側(cè)方隧道開挖對公路路塹高邊坡穩(wěn)定性的影響

■王晨韜 夏立翔 李軍紅

（新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，烏魯木齊 830006）

山區(qū)公路隧道的進(jìn)出口一般處于淺埋偏壓區(qū)域，在隧道施工開挖過程中相鄰邊坡時(shí)常發(fā)生局部掉塊、塌方等危險(xiǎn)，因此如何控制臨近邊坡的穩(wěn)定性尤為重要[1-4]。 近年來，國內(nèi)學(xué)者對此進(jìn)行了一些研究，如劉春波[5]結(jié)合實(shí)際實(shí)例開展隧道開挖對邊坡穩(wěn)定性影響研究，采用有限元數(shù)值法分析開挖不同深度對邊坡穩(wěn)定性的影響；劉志偉[6]利用有限元分析法建立邊坡隧道平面應(yīng)變模型，對隧道不同開挖位置對邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行解剖分析；陳思陽等[7]以邊坡穩(wěn)定性為計(jì)算核心，將抗拉、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)引入強(qiáng)度折減法中，設(shè)計(jì)短臺(tái)階、CD 與CRD 等3 種施工方法3D 仿真模型，分析其中對邊坡穩(wěn)定性影響程度。 本研究以某公路隧道特征斷面為研究背景，通過采用MIDAS GTS NX 有限元軟件建立隧道-邊坡模型，研究了隧道采用CD 法開挖對隧道-邊坡有效塑性應(yīng)變、 位移變形與安全系數(shù)的影響規(guī)律，旨在為同類工程的設(shè)計(jì)與施工提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

該邊坡及隧道所處區(qū)域位于丘陵地帶，隧道開挖范圍位于巖性較差的全風(fēng)化巖土層，需進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，據(jù)工程地勘資料判定區(qū)域圍巖分級(jí)為IV～V級(jí)。 其中邊坡高度為31.5 m，最大坡度約為60 ，上覆圍巖巖性為全風(fēng)化花崗巖，中間層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，基巖層為弱風(fēng)化花崗巖，預(yù)測滑動(dòng)區(qū)位于全風(fēng)化花崗巖區(qū)域。 地下水主要分為孔隙潛水、基巖裂隙水，地下水主要來源為自然降雨，區(qū)域最大自然降雨強(qiáng)度為50 mm/h， 設(shè)置有效防排水措施減小地下水、地表水等因素對隧道與邊坡施工整體穩(wěn)定性的影響。 隧道采用CD 法分階段進(jìn)行開挖并及時(shí)支護(hù)，有效保證施工順利進(jìn)行。

2 仿真模型與計(jì)算參數(shù)

根據(jù)圣維南影響范圍相關(guān)規(guī)定，利用有限元軟件設(shè)置了2D 隧道-邊坡系統(tǒng)模型[8]，構(gòu)建了隧道-邊坡邊界尺寸（圖1）。 左右與下邊界采用法向位移限制，頂面為無約束邊界（free），巖土體（實(shí)體單元）、初期支護(hù)（板單元）、錨桿（桁架單元）等材料分別采用MC、彈性、彈性等本構(gòu)模型，隧道-邊坡數(shù)值模型材料參數(shù)取值見表1。路塹邊坡設(shè)置6 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，對隧道分階段開挖工況下的邊坡穩(wěn)定性指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，整理分析對應(yīng)模擬數(shù)據(jù)對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表1 公路隧道-邊坡相關(guān)材料參數(shù)取值

