基于GeoStudio的海螺峪隧道邊坡穩(wěn)定性影響因素的分析

以海螺峪隧道為背景，通過對海螺峪地區(qū)巖性進(jìn)行分析，確定軟質(zhì)巖采用拱部環(huán)形開挖留核心土法，硬質(zhì)巖采用三臺階法。開挖后通過所得數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，根據(jù)所得參數(shù)導(dǎo)入GeoStudio軟件。根據(jù)對粘聚力和內(nèi)摩擦角的分析確定安全系數(shù)，來決定使用相應(yīng)的支護(hù)措施，從而解決海螺峪地區(qū)隧道的穩(wěn)定性問題。

拱部環(huán)形開挖留核心土法； 三臺階法； GeoStudio軟件； 支護(hù)措施

U451+.2A

工程結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)

［定稿日期］2023-05-09

［作者簡介］解則斌（1989—），男，本科，工程師，從事土木工程橋隧施工工作；蘇子龍（1990—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)閹r土工程。

0" 引言

這些年，在中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，國家在隧道、高速公路等建設(shè)方面投入了大量的資金與精力。隨著隧道建設(shè)要求的高質(zhì)量發(fā)展，對于隧道穩(wěn)定性以及安全的分析就變得尤為重要。

隧道是否穩(wěn)定關(guān)乎著施工人員的安全，以及通車后通行者的安全。如果穩(wěn)定性分析不足，則會產(chǎn)生隧道坍塌等嚴(yán)重的后果。對于隧道穩(wěn)定性的分析，專業(yè)人員也不斷地提出自己的看法和觀點(diǎn)。趙婷等［1］闡釋了以簡化 Bishop 法、Morgenstern－Price 法和通用條分法為代表的剛體極限平衡法和以有限元強(qiáng)度折減法為代表的數(shù)值計(jì)算方法等邊坡穩(wěn)定分析方法的基本原理、主要特點(diǎn)和功能優(yōu)勢。但有限元強(qiáng)度折減法方法還沒有統(tǒng)一的失穩(wěn)判據(jù)；推廣隨機(jī)方法和模糊方法相結(jié)合的方法受不確定性地質(zhì)因素影響較大。李麒麟等［2］以蘭州地區(qū)某黃土高填方邊坡為工程背景，提出對于高陡填方邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算可采取不同的方案，對于原邊坡的穩(wěn)定性分析可采用規(guī)范中的算法; 對于邊坡的支擋設(shè)計(jì)可根據(jù)邊坡的坡度、填方量和邊坡部位等因素劃分?jǐn)嗝娣謩e計(jì)算，該計(jì)算結(jié)果在保證安全的同時(shí)對支擋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及選取也具有較高的針對性。徐鵬等［3］采用解答更嚴(yán)密、求解更簡捷的極限分析法建立了含軟弱夾層邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算模型，并通過既有極限平衡法驗(yàn)證了此方法的準(zhǔn)確性。

本文基于Geostudio這個(gè)地質(zhì)環(huán)境模擬計(jì)算的仿真軟件來分析海螺峪隧道的邊坡穩(wěn)定性。通過Geostudio軟件強(qiáng)大的功能從而達(dá)到更精準(zhǔn)的建模效果，更準(zhǔn)確的對和海螺峪隧道的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1" 工程概況

1.1" 地形地貌條件

海螺峪隧道位于山東省濟(jì)南市歷城區(qū)錦繡川鎮(zhèn)，主要通過的村落為海螺峪村。隧道現(xiàn)場地形起伏較大，地面高度60～670 m，相對高差410 m，左右線進(jìn)口自然坡角約26.5°，左右線出口自然坡角約10.8°。隧道附近植被較為發(fā)育，主要有核桃樹、柿子樹、雜樹、雜草等。

