不同工況下高原特長(zhǎng)隧道洞口邊坡穩(wěn)定性分析

張耀陽(yáng)ZHANG Yao-yang；陳澤盟CHEN Ze-meng

（中交二公局第四工程有限公司，洛陽(yáng) 471013）

0 引言

高原凍土地區(qū)隧道在施工中，難免會(huì)遇到各種復(fù)雜的施工問(wèn)題如圍巖偏壓、軟弱圍巖等復(fù)雜地質(zhì)條件，如不能有效處理這些地質(zhì)問(wèn)題會(huì)對(duì)后期隧道的開挖和使用留下安全隱患[1]。隧道洞口邊坡施工常常遇到不良地質(zhì)構(gòu)造需要對(duì)隧道洞口做針對(duì)性施工優(yōu)化，同時(shí)根據(jù)洞口周圍山體走勢(shì)，圍巖特性需要具體進(jìn)行邊坡防護(hù)及加固等施工措施[2]。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要以摩爾-庫(kù)倫理論為準(zhǔn)則建立有限元模型模擬隧道圍巖力學(xué)特性、邊坡穩(wěn)定性等問(wèn)題[3-4]。李偉瀚等[5]提出以摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則在低應(yīng)力狀態(tài)和以拉伸為主要破壞形式的工況。李偉利[6]等提出以Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的Hoek-Brown 屈服準(zhǔn)則，結(jié)果表明，低應(yīng)力狀態(tài)下適應(yīng)性較好。陳世剛[7]等采用有限元強(qiáng)度折減法, 對(duì)武黃城際鐵路談山隧道進(jìn)口高邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。許紹輝[8]等以南平楊真隧道工程為例，運(yùn)用Midas 有限元軟件，模擬分析了隧道開挖對(duì)鄰近高邊坡穩(wěn)定性、邊坡變形以及滑坡的影響，結(jié)果表明：該隧道工程施工前后臨近高邊坡的整體穩(wěn)定性、應(yīng)力場(chǎng)、水平位移變化均較小，邊坡圍巖屈服區(qū)未發(fā)生明顯變化。由上可知，對(duì)不同工況下高原地區(qū)特長(zhǎng)隧道洞口邊坡穩(wěn)定性的研究還相對(duì)較少。因此，有必要對(duì)高原地區(qū)特長(zhǎng)隧道洞口段邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究。本文以西藏圭嘎拉特長(zhǎng)隧道進(jìn)洞口YK14+408-YK14+458 樁點(diǎn)邊坡防護(hù)治理工程為依托，對(duì)三種工況下隧道邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

1 模型建立與材料選取

1.1 有限元模型

以洞口段YK14+408-YK14+458 為例，運(yùn)用有限元分析軟件建立圭嘎拉隧道進(jìn)洞口左線三種工況力學(xué)實(shí)體模型，在建模分析時(shí)，計(jì)算模型邊界建立至對(duì)隧道開挖影響最小的地方。根據(jù)洞口圍巖特性和部分邊界影響，X 軸方向取120m，Z 軸隧道洞口向下取40m，洞頂向上取到地表40m，Y 軸向開挖縱深方向取50m，邊坡坡長(zhǎng)為50m。由整體結(jié)構(gòu)中選取力學(xué)模型，其上下、左右四個(gè)面均為非自由面，施加位移約束。根據(jù)圭嘎拉隧道項(xiàng)目地質(zhì)勘察報(bào)告得到每年10 月1 日至第二年2 月28 日共計(jì)150 天溫度變化曲線并設(shè)置溫度變化函數(shù)，模擬凍融循環(huán)。具體模型材料如表1 所示。

表1 圭嘎拉隧道左線實(shí)體模型材料表

1.2 材料參數(shù)選取

根據(jù)圭嘎拉隧道地質(zhì)勘察報(bào)告，并參考《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》[9]，得出巖土和構(gòu)件的數(shù)值模型參數(shù)，見表2。

2 塑性區(qū)與應(yīng)力結(jié)果分析

2.1 邊坡塑性區(qū)結(jié)果分析

圖1給出了不同工況下邊坡塑性區(qū)分布云圖。對(duì)比圖1（a）和圖1（b）可以看出，邊坡塑性區(qū)主要分布在邊坡上層變截面處、左線進(jìn)洞口處。通過(guò)模擬土層在經(jīng)歷150 天凍融循環(huán)模擬后發(fā)現(xiàn)，塑性區(qū)分布明顯增加，并且在邊坡坡腳處塑性范圍明顯增大，在隧道左洞口上部圍巖區(qū)也產(chǎn)生較大塑性區(qū)。對(duì)比圖1（a）和圖1（b）的塑性值可以看出，經(jīng)歷凍融循環(huán)后洞口邊坡塑性值從2.77×10-6增加至2.24×10-5，增大了7 倍，表明隧道邊坡隨時(shí)可能產(chǎn)生土層滑坡。對(duì)比圖1（a）和圖1（c）可以看出，在增加如錨桿、噴混、鋼筋網(wǎng)等邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)后塑性值從2.77×10-6增加至3.68×10-5，增大32.85%。

