暴雨條件下淺埋偏壓隧道開挖對相鄰邊坡的影響分析

中圖分類號：U455.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.050

文章編號：1673-4874（2025）01-0170-04

0 引言

土建工程中對降雨入滲效應(yīng)的研究仍集中于邊坡穩(wěn)定性，由于大部分隧道處于深埋條件，降雨入滲僅影響地表附近巖土體，并未對施工或使用階段的深埋隧道穩(wěn)定性造成明顯影響1。淺埋偏壓隧道采用的開挖方法主要分為臺階法、中隔側(cè)壁法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、環(huán)形開挖法，較少使用全斷面開挖，應(yīng)綜合隧道開挖穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)成本等多方面因素確定開挖方法2]。隧道一邊坡協(xié)同安全性研究主要分為兩方面：（1）邊坡開挖對臨近運(yùn)營隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響；（2）淺埋偏壓隧道開挖對既有路堤或路塹邊坡穩(wěn)定性的影響[3-4]。在考慮到降雨滲流影響下，邊坡一隧道上覆圍巖物理力學(xué)參數(shù)弱化，其不僅加大了隧道開挖難度，邊坡穩(wěn)定性也面臨著巨大挑戰(zhàn)，所以在淺埋偏壓隧道進(jìn)行開挖的背景下，考慮降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性的影響是至關(guān)重要的。

邊坡一隧道協(xié)同安全穩(wěn)定性研究從室內(nèi)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場實(shí)測、數(shù)值解、解析解4個(gè)方面展開。崔正陽、武琳[5-6]于室內(nèi)構(gòu)建邊坡開挖或隧道開挖物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，探究得出邊坡一隧道相互影響機(jī)理，判定邊坡、隧道、邊坡一隧道系統(tǒng)是否發(fā)生失穩(wěn)。顏富宇利用規(guī)范與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定邊坡一隧道失穩(wěn)判別依據(jù)，對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)值開展對比論證，驗(yàn)證數(shù)值模擬正確性，同時(shí)論述邊坡一隧道協(xié)同安全穩(wěn)定性。楊耀、柳墩利[8-9]構(gòu)建邊坡開挖或隧道開挖等數(shù)值模型，對邊坡一隧道變形、應(yīng)力、安全系數(shù)進(jìn)行分析，得出相關(guān)論點(diǎn)并總結(jié)出對應(yīng)的加固維護(hù)措施。邊坡一隧道協(xié)同變形應(yīng)力數(shù)值解應(yīng)用較為廣泛，而以復(fù)變函數(shù)為基礎(chǔ)的解析解適用性有限，吳平[1]創(chuàng)新提出邊坡一孔洞彈性應(yīng)力近似解析解，為邊坡一隧道工程設(shè)計(jì)提供有效參考。在以往已有研究基礎(chǔ)上，本文對比分析了正常邊坡一隧道、暴雨邊坡一隧道的邊坡穩(wěn)定性，說明暴雨條件下隧道開挖對邊坡穩(wěn)定性有著顯著影響，并構(gòu)建不同暴雨強(qiáng)度數(shù)值模型，探究隧道采用環(huán)形預(yù)留核心土開挖后對邊坡穩(wěn)定性的影響。

1工程簡介

某單洞公路隧道右側(cè)相鄰既有二級公路路塹邊坡，邊坡一隧道周邊巖土體巖性分類為：粉質(zhì)黏土（上覆）、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖（中間層）中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖（下臥）。隧道埋深約為 15m ，開挖輪廓線為三心圓，高度與寬度分別為8.8m、12.8m，采用直徑為 42m m 長度為3.5m的超前小導(dǎo)管進(jìn)行超前加固（環(huán)向間隔 ，注漿孔直徑8m m ，注漿材料為水泥砂漿）。初期支護(hù)采用23cm厚的C25 噴射混凝土、環(huán)縱布設(shè) 錨桿（長 、 @20cm×20cm鋼筋網(wǎng)、I18鋼拱架；二次襯砌為35cm的C30鋼筋混凝土， 2.0m m 的PVC防水板布設(shè)于初支與二襯之間，采用環(huán)形預(yù)留核心土開挖。