圖1 隧道-邊坡網(wǎng)格劃分、邊界尺寸與測點(diǎn)設(shè)置

3 隧道開挖對邊坡穩(wěn)定性的影響

邊坡失穩(wěn)破壞的判定依據(jù)主要由模擬計(jì)算迭代不收斂、特征位移及應(yīng)變發(fā)生突變、塑性區(qū)貫通組成[9]。 常采用強(qiáng)度折減法（SRM）對邊坡安全系數(shù)（FOS）進(jìn)行求解，借助安全系數(shù)對邊坡是否發(fā)生失穩(wěn)進(jìn)行判別。 邊坡穩(wěn)定性相關(guān)指標(biāo)會(huì)于隧道開挖前后會(huì)發(fā)生顯著變化，本研究通過分析隧道分階段開挖工況下的邊坡有效塑性應(yīng)變、位移變形與安全系數(shù)等變化規(guī)律，借助邊坡穩(wěn)定判據(jù)對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 隧道-邊坡有效塑性應(yīng)變分析

除圍巖材料本身發(fā)生破壞外，塑性區(qū)貫通是邊坡發(fā)生滑坡塌方災(zāi)害的主要原因，塑性區(qū)也叫塑性應(yīng)變，是應(yīng)變（彈性、塑性應(yīng)變）的一種類型，其中有效塑性應(yīng)變是指永久應(yīng)變（未恢復(fù)應(yīng)變），因此為保障隧道施工安全與邊坡穩(wěn)定性，有必要對隧道開挖進(jìn)程中的隧道-邊坡有效塑性應(yīng)變分布規(guī)律進(jìn)行分析。 由圖2 可知，有效塑性應(yīng)變于初始～I(xiàn)～I(xiàn)I～I(xiàn)II～I(xiàn)V等階段發(fā)生重新分布。（1）隧道未開挖前。塑性應(yīng)變峰值位于測點(diǎn)3（邊坡危險(xiǎn)點(diǎn)），其數(shù)值為4.0×10-3，邊坡滑動(dòng)面主要位于測點(diǎn)1 與測點(diǎn)4 之間，邊坡下半部分塑性應(yīng)變較小可評(píng)價(jià)為穩(wěn)定狀態(tài)，隧道未開挖前應(yīng)對上部邊坡進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)，增加其在隧道施工進(jìn)程中的穩(wěn)定性，確保隧道施工穩(wěn)定與邊坡安全性。 （2）隧道開挖I 階段。 塑性應(yīng)變峰值發(fā)生轉(zhuǎn)移，其部位變?yōu)樗淼拦绊敚鋽?shù)值達(dá)75.2×10-3，邊坡測點(diǎn)3（邊坡危險(xiǎn)點(diǎn)）塑性應(yīng)變值由初始4.0×10-3減小至1.1×10-3， 其余各測點(diǎn)塑性應(yīng)變均有所減小，原因?yàn)樗淼篱_挖形成臨空面，巖土體向深部收斂導(dǎo)致向外部滑移程度減弱，因此邊坡塑性應(yīng)變呈現(xiàn)減小趨勢；開挖II～I(xiàn)V 階段，塑性應(yīng)變峰值所處部位由底部變?yōu)楣绊?，峰值?5.5×10-3變至67.8×10-3，再變化為94.2×10-3，測點(diǎn)3（邊坡危險(xiǎn)點(diǎn)）塑性應(yīng)變變化過程為：1.1×10-3～0.2×10-3～0.4×10-3～1.6×10-3。 （3）就隧道-邊坡整體塑性應(yīng)變而言，隨著隧道施工的進(jìn)行，測點(diǎn)3（邊坡危險(xiǎn)點(diǎn)）塑性應(yīng)變值呈現(xiàn)先減小再增大趨勢，整體塑性應(yīng)變峰值經(jīng)歷增大、減小再增大的變化過程，從應(yīng)變突變判據(jù)分析得出：隧道危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)位于開挖I 階段，隧道頂部應(yīng)變突變量較大；測點(diǎn)3（邊坡危險(xiǎn)點(diǎn)）應(yīng)變突變現(xiàn)象發(fā)生于III～I(xiàn)V 階段，所以應(yīng)于隧道開挖I、III、IV 階段加強(qiáng)隧道-邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)。

