基于條塊模型法的隧道邊仰坡穩(wěn)定性分析

張怡興，劉 曉，劉俊鋒，王永東，黃代茂

(1.廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司，廣州 510623；2.長安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064)

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，隧道等地下工程建設(shè)方興未艾。在節(jié)理裂隙發(fā)育的炭質(zhì)泥巖區(qū)段等不良地質(zhì)地帶修建的隧道工程存在諸多問題，其中隧道洞口邊仰坡滑移開裂問題尤甚，直接影響隧道洞口區(qū)段的穩(wěn)定性。隧道邊仰坡穩(wěn)定性分析是邊坡工程研究的重要課題之一，決定軟巖裂隙發(fā)育隧道邊仰坡穩(wěn)定性的因素不同于一般的邊坡工程：炭質(zhì)泥巖隧道一般采用三臺階法開挖，多臺階的開挖擾動會降低邊仰坡的穩(wěn)定性；洞口段多淺埋且偏壓，地質(zhì)條件差，邊仰坡受力復(fù)雜，影響其穩(wěn)定性。

諸多學(xué)者對隧道邊仰坡的穩(wěn)定性進行了研究。陳文勝[1]等利用經(jīng)典條分法原理，建立了牽引式邊坡穩(wěn)定性分析模型，并計算出邊坡安全系數(shù)；盧應(yīng)發(fā)[2]等在現(xiàn)有邊坡穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，針對邊坡的漸進破壞進行了研究；王庚蓀[3]對邊仰坡漸進破壞過程進行了探究，并對坡體穩(wěn)定性進行了分析；劉動[4]針對邊坡滑移帶漸進破壞過程，并結(jié)合土體剪切強度特性，對坡體穩(wěn)定性進行了分析；鄭宏[5]通過有限元方法對邊坡穩(wěn)定性進行分析，并對坡體安全系數(shù)進行了求解；盧應(yīng)發(fā)[6]等針對邊坡滑移體力學(xué)行為，對邊坡力學(xué)傳遞規(guī)律進行了研究，并對不同力學(xué)狀態(tài)下邊坡安全系數(shù)進行了求解；董永[7]等利用有限元強度折減法得出了公路隧道邊仰坡穩(wěn)定性系數(shù)，并預(yù)測出邊仰坡滑移模型；王樹英[8]等對連拱隧道邊仰坡進行現(xiàn)場測試，綜合各種因素分析滑移原因并提出整治措施；劉俊紅[9]研究了緩坡隧道邊仰坡滑塌原因并提出處置措施；羅纘錦[10]對常見的巖質(zhì)邊坡破壞模式進行了分類，為進一步探討處治方案提供了參考；王宜葵[11]等介紹了龍祖山隧道洞口滑移情況，提出了鋼管樁的處治方式；王朝暉[12]等對現(xiàn)有的邊坡穩(wěn)定分析理論進行了分類,作了較系統(tǒng)全面的回顧和分析,并對未來的發(fā)展進行了展望。

本文以其古頂隧道出口段施工邊仰坡滑移為例進行研究?？紤]到組成邊仰坡的炭質(zhì)泥巖力學(xué)穩(wěn)定性差，為了分析炭質(zhì)泥巖隧道邊仰坡的破壞形式及破壞趨勢，提出一種條塊模型法對邊仰坡安全系數(shù)進行定義，并與瑞典條分法對比，對炭質(zhì)泥巖隧道邊仰坡的穩(wěn)定性進行分析，以期得到量化的塊體安全系數(shù)來評價坡體穩(wěn)定性，推測坡體滑移趨勢，指導(dǎo)依托工程施工。

