厚層偏壓隧道洞口邊仰坡穩(wěn)定性及其預(yù)加固技術(shù)

張 東, 張 熙, 劉大華, 李恩古, 陳先國

(1.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司二分公司，四川成都610200； 2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031； 3. 四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司公司，四川成都 610200)

隧道洞口段邊仰坡失穩(wěn)主要體現(xiàn)為巖土體滑坡。土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性一直是公路工程建設(shè)中的一個重要研究課題[1-2]。

國內(nèi)外一些學(xué)者已經(jīng)開始對穿越厚層堆積體淺埋偏壓隧道邊仰坡穩(wěn)定性進(jìn)行初步的研究，隧道洞口施工地表預(yù)加固技術(shù)也有了很大改進(jìn)。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[3]。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[4]。劉小兵等采用土坡平衡穩(wěn)定理論分析了影響邊仰坡穩(wěn)定性的因素，并采用圓弧破壞面轉(zhuǎn)動平衡分析方法確定了邊仰坡的加固范圍[5-6]。在邊仰坡安全系數(shù)計算方法上面，鄭穎人等采用極限分析有限元法計算出邊仰坡的穩(wěn)定系數(shù)[7],朱合華等采用強度折減法分析了隧道開挖對邊仰坡穩(wěn)定性的影響[8]。強度折減彈塑性有限元法將強度折減概念、彈塑性有限元計算原理與極限平衡原理相結(jié)合，利用強度折減法分析邊坡的穩(wěn)定性[9-10]。

目前雖然對于邊坡穩(wěn)定性以及加固研究已經(jīng)比較深入，但對于松散巖堆邊坡的研究卻比較少。本文運用FLAC3D軟件對318國道飛仙關(guān)隧道雅安端洞口在不同埋深條件下邊仰坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并采用預(yù)加固技術(shù)確保邊仰坡安全穩(wěn)定，論文研究成果對同類邊坡安全穩(wěn)定性分析具有一定的參考價值。

1 工程背景

飛仙關(guān)隧道位于國道318線雅安至二郎山隧道段災(zāi)后恢復(fù)重建工程A1標(biāo)段，全長1 608m，其中雅安端進(jìn)口明洞為單壓式明洞，長49m。進(jìn)口段斜坡地表主要為稍密狀塊石土，斜坡坡度約為25～30 °，推測斜坡覆蓋層厚約10m，表層未見變形跡象。進(jìn)口段圍巖為殘坡積塊石土，以稍密狀為主，厚度約10m，進(jìn)口淺埋段易出現(xiàn)地表下沉過大或冒頂現(xiàn)象。雅安端洞口段地質(zhì)條件復(fù)雜，穿越了厚層大型松散巖堆體，且同時具有淺埋偏壓的特點，因此該隧道從設(shè)計到施工修建整個過程必然會在隧道結(jié)構(gòu)的受力、襯砌支護(hù)的變形及穩(wěn)定性控制等方面出現(xiàn)問題。

隧道主要圍巖等級為Ⅲ、IV、V級，其中洞口段主要為IV級和V級。局部覆蓋層及風(fēng)化巖巖性松軟，強風(fēng)化巖體破碎，線狀或淋雨狀出水，大部分巖體較完整，點滴狀出水。實際施工中根據(jù)隧道洞口、洞身不同的段落和不同的圍巖級別、圍巖狀況確定了合理的開挖工法，即：III級圍巖段采用全斷面法施工，IV級圍巖段采用兩臺階帶仰拱法施工，V級圍巖段采用兩臺階預(yù)留核心土法施工。飛仙關(guān)隧道洞口結(jié)構(gòu)橫斷面圖如圖1所示。隧道二次襯砌厚度為60cm，初支襯砌厚度為24cm，錨桿為φ25中空注漿錨桿，長350cm，間距為1.0m×1.0m(環(huán)×縱)。

圖1 飛仙關(guān)隧道結(jié)構(gòu)斷面圖(單位：cm)

2 不同埋深隧道洞口計算模型建立

2.1 計算模型建立

根據(jù)飛仙關(guān)隧道洞口地形特征，建立隧道計算模型，模型左右邊界取至距隧道邊墻約54m，隧道洞口開挖跨度約13m，高約10m，洞口埋深(開挖輪廓拱頂距仰坡坡腳距離)為H(H分別取4m、7m和10m)，仰坡高度為10m，長度為40m，坡度約為14 °，邊坡高度為20m，坡長為40m，坡度約為27 °。模型底部邊界取至距隧道拱底以下40m，將V1圍巖(硬巖)與V2圍巖(軟巖)之間的交界面傾角簡化為90 °(圖2)。

