坡積土隧道洞口邊、仰坡穩(wěn)定性分析與治理

賀小強(qiáng) 王子英

（中交一公局土木工程建筑研究院有限公司）

引文

在隧道建設(shè)過程中，因受到施工的影響，使得隧道頂部坡體厚度較薄，應(yīng)力狀態(tài)較差，難以承受較大應(yīng)力，從而引起隧道洞口邊仰坡穩(wěn)定性變差，發(fā)生滑移破壞，既影響隧道工程的正常進(jìn)行，又使施工人員人身安全受到威脅，因此對隧道洞口邊仰坡的穩(wěn)定性分析及所采用隧道洞口施工方案合理性研究顯得尤為重要。

在隧道施工對隧道洞口邊仰坡穩(wěn)定性影響方面，朱合華等模擬了上下臺階法施工過程對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律[1]。在洞口邊仰坡穩(wěn)定性的判斷方面，馮樹仁結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)通過三維極限平衡法對可能的滑移面進(jìn)行判斷，并對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析[2]。張均鋒等將二維Janbu條分法進(jìn)行拓展，利用三維極限平衡法分析坡體穩(wěn)定性系數(shù)以及潛在滑動方向，從而對其穩(wěn)定性進(jìn)行分析[3]。本文依托麻竹高速公路香山隧道工程，采用MidasGTS有限元軟件分析隧道洞口邊、仰坡開挖以及隧道施工對邊仰坡最大剪應(yīng)變的影響作用。

1 工程概況

麻竹高速公路香山隧道位于湖北省襄陽市?？悼h，洞口段偏壓較大，坡積土覆蓋層較厚，隧道仰坡上部存在一個天然埡口，隧道進(jìn)口邊坡覆蓋層主要為碎石土，邊、仰坡開挖及其隧道掘進(jìn)中極易出現(xiàn)局部崩塌、滑坡體等地質(zhì)災(zāi)害。隧道準(zhǔn)備進(jìn)洞時(shí)，發(fā)現(xiàn)邊坡噴護(hù)混凝土出現(xiàn)裂縫，甚至出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。

2 有限元分析

2.1 計(jì)算模型的建立

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告及隧址區(qū)地形圖，將巖土體由外向里劃分為三層，分別為坡積碎石土，V類圍巖，IV類圍巖，故有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

表1 模型材料計(jì)算參數(shù)表

模型選取理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，參數(shù)如表1所示。上邊界取至地表，其余均取距離隧道5倍洞徑處。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，模擬時(shí)分為32個開挖步，隧道每個開挖步進(jìn)尺為2m，開挖采用鈍化單元，噴護(hù)襯砌則采用激活單元。

2.2 數(shù)值結(jié)果分析

當(dāng)采用原設(shè)計(jì)方案開挖第四級邊坡時(shí)，如圖2所示。邊坡開始處于不穩(wěn)定狀態(tài)，剪應(yīng)變最大值產(chǎn)生于坡體前部，且有向坡體內(nèi)部發(fā)展的趨勢。隨著第五級邊坡的開挖，其剪應(yīng)變最大值已經(jīng)出現(xiàn)在上部坡體。同時(shí)隨著隧道開挖，最大剪應(yīng)變大小和范圍還有一定程度的增加。

圖2 原方案開挖第四級邊坡后最大剪應(yīng)變

當(dāng)仰坡開挖時(shí)，最大剪應(yīng)變值較小，也沒有出現(xiàn)潛在的貫通滑移面。而隨著隧道開挖2m后，如圖3所示、剪應(yīng)變值驟增，同時(shí)剪應(yīng)變較大值的范圍也在增加。當(dāng)隧道開挖10m后，出現(xiàn)明顯的貫通面，剪應(yīng)變最大值加劇，說明坡體已經(jīng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 原方案隧道掘進(jìn)2m后最大剪應(yīng)變