2.2 邊坡應(yīng)力

圖2給出了不同工況下邊坡豎向應(yīng)力云圖。從圖2中可以看出三種工況均產(chǎn)生土體膨脹現(xiàn)象，容易引起邊坡結(jié)構(gòu)面開裂，產(chǎn)生斷層等病害。延邊坡坡向向下應(yīng)力值均為負(fù)值，工況2 豎向應(yīng)力值為-112.38kN/m2、工況3為-109.64kN/m2，相比凍融循環(huán)前邊坡坡頂土層應(yīng)力值為-95.56kN/m2分別增加了17.60%和14.73%，證明工況3 在進(jìn)行針對(duì)性邊坡防護(hù)措施后有效降低了土層凍融循環(huán)的影響。

圖2 不同工況的邊坡豎向應(yīng)力分布云圖

2.3 邊坡防護(hù)措施應(yīng)力狀態(tài)

圖3給出了不同工況下邊坡噴混最大主應(yīng)力云圖。由圖3 中可以看出，邊坡主應(yīng)力主要集中在坡腳至隧道左線洞口變截面處，并在變截面出產(chǎn)生較大應(yīng)力變化。對(duì)比圖3（a）與圖3（b）可以看出，經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后邊坡的最大主應(yīng)力值從747.91kN/m2增加至1239.55kN/m2，增加了65.74%。對(duì)比圖3（a）和圖3（c）可以看出，在經(jīng)歷凍融循環(huán)后最大主應(yīng)力僅增加190.42kN/m2，增加了25.46%，最大主應(yīng)力變化量有效降低，同時(shí)應(yīng)力分布范圍縮小。

圖3 不同工況的噴混最大主應(yīng)力云圖

3 位移結(jié)果分析

根據(jù)邊坡土層與噴混內(nèi)力變化比較分析，在實(shí)際施工中會(huì)在邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生可以觀測(cè)的變形位移，對(duì)這些實(shí)際變形位移量進(jìn)行分析比較，更能直觀感受土層凍融對(duì)邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)層的影響。在進(jìn)行隧道邊坡施工時(shí)，分別在邊坡坡腳、坡頂及邊坡坡線中點(diǎn)平均布置3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)樁號(hào)分別為YK14+358、YK14+383、YK14+408。

3.1 邊坡豎向沉降結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算三種工況下隧道洞口邊坡豎向位移沉降，如表3 所示。對(duì)比表3 中工況2 相比工況1 邊坡沉降值，工況2 的豎向坡頂沉降值最大增加34.96%、中點(diǎn)處最大增加39.14%、坡腳處最大增加48.55%。對(duì)比工況3 與工況1邊坡沉降值可以看出，工況3 的坡頂豎向沉降值最大增加13.12%、中點(diǎn)處最大增加17.41%、坡腳處最大增加25.58%。根據(jù)對(duì)比可以看出工況3 在增加自進(jìn)式錨桿、鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)并噴射C25 水下防凍混凝土后，有效降低土層凍融循環(huán)對(duì)邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)層的影響，進(jìn)一步增加邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高隧道洞口段施工與行車安全性。

表3 邊坡豎向沉降

3.2 邊坡水平位移結(jié)果分析

隧道邊坡水平位移計(jì)算結(jié)果如表4 所示。對(duì)比工況2和工況1 位移值可以看出，坡頂位移最大增加223.74%、中點(diǎn)位移最大增加23.30%、坡腳位移最大增加16.90%。對(duì)比工況3 與工況1 的水平位移值可以看出，坡頂最大增加76.71%、中點(diǎn)最大增加6.01%、坡腳最大增加5.24%。

表4 邊坡水平位移

4 結(jié)論

①工況3 相比工況2 邊坡塑性區(qū)分布范圍降低；相比工況1 塑性值僅增大32.85%、水平應(yīng)力增加18.82%，僅有少量增加，抵抗凍土病害影響效果顯著。

②根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，邊坡噴混最大主應(yīng)力工況3相比工況1 增加25.46%，最大主應(yīng)力變化量有效降低，應(yīng)力分布范圍縮小，提升了隧道洞口安全性。

③工況3 在土層經(jīng)歷凍融循環(huán)后邊坡從坡頂至坡腳水平位移增加76.71%-5.24%，這表明在坡頂處的水平位移仍然處于風(fēng)險(xiǎn)范圍之內(nèi)，在施工時(shí)需做針對(duì)性防護(hù)加固措施，以降低坡頂側(cè)向坍塌風(fēng)險(xiǎn)。