圖2 飛仙關(guān)隧道洞口整體計算模型

隧道洞口三維計算模型位置關(guān)系規(guī)定如下：

(1)X軸垂直隧道走向，以飛仙關(guān)隧道進(jìn)口端隧洞口中線為x=0軸，左右各約60m。

(2)Y軸為隧洞走向方向，長度約取80m。

(3)Z軸豎直向上，硬巖高度為30m，軟巖高度為40m。

因此，考慮邊界效應(yīng)后的計算模型取約為120m×80m×70m，計算模型共包含69 935個單元，54 614個節(jié)點，模型四周和底部采用法向固定約束，地表為自由表面。隧道結(jié)構(gòu)及錨桿單元如圖3所示。

圖3 隧道結(jié)構(gòu)和錨桿單元模型

2.2 計算工況及建模參數(shù)

針對飛仙關(guān)隧道雅安端洞口邊仰坡穩(wěn)定性分析，采用二臺階帶仰拱法開挖方案，研究不同埋深狀態(tài)下的隧道開挖對洞口邊仰坡穩(wěn)定性的影響。

研究分別對隧道洞口埋深4m、7m和10m進(jìn)行建模分析。隧道圍巖、二次襯砌和初支襯砌采用實體單元模擬，錨桿采用Cable單元模擬，其中圍巖采用摩爾-庫倫模型，二次襯砌和初支襯砌采用彈性本構(gòu)模型。圍巖和隧道結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，錨桿物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表1 圍巖與襯砌物理力學(xué)參數(shù)

表2 錨桿物理力學(xué)參數(shù)

分別以隧道洞口埋深4m、7m和10m建立三種工況，比較三種開挖工況對洞口邊仰坡穩(wěn)定性的影響。三種數(shù)值模擬工況具體形式如表3所示。

表3 隧道開挖工況

3 不同埋深隧道洞口穩(wěn)定性分析

由于飛仙關(guān)隧道洞口段穿越了厚層堆積體，地質(zhì)條件復(fù)雜。特別是在洞口仰坡和邊坡上堆積了大量松散堆積體，其中存在大量的不連續(xù)面和軟弱結(jié)構(gòu)面，穩(wěn)定性很差。本文通過分析不同工況下隧道開挖后的地表位移、邊仰坡剪切應(yīng)變率及安全系數(shù)、圍巖塑性區(qū)等指標(biāo)，以確定最優(yōu)工況。

3.1 地表位移分析

三種工況下洞口開挖完成后產(chǎn)生的地表位移如圖4所示。從圖4可以看出，隧道的開挖對洞身上方地表的位移由于洞口埋深的不同影響程度也不同。三種工況下的共同點在于隧道正上方的地表位移最大，向兩側(cè)逐漸減小，位移沉降最大值點分別在A、B、C處；軟巖段的地表位移明顯大于硬巖段地表位移，且在軟巖段靠近軟硬交界面的位置地表位移達(dá)到了最大值。不同點在于工況1最大地表下沉值為4mm，工況2最大地表下沉值為2.5mm，工況3最大地表下沉值為1.5mm，且工況1地表位移程度和波及范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工況2和工況3，甚至在兩側(cè)較遠(yuǎn)處的地表出現(xiàn)了因擠壓而向上的位移。

(a)工況1

(b)工況2

(c)工況3圖4 三種工況下隧道洞口地表沉降云圖(單位：m)

可以看出，洞口埋深越淺，隧道的開挖對地表位移大小和波及范圍的影響就越大，洞口段就越容易發(fā)生邊仰坡失穩(wěn)滑坡。

3.2 邊仰坡圍巖塑性區(qū)分析

選用圍巖塑性區(qū)作為指標(biāo)來分析和評價隧道開挖完畢后圍巖的破壞程度。在工況1～工況3開挖完畢后，圍巖塑性區(qū)分布如圖5所示。

由圖5可以看出，圍巖塑性區(qū)主要分布在隧道開挖輪廓線的拱頂、仰拱位置以及隧道仰坡和邊坡上部區(qū)域。其中仰坡位置塑性區(qū)分布比邊坡位置更廣。從表4中可知，在工況1開挖方案下最終的圍巖塑性區(qū)體積最小，為64 823.6m3，隨著埋深的增大，塑性區(qū)體積也增大。說明，在以上三種工況下，工況1方案開挖完畢后，其對圍巖的破壞程度最小。