1.2" 地層巖性

海螺峪隧道地層巖性簡單，上覆全風(fēng)化花崗巖，局部覆有粉質(zhì)黏土，下伏花崗、巖石灰?guī)r及頁巖。

1.3" 場地巖土工程地質(zhì)條件

工程區(qū)區(qū)域主體為較為簡單的地質(zhì)構(gòu)造，區(qū)域穩(wěn)定性較好，地質(zhì)構(gòu)造比較穩(wěn)定。

1.4" 水文地質(zhì)條件

隧址有少量的巖溶潛水和中山間溝壑由于大氣降水匯集而成的臨時(shí)性水和小徑常流水。洞址區(qū)地下水主要為巖溶裂隙水。

1.5" 不良地質(zhì)現(xiàn)象

海螺峪隧道左線進(jìn)口為淺埋段，存在嚴(yán)重偏壓，土體邊坡穩(wěn)定性會在開挖后受到較大的影響。巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，常成為地下水的匯集通道。隧道為節(jié)理裂隙極多的風(fēng)化砂巖、石灰?guī)r地區(qū)隧道，有發(fā)生涌突水的地層特征，施工過程中可能會發(fā)生涌突水現(xiàn)象。

2" 穩(wěn)定性分析方法的確定

本文中采用GeoStudio軟件來對海螺峪隧道進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性的分析。GeoStudio軟件是一套專業(yè)、高效而且功能強(qiáng)大的適用于地質(zhì)工程和地質(zhì)環(huán)境模擬計(jì)算的仿真軟件。在隧道開挖的過程中，考慮海螺峪的巖質(zhì)條件，以Ⅳ級和Ⅴ級圍巖為主體，考慮Ⅳ級和Ⅴ圍巖的巖性確定軟質(zhì)巖采用拱部環(huán)形開挖留核心土法，硬質(zhì)巖采用三臺階法。公路隧道建筑限界的規(guī)定來確定隧道的尺寸。通過內(nèi)力計(jì)算公式對圍巖進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，獲得均布壓力、最大抗力等參數(shù)，通過GeoStudio中的slope/w軟件對海螺峪隧道進(jìn)行邊坡的穩(wěn)定性分析。

3" 邊坡穩(wěn)定性的分析

隧道的進(jìn)口處設(shè)置在半山坡上的部位，左右兩條線路間的相距36.5 m。其中山坡的自然斜度約為26.5°，坡面的斜度約326°。隧道出入口端的仰坡巖土體由全高強(qiáng)風(fēng)化的花崗巖組成，石質(zhì)地貌呈沙礫土狀的原巖結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和礦物質(zhì)成分已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化，松散，自穩(wěn)定性較弱;加之這一部分的節(jié)理方式與坡向同向，在施工時(shí)開挖容易產(chǎn)生深層工程的滑塌或倒斜等現(xiàn)象。

3.1" 邊坡模型建立

由于本章是對于海螺峪隧道邊坡穩(wěn)定性影響因素的分析，考慮主要因素有：粘聚力c，內(nèi)摩擦角φ。首先建立參考于海螺峪隧道的邊坡模型，具體模型見圖1。

3.2" 粘聚力c的研究

首先取四組土體，在保證其他物理力學(xué)指標(biāo)相等的情況下，改變其粘聚力c。將不同的參數(shù)代入起初建立的邊坡模型中，經(jīng)軟件求解后見圖2。將這4組安全系數(shù)統(tǒng)一歸納后，各組的數(shù)值見表1。

工程結(jié)構(gòu)解則斌， 蘇子龍： 基于GeoStudio的海螺峪隧道邊坡穩(wěn)定性影響因素的分析

從表1可看出，在其他物理力學(xué)指標(biāo)不變的情況下，隨著粘聚力c的增加，安全系數(shù)也隨著增大，說明安全系數(shù)與粘聚力呈正比關(guān)系。

3.3" 內(nèi)摩擦角φ的研究

同樣的參照上面對于粘聚力的研究，取4組土體，在其他參數(shù)不變的情況下，改變內(nèi)摩擦角φ，代入起初建立的邊坡模型中，經(jīng)軟件求解后，得出不同的安全系數(shù)，軟件求解見圖3。將4組安全系數(shù)統(tǒng)一歸納后，各組的數(shù)值見表2。

從表2可看出，在其他物理力學(xué)指標(biāo)不變的情況下，隨著內(nèi)摩擦角φ的增加，安全系數(shù)也隨著增大，說明安全系數(shù)與內(nèi)摩擦角呈正比關(guān)系。

綜上所述，邊坡的安全系數(shù)與土體的物理力學(xué)指標(biāo)關(guān)系密切，粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ對于邊坡的穩(wěn)定均呈正相關(guān)。