圖2 開挖過程中的隧道-邊坡有效塑性應(yīng)變分布

3.2 隧道-邊坡位移變形分析

無論隧道或邊坡，位移是最直觀反映結(jié)構(gòu)物受力特征的指標(biāo)。 隧道挖掘過程中，時(shí)常由于支護(hù)時(shí)機(jī)與強(qiáng)度偏差導(dǎo)致上部巖土體出現(xiàn)較大變形，嚴(yán)重威脅地表結(jié)構(gòu)物安全穩(wěn)定性，為清楚了解隧道開挖對地表邊坡穩(wěn)定性的影響，就隧道開挖工況下的邊坡地表沉降、水平位移進(jìn)行分析，圖3 為隧道-邊坡位移分布云圖（僅列出開挖I 與IV 階段），圖4 為隧道開挖過程中對應(yīng)測點(diǎn)的位移變化規(guī)律。 隨著隧道開挖變形累積，邊坡位移也發(fā)生顯著變化，說明隧道-邊坡模型整體協(xié)調(diào)變形，兩者為相互制約、相互影響的關(guān)系， 通過分析相關(guān)數(shù)據(jù)得出下列結(jié)論：（1）由圖3 可知，開挖I 階段隧道-邊坡的沉降、鼓起、水平收斂峰值分別為5.5、0.16 與2.8 mm，說明開挖I 階段隧道位移量排序?yàn)槌两担舅绞諗浚竟钠穑?隨隧道逐步開挖，3 種特征位移峰值的部位、大小均發(fā)生改變，開挖完成后的沉降、鼓起與水平收斂峰值分別為59.1、3.1 與33.1 mm。 從隧道位移角度分析得出：受偏壓影響，左半模型位移變化大于右半，特征位移以沉降、水平收斂為主。 以特征位移指標(biāo)評(píng)價(jià)隧道穩(wěn)定性，豎向位移超過28 mm 評(píng)價(jià)為不穩(wěn)定， 研究表明隧道于開挖III 階段已處于不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)盡快封閉成環(huán)與加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)，以防隧道-邊坡整體失穩(wěn)。（2）由圖4 可知，隧道-邊坡水平位移峰值、最低值分別位于測點(diǎn)3、測點(diǎn)6，各測點(diǎn)水平位移均隨開挖進(jìn)行呈現(xiàn)逐步增加趨勢，變化速率由快到慢排序?yàn)椋簻y點(diǎn)3＞測點(diǎn)2＞測點(diǎn)4＞測點(diǎn)1＞測點(diǎn)5＞測點(diǎn)6， 水平位移突變發(fā)生于II～I(xiàn)II 階段區(qū)間， 故從位移突變判據(jù)分析出隧道III 階段開挖可能導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)；邊坡沉降值大于水平位移，測點(diǎn)1表現(xiàn)為沉降位移峰值且數(shù)值高達(dá)4.8 mm，從沉降位移規(guī)律可看出僅測點(diǎn)1 于開挖III 階段發(fā)生突變，突變量約為0.5 mm， 其余測點(diǎn)位移變化不顯著，結(jié)合水平位移、 沉降位移綜合確定隧道開挖III 階段為危險(xiǎn)階段，邊坡危險(xiǎn)點(diǎn)為測點(diǎn)1。

圖3 開挖過程中隧道-邊坡位移分布云圖

圖4 開挖過程中邊坡測點(diǎn)位移變化規(guī)律

3.3 隧道-邊坡安全系數(shù)分析

GTS NX 有限軟件內(nèi)置SRM 求解器，可運(yùn)用強(qiáng)度折減法求解邊坡各階段安全系數(shù)，隨著隧道開挖逐步進(jìn)行，深部巖土體逐漸缺失，邊坡穩(wěn)定性受隧道開挖擾動(dòng)呈現(xiàn)逐步下降趨勢，因此求解不同隧道開挖階段工況下的邊坡安全系數(shù)，借此評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性是可行的，隧道未開挖前、開挖完成后的邊坡安全系數(shù)分別為1.78 與1.23，邊坡安全系數(shù)規(guī)范臨界值[11]見表2，公路等級(jí)為I 級(jí)，為確保隧道-邊坡整體穩(wěn)定性，安全系數(shù)應(yīng)取較大值，其邊坡安全系數(shù)變化過程見圖5。

