暴雨對(duì)隧道仰坡穩(wěn)定性的影響研究

段緒彬,潘夏瑋,莫千南,潘旭晨,楊志鋼

(廣西路建工程集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530001)

0 引言

隧道洞口的施工是隧道得以安全貫通的關(guān)鍵,其直接影響整個(gè)工期的長(zhǎng)短及工程造價(jià)的多少,然而在實(shí)際施工過(guò)程中常會(huì)發(fā)生洞口段仰坡的失穩(wěn)破壞,進(jìn)而導(dǎo)致仰坡滑動(dòng)、坍塌等一系列工程問(wèn)題[1-3]。出現(xiàn)此類(lèi)工程問(wèn)題的原因多為洞口段地質(zhì)條件差、加固措施不合理及暴雨極端天氣等,隧道的進(jìn)洞會(huì)對(duì)仰坡產(chǎn)生擾動(dòng),導(dǎo)致其安全系數(shù)降低,在暴雨天氣下仰坡的安全系數(shù)進(jìn)一步降低,若采取的加固措施不合理,則會(huì)導(dǎo)致仰坡出現(xiàn)坍塌,造成經(jīng)濟(jì)損失及不良的社會(huì)影響[4-6]。關(guān)于仰坡的穩(wěn)定性,已有學(xué)者進(jìn)行了研究,張運(yùn)良[7]以太真隧道為工程背景,研究了隧道進(jìn)洞的仰坡破壞機(jī)理,并對(duì)隧道的二次進(jìn)洞進(jìn)行了相應(yīng)研究,給出了相應(yīng)的仰坡坍塌處理方法。邵珠山[8]以貴州一隧道為工程背景,研究了多種因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,這些因素包括坡角大小、隧道開(kāi)挖及降雨程度,并進(jìn)一步研究了采取不同加固措施下的邊坡穩(wěn)定性。此外還有不少學(xué)者研究了仰坡的穩(wěn)定性及相應(yīng)的治理措施[9-10],研究的結(jié)論雖可為類(lèi)似工程提供相應(yīng)參考,然而由于不同工程所對(duì)應(yīng)的地質(zhì)條件及氣候等存在差異,若僅依靠相似工況下的研究成果,可能無(wú)法避免由于多種因素造成的邊坡失穩(wěn),由此造成巨大的工程損失?；诖?本文以水口—崇左—愛(ài)店公路觀音山隧道為工程依托對(duì)仰坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究,通過(guò)Bishop法及數(shù)值模擬對(duì)仰坡多種工況下的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,進(jìn)一步分析暴雨條件下采取加固措施前后的仰坡穩(wěn)定性,為現(xiàn)場(chǎng)施工提供指導(dǎo),并以期為類(lèi)似工程提供一定參考。

1 工程概況

觀音山隧道位于寧明縣,受海洋季風(fēng)氣候影響,雨量較多,且在每年的6～8月夏季風(fēng)極盛,常受臺(tái)風(fēng)影響,多大雨、暴雨天氣。隧址區(qū)屬剝蝕-侵蝕低山地貌區(qū),山體陡峭且植被發(fā)育,擬建隧道軸線通過(guò)路段地面標(biāo)高為193～541 m,相對(duì)高差約348 m,地形坡度為15°～60°。

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪和鉆孔揭露,觀音山隧道區(qū)地層山坡表層存在0.5 m左右的黏土層。洞口段表層即為1 m左右的第四系殘坡積黏土層,下為強(qiáng)風(fēng)化砂巖泥巖互層,厚度25～30 m,在其下為中風(fēng)化砂巖泥巖互層。一方面隧道進(jìn)口段山體陡峭且地質(zhì)條件差,另一方面所處地區(qū)多大雨、暴雨天氣,為保證隧道在暴雨條件下隧道進(jìn)洞的安全性,有必要對(duì)仰坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

2 隧道洞口仰坡極限平衡分析

2.1 分析方法

極限平衡法的原理如圖1所示,其基本原理為對(duì)邊坡土體進(jìn)行一系列劃分,使其呈現(xiàn)為多個(gè)豎直條狀塊體,接著對(duì)每個(gè)塊體進(jìn)行靜力分析,得到一系列力的平衡方程及力矩的平衡方程,進(jìn)而得到相關(guān)的邊坡安全系數(shù)。目前在實(shí)際工程中用得較多的分析方法為瑞典法[11]、Bishop法[12]。

(a)二維滑動(dòng)土體圖

(b)單元土條圖

相較于瑞典條分法,Bishop法計(jì)入了條間水平力的影響,其得到的結(jié)果相較于瑞典條分法更為準(zhǔn)確,更能契合工程實(shí)際,因而應(yīng)用更為廣泛[13]。故而本文采用GEO.5軟件,基于Bishop法對(duì)隧道洞口仰坡進(jìn)行計(jì)算。