表4 三種工況下圍巖塑性區(qū)體積 m3

(a)工況1

(b)工況2

3.3 邊仰坡圍巖剪切應(yīng)變率及其安全系數(shù)對比

模型采用Mohr-Coloumb破壞準(zhǔn)則，通過強度折減法計算，得到隧道開挖直至邊坡剛好發(fā)生破壞時的安全系數(shù)。隧道邊坡剪切應(yīng)變率反映了邊坡剪切滑動的快慢程度，對分析邊坡的穩(wěn)定性有重要的參考意義。上述三種工況下邊坡剪切應(yīng)變率及安全系數(shù)如圖6所示。

從圖6可以看出，隧道洞口段開挖完成后在邊坡巖堆體形成了一個由塑性剪切應(yīng)變帶構(gòu)成的弧形破壞面，該破壞面隨著隧道洞口埋深的增加而增大。工況1～3最大剪切應(yīng)變率均發(fā)生在側(cè)邊坡坡頂處，且從側(cè)邊坡坡頂?shù)狡碌准羟袘?yīng)變率逐漸減小。隨著洞口埋深增加，剪切應(yīng)變區(qū)域整體擴(kuò)大，圓弧滑動面曲率不斷減小，剪切應(yīng)變區(qū)整體形狀變得愈發(fā)“細(xì)長”。工況3的剪切應(yīng)變影響區(qū)域明顯大于工況1和工況2，可知隧道的埋深越大，邊坡剪切應(yīng)變產(chǎn)生的圓弧滑動區(qū)也就越大。

工況1～3的安全系數(shù)分別為1.86、1.95和2.03，可見隧道埋深的增加對邊坡坡面的安全穩(wěn)定有有利的一面。

綜上所述，在4m、7m和10m三種埋深工況條件下，地表位移工況1最大，工況3最小；邊坡塑性區(qū)工況1最小，工況3最大；邊坡安全系數(shù)工況1最小，工況3最大。可見隨著隧道埋深的增加，塑性區(qū)區(qū)域增大，但隧道開挖后的沉降減小，邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)更大。綜合比較邊仰坡地表位移、安全系數(shù)和塑性區(qū)指數(shù)，可知隧道埋深4m時相對安全。

(a)工況1

(b)工況2

(c)工況3圖6 各工況剪切應(yīng)變率及安全系數(shù)云圖

4 厚層堆積體偏壓隧道洞口地表預(yù)加固技術(shù)研究

4.1 洞口地表預(yù)加固技術(shù)

對洞口上方地表仰坡位置采用錨網(wǎng)噴支護(hù)。錨網(wǎng)噴支護(hù)工藝，通過“錨桿+金屬網(wǎng)+混凝土噴層”相互結(jié)合，具備“先柔后鋼、先讓后抗”的特點，十分適宜應(yīng)用于破碎松散巖土體邊坡的支護(hù)[11-12]。砂漿錨桿在洞口上方軟巖段設(shè)置，使其與巖土體結(jié)成一體，其中砂漿錨桿起到將“鍥子”的作用，減少隧道開挖后巖土體的移動。

4.2 模型建立

建模中隧道洞口埋深4m，隧道圍巖、二次襯砌和初支襯砌采用實體單元模擬，錨桿采用Cable單元模擬，邊坡錨網(wǎng)噴支護(hù)采用殼單元和Cable單元模擬。計算模型共包含51 619多個單元，39 471多個節(jié)點，計算結(jié)果的精確度可以得到保證。整體計算模型如圖7所示，錨網(wǎng)噴支護(hù)等效為殼單元和Cable單元(圖8)。圍巖和錨桿參數(shù)參見表1、表2。

圖7 洞口預(yù)加固計算模型

圖8 邊仰坡錨網(wǎng)噴支護(hù)單元模型

4.3 計算結(jié)果對比

對比洞口埋深4m的情況下洞口段地表加固前后各項位移、塑性區(qū)指數(shù)。

4.3.1 地表位移對比

如圖9所示，加固前隧道正上方的地表下沉值最大值為4mm，加固后減小為1.5mm，地表下沉最大值明顯減小。對地表整體位移而言，洞頂上方軟巖及硬巖段位移都有明顯減小，且右側(cè)仰坡位置位移下沉云圖不再連續(xù)，由此可見經(jīng)過洞口地表預(yù)加固后地表各處位移均有有明顯減小。

(a)加固前

(b)加固后圖9 加固前后地表位移(單位:m)