2數(shù)值建模及工況設(shè)置

基于隧道開挖影響范圍及邊坡穩(wěn)定性計(jì)算尺寸要求，采用有限元軟件GTSNX建立如圖1所示的邊坡一隧道系統(tǒng)有限元數(shù)值模型，監(jiān)測點(diǎn)位于邊坡坡腳。左、右、下邊界固定約束位移，降雨強(qiáng)度為暴雨工況。根據(jù)地勘資料設(shè)置初始地下水位線（模型底部以上 ，下邊界為不滲水邊界，左右邊界添加節(jié)點(diǎn)水頭，地表添加曲面流量且為滲水邊界，隧道開挖掌子面為零水壓面，初支無止水且二襯不滲水。圍巖砌采用 M-C 彈塑性本構(gòu)，襯砌采用本構(gòu)。用接觸單元模擬防水層，代替初支與二襯接觸方式，鋼筋網(wǎng)等并入初支計(jì)算，超前導(dǎo)管與注漿錨桿的作用以提高 3.5m 范圍內(nèi)巖土體力學(xué)參數(shù)。邊坡一隧道系統(tǒng)物理力學(xué)參數(shù)取值見表1，工況設(shè)置見表2。

3單邊坡穩(wěn)定性分析

不激活隧道網(wǎng)格，構(gòu)建正常未降雨、暴雨 ）工況的單邊坡數(shù)值模型，利用SRM求解邊坡安全系數(shù)，得出邊坡坡腳水平、豎向位移以及潛在滑動(dòng)面（等效塑性應(yīng)變）情況。繪制常態(tài)、暴雨工況的等效塑性應(yīng)變云圖（見圖2），兩種工況的邊坡坡腳位移與安全系數(shù)見表3。

分析圖2及表3相關(guān)數(shù)據(jù)可知，暴雨條件下的邊坡最大等效塑性應(yīng)變大于常態(tài)工況，說明暴雨對邊坡潛在滑動(dòng)面有著明顯影響；暴雨1d后，邊坡坡腳向左位移4.9m m ，向下沉降了 ，表明邊坡位移場受降雨滲流嚴(yán)重影響，高邊坡巖土體向坡腳匯聚且失水發(fā)生固結(jié)；暴雨工況的邊坡安全系數(shù)相對于常態(tài)下降 32.9% ，據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD30—2015）[11]相關(guān)規(guī)定得出常態(tài)、暴雨工況的二級公路路塹邊坡安全系數(shù)安全值分別為1.15、1.05，因此可判別正常和暴雨1d條件下，該邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，但暴雨影響下的邊坡安全性無富余，考慮到環(huán)境因素影響，應(yīng)采取擋土墻或抗滑樁加固坡腳處并優(yōu)化泄水孔設(shè)計(jì)。

4隧道開挖對邊坡穩(wěn)定性的影響

已知暴雨條件下的邊坡會發(fā)生降雨入滲，若隧道在雨季開挖施工難免對邊坡穩(wěn)定性造成影響。鑒于此，在考慮暴雨 ）影響下，隧道每日循環(huán)進(jìn)尺1m，提取隧道開挖每一階段的邊坡坡腳的水平、豎向位移以及邊坡安全系數(shù)進(jìn)行分析，并根據(jù)規(guī)范評價(jià)邊坡穩(wěn)定性。

如圖3所示為暴雨工況下隧道開挖各階段的邊坡水平位移、豎向位移以及安全系數(shù)變化規(guī)律曲線。從圖3可以看出：淺埋偏壓隧道開挖對地表邊坡穩(wěn)定性有著巨大影響，受降雨入滲的影響，邊坡坡腳發(fā)生向左水平位移、向下沉降；隧道采用環(huán)形預(yù)留核心土開挖，在開挖[1][2]階段的水平、豎向位移變化速率明顯快于[3][4]階段，表明隧道[1][2]部分開挖應(yīng)力釋放程度較大，及時(shí)進(jìn)行初支、防水層施作能有效減小對巖土體位移場、滲流場、應(yīng)力場的影響，側(cè)面驗(yàn)證隧道采用環(huán)形預(yù)留核心土開挖是合理的；暴雨工況下邊坡坡腳水平、豎向位移速率經(jīng)歷急速增大（[1][2]階段）、緩慢增大[3][4]階段）、穩(wěn)定（二襯施作），而邊坡安全系數(shù)速率經(jīng)歷快速降低[1][2]階段）緩慢降低（[3][4]階段）趨于穩(wěn)定（二襯施作）。以暴雨工況邊坡安全系數(shù)1.05作為判定標(biāo)準(zhǔn)，得出暴雨 ）后，邊坡在隧道施工過程中一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5不同暴雨強(qiáng)度的邊坡穩(wěn)定性

