在隧道右側(cè)，巖土體從隧道拱腳位置貫通到邊坡坡腳形成塑性破壞區(qū)，此種工況下邊坡與隧道聯(lián)合地層穩(wěn)定受隧道穩(wěn)定性及邊坡穩(wěn)定性的共同控制。

由圖4(c)～(e)可知，隨偏壓隧道埋深增大(工況8～工況10)，隧道左側(cè)巖土體在理論破裂面方向形成塑性破壞區(qū)，隧道右側(cè)巖土體從拱肩位置向邊坡坡面貫通形成塑性破壞區(qū)，此種工況下邊坡隧道地層穩(wěn)定性受隧道穩(wěn)定性控制。

(e) 工況10

2.3 隧道與邊坡初始塑性區(qū)位置影響

提取原狀邊坡臨界失穩(wěn)時(shí)巖土體塑性區(qū)云圖，并將不同工況下的隧道斷面位置疊加到相對(duì)應(yīng)的邊坡塑性區(qū)，如圖5所示。根據(jù)表1可知，邊坡隧道地層穩(wěn)定安全系數(shù)先減小后增加，說明在隧道與邊坡達(dá)到一個(gè)相對(duì)的位置關(guān)系安全系數(shù)最??；根據(jù)表2可知，隨埋深厚度增加，邊坡與隧道聯(lián)合地層安全系數(shù)逐漸減小。通過分析原狀邊坡極限臨界破壞巖土體塑性區(qū)，并對(duì)比其與隧道的相對(duì)位置關(guān)系得出：隧道位置處于原狀邊坡臨界失穩(wěn)塑性區(qū)位置時(shí)，邊坡隧道聯(lián)合地層的安全系數(shù)最小，隧道位置遠(yuǎn)離原狀邊坡臨界失穩(wěn)塑性區(qū)時(shí)，邊坡隧道聯(lián)合地層的安全系數(shù)增大。

(a) 工況1

(b) 工況2

(c) 工況3

(d) 工況4

(e) 工況5

(f) 工況6

(g) 工況7

(h) 工況8

(i) 工況9

(j) 工況10

3 結(jié)論

本文從偏壓隧道拱肩部的覆蓋層厚度及拱頂埋深采用拉剪強(qiáng)度折減法計(jì)算不同工況下隧道邊坡聯(lián)合地層的穩(wěn)定安全系數(shù)，分析隧道邊坡聯(lián)合地層臨界失穩(wěn)時(shí)的巖土塑性區(qū)得到影響邊坡隧道地層穩(wěn)定性的結(jié)論如下：

1) 當(dāng)隧道覆蓋層較小時(shí)，工況1、工況2及工況8～工況10對(duì)應(yīng)的邊坡隧道地層穩(wěn)定性取決于隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，應(yīng)加強(qiáng)隧道的支護(hù)強(qiáng)度；隨著隧道覆蓋層厚度的增大，工況3～工況7對(duì)應(yīng)邊坡隧道地層穩(wěn)定性受隧道和邊坡穩(wěn)定性共同控制。

2) 邊坡與隧道聯(lián)合地層穩(wěn)定安全系數(shù)隨著隧道拱肩巖土厚度增加，邊坡隧道地層安全系數(shù)先減小后增大；隨著隧道拱頂埋深厚度增加，邊坡隧道地層安全系數(shù)逐漸減小。

3) 當(dāng)隧道位置遠(yuǎn)離原狀邊坡潛在滑動(dòng)面時(shí)，邊坡隧道地層穩(wěn)定安全系數(shù)較大；隨著隧道位置臨近原狀邊坡潛在滑動(dòng)面時(shí)，邊坡隧道地層穩(wěn)定安全系數(shù)減小；隧道越臨近邊坡坡腳最大應(yīng)變區(qū)時(shí)，其整體穩(wěn)定安全系數(shù)最小。