海螺峪隧道洞口處邊坡在自然條件下自穩(wěn)性較良好，但由于隧道的開挖，其本身的巖體必然會滑落，故需要對其進(jìn)行相應(yīng)的支護(hù)。

4" 支護(hù)措施

4.1" 超前錨桿設(shè)計(jì)

開挖前，在開挖面拱部一定范圍內(nèi)，沿隧道斷面周邊打入一排縱向錨桿（或小鋼管）進(jìn)入底層。通過錨桿對圍巖的加固作用，在工作面前方形成圍巖加固棚，在棚的保護(hù)下進(jìn)行開挖。一個(gè)進(jìn)尺開挖后，打入一排縱向錨桿，然后進(jìn)行開挖，前后推進(jìn)，如圖4所示，拱頂1-1斷面如圖5所示。

斷面超前錨桿主要作用在砂土地層、膨脹性地層、裂隙巖體和斷層破碎帶。設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

4.2" 截水溝施工

截水溝根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置在洞口仰坡和地面交接線5 m以外；溝渠采用人工配合機(jī)械開挖，基底夯實(shí)整平，最后進(jìn)行C25混凝土澆筑施工。在截水溝處 ，每隔10 m設(shè)一道伸縮縫，伸縮縫用瀝青麻條填塞。截水溝出口附近鋪設(shè)漿砌片石，防止沖刷。截水溝斷面尺寸見圖6。

4.3" 三維土工網(wǎng)墊植草防護(hù)施工

三維土工網(wǎng)墊植草護(hù)坡施工流程為：平整坡面—鋪網(wǎng)—覆土—播種—前期養(yǎng)護(hù)。施工時(shí)按網(wǎng)寬方向與路線方向一致布置，并用U型釘固定于坡面上，U型釘水平間距1.30 m，順坡間距1.0 m，相鄰兩幅土工格網(wǎng)搭接處必須用U型釘連接固定。布置時(shí)相鄰兩土工網(wǎng)之間應(yīng)重疊0.75 m，并向上鋪過開挖線頂部＞1.0 m。土工網(wǎng)鋪好后開始進(jìn)行草皮平鋪。

平地草皮對邊坡的防護(hù)效果與草地相同，但相比之下效果更佳，可用于高陡邊坡。為了防止地表水侵蝕造成的溝壑泥石流，在植草成活率低、附近草皮來源容易的情況下，可采用平整的草皮進(jìn)行防護(hù)。鋪草皮前，應(yīng)將坡面開挖平整并澆水。草皮應(yīng)澆水養(yǎng)護(hù)，直至成活。草皮可以從坡腳釘起，也可以從上到下釘起。護(hù)坡頂部和兩端的草皮應(yīng)埋入邊坡內(nèi)，護(hù)坡邊緣與邊坡的連接處應(yīng)平整，以防草皮與邊坡之間的縫隙堵水和雨水滲入，造成草皮滑落。

5" 總結(jié)

本文是以海螺峪隧道為研究對象，通過本地區(qū)圍巖的分級來確定軟質(zhì)巖采用拱部環(huán)形開挖留核心土法，硬質(zhì)巖采用三臺階法。根據(jù)內(nèi)力計(jì)算所得數(shù)據(jù)帶入GeoStudio軟件中，通過對粘聚力c、內(nèi)摩擦角的研究通過軟件的功能得出土體的安全系數(shù)，所得結(jié)論：

（1）在其他物理力學(xué)指標(biāo)不變的情況下，隨著粘聚力c的增加，安全系數(shù)也隨著增大，說明安全系數(shù)與粘聚力呈正比關(guān)系。

（2）在其他物理力學(xué)指標(biāo)不變的情況下，隨著內(nèi)摩擦角φ的增加，安全系數(shù)也隨著增大，說明安全系數(shù)與內(nèi)摩擦角呈正比關(guān)系。

根據(jù)所得結(jié)論來確定海螺峪地區(qū)的支護(hù)措施包括超前錨桿設(shè)計(jì)、截水溝施工、三維土工網(wǎng)墊植草防護(hù)施工，從而解決海螺峪隧道穩(wěn)定性問題。

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