3 方案優(yōu)化

為解決開挖坡度過大的問題，采用了左右洞邊坡分層開挖防護(hù)，總共分為6級臺階，每層臺階高度為8m，坡度為1：0.75。同時(shí)邊仰坡采用導(dǎo)管注漿，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)以及噴射厚為10cm的混凝土進(jìn)行防護(hù)。采取優(yōu)化后的方案，如圖4所示。邊坡未出現(xiàn)剪應(yīng)變突變，隧道掘進(jìn)中，剪應(yīng)變增加較為緩慢，坡體仍處于安全狀態(tài)。

圖4 優(yōu)化后方案隧道掘進(jìn)10m后最大剪應(yīng)變

4 對比分析

對比兩種邊、仰坡開挖施工方案的最大剪應(yīng)變（如圖5、6所示）。根據(jù)原設(shè)計(jì)方案，第三級開挖邊坡時(shí)，最大剪應(yīng)變?yōu)?.57e-3，第六級開挖邊坡時(shí)，最大剪應(yīng)變達(dá)到了6.70e-3。采用優(yōu)化后的開挖方案，第六級邊坡開挖時(shí)，比原方案最大剪應(yīng)變值減少了40.2%。同時(shí)由兩種方案下最大剪應(yīng)變增長趨勢可以看出：邊坡穩(wěn)定性主要受邊坡開挖影響，隧道掘進(jìn)影響不大。

圖5 不同開挖方案邊坡最大剪應(yīng)變對比

圖6 不同開挖方案仰坡最大剪應(yīng)變對比

根據(jù)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仰坡開挖時(shí)，仰坡的初始剪應(yīng)變值約為1.73e-3。隧道僅開挖2m時(shí)，剪應(yīng)變值驟增，隧道開挖20m后，剪應(yīng)變值為5e-3。采用優(yōu)化后的方案進(jìn)行仰坡開挖時(shí)，在仰坡開挖和隧道掘進(jìn)過程中仰坡的最大剪應(yīng)變值都減小，隧道掘進(jìn)20m后，最大剪應(yīng)變僅為4.22e-3。同時(shí)也可以看出：仰坡穩(wěn)定性主要受隧道掘進(jìn)影響，仰坡開挖影響不大。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的合理性，利用有限元強(qiáng)度折減法分別計(jì)算了兩種施工方案情況下的安全系數(shù)（如圖7所示）。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330-2013），選取1.30為邊、仰坡穩(wěn)定安全系數(shù)臨界值，由此反映了優(yōu)化后的方案確實(shí)能較好的改善其隧道洞口施工。

5 工程應(yīng)用及現(xiàn)場監(jiān)測

實(shí)際工程中采用了優(yōu)化后的開挖方案，對隧道右洞洞內(nèi)拱頂沉降以及周邊收斂做了現(xiàn)場監(jiān)測（如圖8、9所示）。

圖7 不同開挖方案安全系數(shù)對比

圖8 右洞斷面拱頂沉降

圖9 右洞周邊收斂

由圖可知，拱頂沉降位移和周邊收斂在斷面剛開挖后增加速率最大，然后隨著隧道時(shí)間推移，增加速率逐漸變緩，最終達(dá)到基本穩(wěn)定。右洞距洞口5m斷面拱頂沉降最大值為12.37mm，周邊收斂最大值為29.76mm；右洞距洞口10m斷面拱頂沉降最大值16.45mm，周邊收斂最大值28.05mm，未超過Ⅳ、Ⅴ級圍巖位移三級警戒線40mm，因此均處于安全范圍內(nèi)。

6 結(jié)論

通過對香山隧道洞口在原設(shè)計(jì)開挖方案下邊、仰坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得到了隧道洞口邊、仰坡開挖和隧道掘進(jìn)過程中的最大剪應(yīng)變變化趨勢，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性，為同類型隧道采取合理有效的進(jìn)洞施工方案提供了技術(shù)支撐。

[1]朱合華，李新星，蔡永昌，等.隧道施工中洞口邊仰坡穩(wěn)定性三維有限元分析[J].公路交通科技，2005.

[2]馮樹仁，豐定祥，葛修潤，等.邊坡穩(wěn)定性的三維極限平衡分析方法及應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1999，21（6）：657～661.

[3]張均鋒，丁樺.邊坡穩(wěn)定性分析的三維極限平衡法及應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（3）：365～370.