1 工程概況

其古頂炭質(zhì)泥巖隧道位于廣東省梅州市城東鎮(zhèn)境內(nèi)，左、右線隧道洞口地段圍巖主要由坡殘積粉質(zhì)粘土、強風(fēng)化砂巖、炭質(zhì)泥巖組成，巖體極破碎，穩(wěn)定性差。左、右線洞口段30m范圍內(nèi)采用長管棚超前支護。自其古頂隧道出口段右洞開挖以來，地表和暗洞沉降以及水平位移相對穩(wěn)定，但在仰坡坡頂處稍有裂隙。之后施工人員發(fā)現(xiàn)右洞K11+505～+495段初支拱腰出現(xiàn)鼓包開裂，右洞洞頂仰坡裂縫較大。監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示，其古頂隧道出口右洞K11+480處，右拱頂沉降36mm，拱頂中沉降16mm，左拱頂沉降14mm。經(jīng)現(xiàn)場踏勘后發(fā)現(xiàn)洞口右側(cè)邊仰坡出現(xiàn)一條長約60m、寬3～30mm的貫穿裂縫，其周邊零星分布著長3～10m的小裂縫；套拱拱頂左側(cè)也出現(xiàn)一條長0.7m、寬3mm的裂縫，洞口仰坡掛網(wǎng)噴砼出現(xiàn)多處開裂。邊仰坡連續(xù)數(shù)天的沉降，導(dǎo)致K11+486～+490段初支混凝土出現(xiàn)了侵限現(xiàn)象。

圖1 洞口邊仰坡滑移開裂

2 炭質(zhì)泥巖隧道邊仰坡破壞模式

2.1 影響邊仰坡穩(wěn)定性的主要因素

造成隧道邊仰坡滑移破壞的主要因素：(1)圍巖級別。邊仰坡巖體極為軟弱，圍巖等級多為V、VI級，受施工擾動后易出現(xiàn)垮塌式破壞。(2)巖體承力結(jié)構(gòu)破壞。邊仰坡開挖過程中，其主要承力巖體遭到破壞，導(dǎo)致坡體整體破壞。(3)巖體節(jié)理面發(fā)育。邊仰坡內(nèi)大量節(jié)理面的存在，導(dǎo)致整個坡體被切割為無數(shù)獨立塊體，巖體沿一個節(jié)理面或多個節(jié)理面組產(chǎn)生剪切破壞和錯動變形，從而造成邊仰坡整體破壞。

查閱相關(guān)文獻及邊仰坡事故案例可知，隧道邊仰坡巖體中節(jié)理面的存在，是影響隧道邊仰坡穩(wěn)定性的決定性因素。特別是在新修建的隧道進出口端，由于開挖造成的影響，這些位置是力學(xué)變動強烈的活動帶，往往會危及隧道邊仰坡的穩(wěn)定性。究其原因，巖體中節(jié)理面的存在，使巖體整體強度降低，增加了巖體的流變特性，并在與地應(yīng)力的聯(lián)合作用下使坡體產(chǎn)生滑移趨勢。

2.2 邊仰坡破壞模式

由圖2可知，邊仰坡平面破壞由左至右可分為：單平面破壞、雙平面破壞和多平面破壞。單平面破壞多見于坡體內(nèi)部存在貫穿節(jié)理面，雙平面破壞多見于坡體內(nèi)部存在兩個大的構(gòu)造節(jié)理面，多平面破壞常見于坡體內(nèi)部存在大量相互交錯的細小節(jié)理面。由圖3可知，楔形體破壞多見于坡體表面節(jié)理裂隙發(fā)育，坡體被節(jié)理面分割為多個楔形體。旋轉(zhuǎn)體破壞大多是由于降雨下滲導(dǎo)致坡體內(nèi)部形成圓弧破壞面，從而使坡體失穩(wěn)破壞。傾倒式破壞常見于坡體內(nèi)存在豎向貫穿節(jié)理面，由于開挖擾動，導(dǎo)致坡體傾倒破壞。

圖2 平面破壞形式(箭頭指示為滑動方向)

圖3 楔形體、旋轉(zhuǎn)體、傾倒式破壞形式(箭頭指示為破壞方向)