4.3.2 邊仰坡塑性區(qū)分析

從圖10可看出，洞口地表預(yù)加固后在仰坡位置塑性區(qū)分布區(qū)域明顯減小，說明洞口地表預(yù)加固對圍巖的穩(wěn)定、完整性有有利的影響。

4.3.3 邊仰坡剪切應(yīng)變率云圖及安全系數(shù)分析

邊坡滑移區(qū)域從邊坡與仰坡交界線兩側(cè)向下延伸至邊坡坡腳，滑移面呈橢圓弧面，最終整個失穩(wěn)區(qū)域呈橢圓形。由于邊坡破碎巖體的節(jié)理十分發(fā)育，將發(fā)生旋轉(zhuǎn)破壞，即產(chǎn)生的滑坡為圓弧破壞形式[13]。加固前邊坡與仰坡交界線附近剪切應(yīng)變率明顯大于其余位置，加固后交界線附近剪切應(yīng)變率大大減小，與其余位置差別不大。加固后的剪切應(yīng)變率影響區(qū)域明顯小于加固前，并且加固前的安全系數(shù)為1.86，加固后的安全系數(shù)為2.18，可見洞口地表預(yù)加固對邊仰坡的穩(wěn)定性有明顯的提升作用(圖11)。

(a)拱頂及右部結(jié)構(gòu)測點 應(yīng)力峰值沿隧道縱向分布

(b)拱頂及左部結(jié)構(gòu)測點 應(yīng)力峰值沿隧道縱向分布圖10 加固前后邊仰坡塑性區(qū)

(a)加固前

(b)加固后圖11 加固前后剪切應(yīng)變率及安全系數(shù)

4.4 實際現(xiàn)場應(yīng)用

據(jù)地表調(diào)查及鉆探揭示，擬建隧址區(qū)覆蓋層為殘坡積層，巖性主要為塊石土、粉質(zhì)黏土，局部含全風(fēng)化基巖，厚薄不一，結(jié)構(gòu)松散，工程地質(zhì)性質(zhì)較差，開挖后需及時進(jìn)行支護(hù)。尤其是進(jìn)口段，覆蓋層厚度約10.0m，易導(dǎo)致覆蓋層沿基覆界面整體滑塌。施工單位據(jù)此在進(jìn)口洞外邊仰坡及樁間土采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，并且邊坡上方合適位置設(shè)置被動防護(hù)網(wǎng)(圖12)。隧道修建完成后坡體仍保持相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性，未發(fā)生滑塌現(xiàn)象，由此可見此措施在實際現(xiàn)場應(yīng)用中具有可行性。

(a)進(jìn)口邊仰坡錨網(wǎng)噴

(b)進(jìn)口邊坡被動防護(hù)網(wǎng)圖12 飛仙關(guān)隧道洞口邊仰坡防護(hù)現(xiàn)場施工

5 結(jié)論

本文依托于飛仙關(guān)公路隧道工程，對穿越厚層堆積體偏壓隧道洞口段邊仰坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，通過數(shù)值模擬研究得到如下結(jié)論：

(1)隧道洞口邊坡穩(wěn)定性受洞口埋深的影響，在一定范圍內(nèi)，埋深越大，邊坡穩(wěn)定性越差。4m、7m和10m三種埋深工況條件下，地中位移工況1最大，工況3最??；初期支護(hù)受力工況1最小，工況3最大；圍巖應(yīng)力場工況1最小，工況3最大；邊坡塑性區(qū)：工況1最小，工況3最大；邊坡安全系數(shù)工況1最小，工況3最大?？梢婋S著隧道埋深的增加，圍巖、初支的應(yīng)力有所增大，且塑性區(qū)范圍也更大，但隧道開挖后的沉降減小，邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)更大。綜合來看，埋深4m在滿足邊坡穩(wěn)定的情況下更加經(jīng)濟(jì)合理。

(2)厚層堆積體偏壓隧道洞口預(yù)加固技術(shù)研究一節(jié)中，主要通過在洞口上方軟巖段用殼單元和Cable單元模擬一層邊坡錨網(wǎng)噴支護(hù)結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值模擬計算發(fā)現(xiàn)各項指標(biāo)均有改善，說明該邊仰坡加固措施的可行性。

(3)對該穿越厚層堆積體偏壓隧道施工時，建議洞口埋置深度取4m；結(jié)合飛仙關(guān)隧道現(xiàn)場施工工藝，證明了邊仰坡采用錨網(wǎng)噴支護(hù)這一措施對增加坡體穩(wěn)定性、防止坡體滑塌具有良好的效果。