2.2 計(jì)算參數(shù)及工況

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果并參考相應(yīng)規(guī)范及類(lèi)似工程,得到各土層的力學(xué)參數(shù)如表1所示。因洞口段表層的黏土層厚度僅為1 m左右,為方便建模及計(jì)算,在該模型中不予考慮。

表1 觀音山隧道洞口仰坡巖土體參數(shù)表

采用GEO.5軟件并基于Bishop法分別計(jì)算天然狀態(tài)及暴雨?duì)顟B(tài)下觀音山隧道開(kāi)挖前后的邊坡安全系數(shù),根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2004)[14]中的相關(guān)規(guī)定,隧道仰坡安全系數(shù)正常工況下取為1.3,非正常工況下取為1.2。四種工況及其對(duì)應(yīng)的參數(shù)取值如表2所示。

表2 分析工況設(shè)計(jì)及參數(shù)選取表

對(duì)應(yīng)的模型尺寸如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型尺寸示意圖

2.3 結(jié)果分析

圖3～6為四種工況下的計(jì)算結(jié)果圖,圖中安全系數(shù)最小值對(duì)應(yīng)弧線為最危險(xiǎn)的潛在滑動(dòng)面。

圖3 工況1計(jì)算結(jié)果云圖

圖5 工況3計(jì)算結(jié)果云圖

圖6 工況4計(jì)算結(jié)果云圖

將4種工況的安全系數(shù)進(jìn)行匯總,如表3所示。

表3 觀音山隧道洞口仰坡安全系數(shù)極小值統(tǒng)計(jì)表

從表3可知:在未開(kāi)挖狀態(tài)下,暴雨的仰坡安全系數(shù)極小值較天然狀態(tài)降低34.9%;在未發(fā)生暴雨時(shí)隧道仰坡開(kāi)挖并施加錨桿后安全系數(shù)極小值較天然狀態(tài)降低56.6%,處于基本穩(wěn)定狀態(tài);在發(fā)生暴雨時(shí)隧道仰坡開(kāi)挖并施作錨桿后安全系數(shù)極小值較天然狀態(tài)降低72.9%,處于不穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見(jiàn),仰坡開(kāi)挖及暴雨條件對(duì)洞口仰坡穩(wěn)定性影響較大,盡管施加錨桿,暴雨?duì)顟B(tài)下開(kāi)挖后的仰坡仍然處于不穩(wěn)定狀態(tài),為實(shí)現(xiàn)安全進(jìn)洞,需要對(duì)仰坡進(jìn)行其他的加固措施。

3 隧道洞口仰坡有限元分析

為對(duì)Bishop法分析得到的仰坡穩(wěn)定性結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,采用數(shù)值模擬軟件Midas GTS/NX建立二維有限元模型,對(duì)開(kāi)挖后的仰坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

3.1 模型的建立

觀音山隧道洞口仰坡巖土體采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型,參數(shù)如表1所示,尺寸如圖2所示,計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖7,共劃分節(jié)點(diǎn)1 712個(gè)、單元1 681個(gè)。

圖7 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分示意圖

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得到自然狀態(tài)下仰坡開(kāi)挖后的水平及豎向位移云圖如圖8～9所示。由圖8可知水平位移主要分布在坡面,尤其在坡腳位置極為明顯,最大值約為12.4 cm,這是由于坡體開(kāi)挖后剩余坡體的坡面產(chǎn)生應(yīng)力重分布現(xiàn)象,導(dǎo)致坡面出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,進(jìn)而引發(fā)較大的位移;由圖9可知豎向位移主要發(fā)生于開(kāi)挖部位的地表,地表呈現(xiàn)明顯的隆起狀態(tài),最大值約為14.9 cm,這是因?yàn)槠麦w開(kāi)挖的卸載作用。將圖9與圖5進(jìn)行對(duì)比可知,Bishop法得到的最危險(xiǎn)潛在滑動(dòng)面的出口位置在開(kāi)挖后的坡腳附近土體隆起值較大的區(qū)域內(nèi),且出口位置基本處于隆起值最大處。

圖8 天然狀態(tài)下仰坡開(kāi)挖后的水平位移云圖

圖9 天然狀態(tài)下仰坡開(kāi)挖后的豎向位移云圖

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得到暴雨?duì)顟B(tài)下仰坡開(kāi)挖后的水平及豎向位移云圖如圖10～11所示。由圖10可知暴雨條件下坡面的水平位移發(fā)生很大變化,最大值高達(dá)10 m,可知該工況下已發(fā)生顯著滑動(dòng),另外由圖11可知仰坡坡體上方土體的豎向位移最大值約為4 m,已處于明顯失穩(wěn)狀態(tài)。