3 基于條塊模型法的邊仰坡穩(wěn)定性分析

3.1 條塊力學(xué)模型

本文以基本條塊單元構(gòu)建邊仰坡力學(xué)模型，如圖4所示。此模型的接觸類型為塊體平面接觸，條塊單元上受力以集中力表示。對于邊仰坡上任意條塊單元，一般認為其上受多種力的作用，分別為：條塊單元重力Wi、滑移面剪切力Ti以及法向力Ni、條塊單元兩側(cè)平推力Ei、Ei+1以及豎向摩擦力Xi、Xi+1。

圖4 邊仰坡力學(xué)模型

3.2 基本假設(shè)與安全系數(shù)定義

(1)邊仰坡的滑移破壞為漸進破壞，坡體啟動條塊失穩(wěn)后，依次影響下一條塊。

(2)邊仰坡上條塊滑移破壞模式為沿條塊底面的剪切破壞，坡體最為穩(wěn)定的條塊稱為控制條塊。

(3)啟動條塊不受其上部條塊的推力，其余條塊均受其上部傳遞的推力。

坡體上每一條塊發(fā)生滑移破壞的難易程度不一，可利用安全系數(shù)來描述每一條塊的穩(wěn)定程度。根據(jù)以上假定，本文對邊仰坡上各條塊的安全系數(shù)定義如下：單一條塊安全系數(shù)f為阻滑力T與下滑力Q的比值。對于邊仰坡的漸進破壞過程，坡體上每一條塊具有不同的安全系數(shù)，啟動條塊安全系數(shù)最低，控制條塊安全系數(shù)最高，即控制條塊決定著整個坡體的安全系數(shù)。圖5為邊仰坡條塊模型示意圖。

圖5 邊仰坡條塊模型

3.3 邊仰坡受力分析

對邊仰坡條塊進行受力分析時，需要先對啟動條塊進行分析，然后依次對其他條塊進行分析，進而計算出每一條塊的安全系數(shù)，確定控制條塊的位置。條塊計算時，針對條塊的極限平衡狀態(tài)以及殘余應(yīng)力狀態(tài)，分別對條塊進行兩次驗算，以求得更為精準的安全系數(shù)。圖6為條塊兩種狀態(tài)的受力示意圖，其受力分析即安全系數(shù)的求解過程。

圖6 邊仰坡力學(xué)模型

3.3.1 啟動條塊

(1)條塊單元底面壓力：

Ni=Wicosαi

(1)

式中：Ni為條塊單元底面壓力；Wi為條塊單元重力；αi為條塊單元底面與水平面的夾角。

(2)條塊單元下滑力：

Qi=Wisinαi

(2)

式中：Qi為條塊單元的下滑力。

(3)初始狀態(tài)下條塊單元底面摩阻力：

Ti=cili+Wicosαitanφi

(3)

式中：Ti為利用摩爾庫倫理論計算的摩阻力；ci為巖體材料的粘聚力；li為條塊單元底面長度；φi為巖體材料內(nèi)摩擦角。

(4)破壞后條塊單元底面摩阻力：

(4)

(5)條塊單元安全系數(shù)：

(5)

式中：fi為第i個條塊單元的安全系數(shù)。

(6)殘余推力：

(6)

式中：Pi為殘余推力，巖土材料不存在拉力，故Pi≥0。

3.3.2 其余條塊

(1)條塊單元底面壓力：

Ni=Wicosαi+Pi+1sin(αi+1-αi)

(7)

式中：Ni為條塊單元底面壓力；Wi為條塊單元重力；Pi+1為前一條塊的殘余推力；αi為條塊單元底面與水平面的夾角。

(2)條塊單元下滑力：

Qi=Wicosαi+Pi+1cos(αi+1-αi)

(8)

式中：Qi為條塊單元下滑力。

(3)初始狀態(tài)下條塊單元底面摩阻力：

Ti=cili+Wicosαitanφi+Pi+1tanφisin(αi+1-αi)

(9)

(4)破壞后條塊單元底面摩阻力：

Pi+1tan(φikφ)sin(αi+1-αi)

(10)

(5)條塊單元安全系數(shù)：

(11)

(6)殘余推力：

(12)