表2 路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

圖5 開挖過程中邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律

由圖5 可知，邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律可得出以下結(jié)論：（1）隧道未開挖前，邊坡處于安全穩(wěn)定狀態(tài)且安全系數(shù)有明顯富余，隧道各階段開挖后的邊坡安全系數(shù)均發(fā)生突變， 由初始1.78 逐步下降至1.60、1.43、1.30 與1.23，下降速率逐步減小，說明隧道開挖對邊坡穩(wěn)定性有著非常明顯影響，鑒于此在類似隧道工程施工中，應(yīng)注意附近路塹邊坡是否存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，必要時(shí)采取措施進(jìn)行加固，防止人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。 （2）邊坡安全系數(shù)隨著隧道逐步開挖呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，開挖III 階段的邊坡安全系數(shù)已達(dá)臨界值，說明若不采取措施進(jìn)行支護(hù)加固，在進(jìn)行第IV 階段開挖時(shí)， 邊坡失穩(wěn)并有可能產(chǎn)生塌方滑坡事故；開挖完成后的邊坡穩(wěn)定性為1.23，已低于規(guī)范規(guī)定臨界值，此刻從邊坡安全系數(shù)角度分析出隧道-邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)加強(qiáng)隧道開挖III 階段支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免邊坡安全系數(shù)過低。

4 結(jié)論

以某公路隧道進(jìn)口斷面為背景，研究了隧道開挖過程中隧道-邊坡的有效塑性應(yīng)變、位移變形、安全系數(shù)等變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：（1）從隧道-邊坡有效塑性應(yīng)變層面分析。邊坡危險(xiǎn)點(diǎn)為測點(diǎn)3，滑動(dòng)區(qū)位于測點(diǎn)1 與測點(diǎn)4 間；隨著隧道逐步開挖形成臨空面，使得邊坡有效塑性應(yīng)變呈現(xiàn)逐漸減小趨勢，塑性應(yīng)變峰值大小、部位均發(fā)生變化，從應(yīng)變突變判據(jù)分析出：隧道施工危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)在第I 階段的拱頂處，邊坡危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)變突變發(fā)生于III-IV 階段，應(yīng)于隧道開挖I、III、IV 階段加強(qiáng)隧道-邊坡聯(lián)合防護(hù)。（2）開挖I 階段的隧道特征位移量排序?yàn)椋撼两担舅绞諗浚竟钠?，從極限位移判據(jù)角度分析出隧道開挖III 階段已處于不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)盡快封閉成環(huán)、加強(qiáng)支護(hù)；邊坡水平位移隨隧道逐步開挖呈現(xiàn)增加趨勢，各測點(diǎn)變化速率存在差異，水平位移突變發(fā)生于II、III 階段，從水平位移突變判據(jù)分析出隧道開挖III 階段工況的邊坡可能失穩(wěn)，邊坡局部沉降位移于隧道開挖III 階段發(fā)生突變，結(jié)合整體位移分析得出隧道開挖危險(xiǎn)階段為III 階段，邊坡危險(xiǎn)點(diǎn)為測點(diǎn)1。 （3）隧道各階段開挖完成后，邊坡安全系數(shù)發(fā)生降低且下降速率逐步減小，隧道開挖至第III階段的邊坡安全系數(shù)已達(dá)臨界值，IV 階段開挖完成后的邊坡已失穩(wěn)，因此在隧道開挖過程中，應(yīng)注意相鄰高邊坡是否存在失去穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)，必要時(shí)應(yīng)采取措施進(jìn)行防護(hù)，保證隧道-邊坡整體穩(wěn)定性。