圖10 暴雨?duì)顟B(tài)下仰坡開(kāi)挖后的水平位移云圖

進(jìn)一步提取兩種工況下的安全系數(shù),并將其與Bishop法得到的安全系數(shù)對(duì)比,如表4所示。

由表4可知兩種分析方法得到的安全系數(shù)值相差不大,總體上有限元法得到的安全系數(shù)稍大于Bishop法。在天然狀態(tài)下仰坡開(kāi)挖后的坡體安全系數(shù)均在1.3左右,處于穩(wěn)定或基本穩(wěn)定狀態(tài),而在暴雨條件下,兩種計(jì)算方法得到的安全系數(shù)值分別為0.9及0.8,均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。由此可知,暴雨條件下,仰坡土體受雨水入滲的影響,導(dǎo)致其物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生較大改變,從而導(dǎo)致仰坡的安全系數(shù)大大降低,因而必須采取加固措施保證仰坡的穩(wěn)定性,使隧道得以安全進(jìn)洞。

4 加固分析

為保證暴雨?duì)顟B(tài)下仰坡的穩(wěn)定性,采取地表注漿的加固方式對(duì)強(qiáng)風(fēng)化砂巖泥巖互層進(jìn)行加固,建立的模型與圖7一致,區(qū)別在于強(qiáng)風(fēng)化砂巖泥巖互層的物理力學(xué)參數(shù)的變化,以此體現(xiàn)地表注漿的加固效果,地表注漿加固區(qū)及錨桿對(duì)應(yīng)參數(shù)如表5所示,錨桿長(zhǎng)度取3 m,前文中的錨桿參數(shù)與長(zhǎng)度與此處一致。

表5 注漿區(qū)及錨桿參數(shù)表

提取暴雨?duì)顟B(tài)下加固前后的安全系數(shù)如圖12～13所示,同時(shí)采用GEO.5軟件得到加固前后的安全系數(shù)極小值為1.53,將兩種計(jì)算方法下加固后暴雨?duì)顟B(tài)下的仰坡安全系數(shù)進(jìn)行對(duì)比,如表6所示。

圖12 暴雨?duì)顟B(tài)下加固前仰坡安全系數(shù)云圖

圖13 暴雨?duì)顟B(tài)下加固后仰坡安全系數(shù)云圖

表6 加固前后暴雨?duì)顟B(tài)下的仰坡安全系數(shù)對(duì)比表

由圖13～14及表6可知,地表注漿能顯著提升坡體在暴雨?duì)顟B(tài)下的安全系數(shù),其中通過(guò)有限元法計(jì)算得到的結(jié)果得到暴雨?duì)顟B(tài)下注漿后的安全系數(shù)較注漿前提升80.0%,而B(niǎo)ishop法對(duì)應(yīng)提升91.3%,且兩者計(jì)算得到的仰坡安全系數(shù)結(jié)果均>1.3,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見(jiàn),在采取錨桿支護(hù)并輔以地表注漿的方法能保證觀音山隧道洞口仰坡開(kāi)挖后的坡體穩(wěn)定性,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)安全進(jìn)洞的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)Bishop法計(jì)算得到仰坡未開(kāi)挖時(shí)天然狀態(tài)及暴雨?duì)顟B(tài)下的邊坡安全系數(shù)分別為2.95、1.92,仰坡開(kāi)挖后的天然狀態(tài)及暴雨?duì)顟B(tài)下的安全系數(shù)分別為1.28、0.80;在未開(kāi)挖狀態(tài)下,暴雨時(shí)的仰坡安全系數(shù)極小值較天然狀態(tài)降低34.9%;在未發(fā)生暴雨時(shí)隧道仰坡開(kāi)挖并施作錨桿后安全系數(shù)極小值較天然狀態(tài)降低56.6%,處于基本穩(wěn)定狀態(tài);在發(fā)生暴雨時(shí)隧道仰坡開(kāi)挖并施作錨桿后安全系數(shù)極小值較天然狀態(tài)降低72.9%,處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)數(shù)值模擬得到仰坡開(kāi)挖后天然狀態(tài)及暴雨?duì)顟B(tài)下安全系數(shù)分別為1.34、0.90,有限元法得到的安全系數(shù)稍大于Bishop法;Bishop法得到的最危險(xiǎn)潛在滑動(dòng)面的出口位置基本處于數(shù)值模擬結(jié)果隆起值最大處所在位置;暴雨條件下仰坡的安全系數(shù)大大降低,必須采取加固措施保證仰坡的穩(wěn)定性,使隧道得以安全進(jìn)洞。

(3)在采取地表注漿加固后,Bishop法及數(shù)值模擬得到的暴雨?duì)顟B(tài)下仰坡的安全系數(shù)分別提升至1.53、1.62,較未加固分別提升91.3%、80.0%,均大于安全值1.3,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見(jiàn),在采取錨桿支護(hù)并輔以地表注漿的方法能保證觀音山隧道洞口仰坡開(kāi)挖后的坡體穩(wěn)定性,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)安全進(jìn)洞的目的。