通過上述推導(dǎo)可見，計算條塊單元安全系數(shù)的過程是一個反復(fù)迭代的過程，利用靜力平衡法可得到條塊單元的唯一靜力解，進而可確定每一條塊單元的安全系數(shù)，這給邊仰坡的穩(wěn)定性分析提供了計算依據(jù)。

4 算例分析

為了驗證上述邊坡穩(wěn)定性計算方法的實用性，進行算例分析。如圖7所示，該邊仰坡模型坡腳為53°、滑移弧面角64°、坡高6.0m，坡體巖土的重度γ=17.5kN/m3，摩擦角φ=12°，粘聚力c=16.7kPa。

圖7 邊仰坡算例分析模型

分別采用安全系數(shù)法和瑞典條分法對邊仰坡穩(wěn)定性進行計算對比，計算結(jié)果見表1和表2。

表1 瑞典條分法計算結(jié)果

表2 條塊模型法計算結(jié)果

由表2可見，瑞典條分法計算的坡體整體安全系數(shù)為0.841 2。通過條塊模型計算過程可知，此時坡體控制條塊為第六條快，啟動條塊同樣為第六條快，整個坡體安全系數(shù)確定為0.770 2，較之瑞典條分法偏小。對比兩種方法可知，條塊模型法可一一求出各條塊的安全系數(shù)，進而得到坡體的控制條塊，這對預(yù)測分析坡體的穩(wěn)定性十分重要；而瑞典條分法僅能求出坡體整體安全系數(shù)，相比條塊模型法誤差較大，不夠精確。

為了進一步研究巖體強度參數(shù)c、φ對隧道邊仰坡穩(wěn)定性的影響，在算例的基礎(chǔ)上分別確定c值為8.0kPa、12.0kPa，變化φ值求得各條塊的安全系數(shù)；確定φ值為12°、22°，變化c值求得各條塊的安全系數(shù)。最后將求得的安全系數(shù)值分別繪制F-c、F-φ曲線，如圖8和圖9所示。

圖8 安全系數(shù)-粘聚力關(guān)系

圖9 安全系數(shù)-內(nèi)摩擦角關(guān)系

根據(jù)圖8和圖9中F-c、F-φ曲線所反映出的規(guī)律，邊仰坡條塊模型法、瑞典條分法計算得出的安全系數(shù)與巖體內(nèi)摩擦角、粘聚力的關(guān)系：

針對F-c曲線所反映的規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)無論是瑞典條分法還是條塊模型法，隨著內(nèi)摩擦角的增大，計算所得的安全系數(shù)相應(yīng)增大。同一內(nèi)摩擦角下，條塊模型法計算得到的安全系數(shù)較之瑞典條分法較小，更接近工程的實際情況。

針對F-φ曲線所反映的規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)條塊模型法所計算的安全系數(shù)隨著巖體粘聚力的增大而增大，當粘聚力達到一定程度時，曲線出現(xiàn)明顯的突變，安全系數(shù)快速增加。對于此現(xiàn)象，通過對條塊模型法計算過程特點分析，可將條塊模型法計算的安全系數(shù)與粘聚力的變化過程分為三個階段，三個階段同為漸進破壞，但反映的物理意義各異。

第一階段，由于粘聚力較小，條塊單元殘余推力較大，處于坡體下方條塊的累計推力逐漸增大，相應(yīng)的安全系數(shù)逐漸減小，此時處于坡體上端的條塊單元同時為控制條塊和啟動條塊，一旦坡體上端條塊失穩(wěn)，就可能導(dǎo)致整個坡體失穩(wěn)破壞。

第二階段，隨著粘聚力的增大，條塊單元殘余應(yīng)力逐漸減小，條塊單元安全系數(shù)逐漸增大，抵抗破壞的能力增強。此時，坡體安全系數(shù)為各條塊單元安全系數(shù)的最大值。

第三階段，隨著粘聚力的持續(xù)增大，條塊單元殘余推力很小，安全系數(shù)快速增大，坡體上多數(shù)條塊都處于穩(wěn)定狀態(tài)，即使啟動條塊失穩(wěn)破壞，也不會導(dǎo)致坡體整體失穩(wěn)。