在隧道開挖背景下，邊坡穩(wěn)定性會隨著暴雨強(qiáng)度變化而變化，基于前文分析，得知暴雨以及隧道開挖施工均對邊坡穩(wěn)定性有著顯著影響。由此，建立不同暴雨強(qiáng)度（降雨1d）的邊坡一隧道系統(tǒng)數(shù)值模型，暴雨強(qiáng)度分別為 。如圖4所示為隧道開挖完成后，不同暴雨強(qiáng)度的邊坡坡腳處水平位移、豎向位移、等效塑性應(yīng)變、邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律曲線。

分析圖4可知，當(dāng)從常態(tài)變?yōu)楸┯隊(duì)顟B(tài)時(shí)，經(jīng)隧道開挖完成后邊坡坡腳處水平位移、豎向位移及最大等效塑性應(yīng)變均驟增，而邊坡安全系數(shù)驟降，再次驗(yàn)證了暴雨對邊坡穩(wěn)定性具有一定的影響；隨著暴雨強(qiáng)度逐漸增加，坡腳逐漸向左發(fā)生水平移動(dòng)和向下沉降，貫穿坡腳的潛在滑動(dòng)面越發(fā)明顯，邊坡安全系數(shù)進(jìn)一步下降，表明在隧道開挖與暴雨強(qiáng)度雙重影響下，邊坡穩(wěn)定性顯著下降；除常態(tài)變?yōu)楸┯隊(duì)顟B(tài)時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)發(fā)生突變的情況外，當(dāng)暴雨強(qiáng)度由C 變化為0. 過程中，坡腳水平位移、豎向位移、最大等效塑性應(yīng)變以及邊坡安全系數(shù)再次發(fā)生突變，且安全系數(shù) lt;1.05 ，表明在降雨強(qiáng)度為 時(shí)，受暴雨及隧道開挖擾動(dòng)影響，邊坡失穩(wěn)且可能發(fā)生滑坡。綜合不同暴雨強(qiáng)度的邊坡穩(wěn)定性分析，隧道應(yīng)采取措施減少對邊坡的干擾，優(yōu)化邊坡防護(hù)工程，在暴雨等不利因素影響下保證邊坡穩(wěn)定性。

6結(jié)語

本文以某淺理偏壓公路隧道下穿高路塹邊坡作為分析背景，為明確暴雨條件下隧道開挖對邊坡穩(wěn)定性具有何種影響，通過數(shù)值模擬手段設(shè)置常態(tài)及暴雨條件的二維邊坡一隧道協(xié)同數(shù)值模型，對邊坡坡腳位移、潛在滑動(dòng)面、邊坡安全系數(shù)展開探究，總結(jié)得出下列結(jié)論：

（1）單邊坡穩(wěn)定性。相對于常態(tài)，暴雨工況的邊坡坡腳位移、等效塑性應(yīng)變明顯增加，邊坡安全系數(shù)顯著下降，邊坡穩(wěn)定性明顯降低。

（2）恒定暴雨強(qiáng)度（降雨1d）。受降雨入滲及隧道逐步開挖擾動(dòng)雙重影響，邊坡坡腳位移、等效塑性應(yīng)變、邊坡安全系數(shù)等變化速率均具有急速、緩慢、趨于穩(wěn)定三階段，于恒定暴雨強(qiáng)度下，邊坡穩(wěn)定性隨著隧道依次開挖呈逐漸降低的趨勢。

（3）隧道開挖完成后。在常態(tài)變化為暴雨工況、暴雨強(qiáng)度 時(shí)，邊坡坡腳位移、等效塑性應(yīng)變、邊坡安全系數(shù)均發(fā)生突變，前者驗(yàn)證了開挖擾動(dòng)及暴雨對邊坡穩(wěn)定性具有一定的影響，后者表明當(dāng)暴雨強(qiáng)度達(dá)到某值時(shí)，邊坡將失穩(wěn)并可能發(fā)生滑坡，建議類似工程應(yīng)優(yōu)化防護(hù)工程，減小對邊坡的影響。

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