5 邊仰坡不同破壞階段的控制措施

邊坡防治措施較多，常見的措施如圖10所示。邊仰坡的漸進破壞是一個隨著施工工序、時間變化的動態(tài)過程，因此，根據(jù)坡體不同的破壞階段，可制定針對性的防治措施。

圖10 隧道邊仰坡處置措施

5.1 初始滑移階段

初始階段邊仰坡滑移破壞幾乎都是由于隧道進洞產(chǎn)生的擾動造成的，該類型的破壞原因大致分為兩種：(1)進洞過程中，開挖順節(jié)理面方向，由于上覆巖體的開挖清除，使得坡體抗滑阻力減小，進而導(dǎo)致獨立塊體安全系數(shù)減小，導(dǎo)致坡體滑移破壞。(2)由于坡體破碎、巖體松散，開挖擾動易導(dǎo)致洞口塌陷破壞。

工程上常見的處理措施：采用土錨釘、錨索樁和抗滑樁等，加強滑移面的垂直壓力，以提高抗滑阻力，變被動受力為主動抗滑；采用群樁、復(fù)合擋土墻等鋼筋混凝土支擋結(jié)構(gòu)；對坡體巖體進行錨噴支護，提高坡體的整體強度。

5.2 平穩(wěn)蠕變階段

坡體經(jīng)過初始滑移階段穩(wěn)定后，邊仰坡巖體經(jīng)過長期蠕變形成新的滑移面，此階段發(fā)展緩慢且不易察覺，坡體破壞程度較小。工程上常見的處理措施：灌縫處理出現(xiàn)的縫隙；采用砂漿錨桿或預(yù)應(yīng)力錨索加固；優(yōu)化開挖流程，減小開挖擾動和爆破荷載對坡體的影響。

5.3 快速沉降階段

由于爆破振動及施工擾動影響，平穩(wěn)蠕變階段形成的滑移面進一步擴大，坡體內(nèi)部的裂隙急劇擴展，進而導(dǎo)致滑移面的抗滑阻力減小，獨立塊體安全系數(shù)降低。當抗滑阻力小于下滑力時，坡體發(fā)生整體滑移破壞。此類破壞發(fā)生時大多可以由監(jiān)控量測反映出來且坡體破壞征兆明顯，其處治措施復(fù)雜且整修范圍較大,投入資金較高。此類破壞發(fā)生時，應(yīng)及時停工整改，進行坡體縱深支護處理，以穩(wěn)定邊仰坡形態(tài)，重新制定邊仰坡防護措施。

6 現(xiàn)場處治

其古頂隧道邊仰坡滑移采用洞頂鋼花管注漿的處治方案。鋼花管從洞頂延伸至隧道開挖范圍，注漿方式為一次劈裂注漿。該方案一方面通過鋼花管注漿發(fā)揮限制邊仰坡滑移面、穩(wěn)定滑移體的作用；另一方面通過注漿改善巖體的粘聚力，顯著提高了各條塊的安全系數(shù)。同時，通過對隧道開挖范圍內(nèi)巖體的預(yù)注漿加固，使隧道開挖過程的穩(wěn)定性得到提高，施工產(chǎn)生的擾動影響變小。

經(jīng)過處治，其古頂隧道邊仰坡逐漸趨于穩(wěn)定，在后續(xù)隧道開挖過程中，未發(fā)生類似的滑移情況，處治方案取得了預(yù)期效果。

7 結(jié)論

(1)邊坡破壞模式多種多樣，隧道邊仰坡巖體中節(jié)理面的存在，是影響隧道邊仰坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，邊仰坡破壞基本都是巖體沿一個節(jié)理面或多個節(jié)理面組產(chǎn)生剪切破壞和錯動變形而造成的。

(2)提出了一種新的分析邊仰坡穩(wěn)定性的方法，即條塊模型法。條塊模型法是一種基于邊仰坡漸進破壞的分析方法，它以坡體上條塊為研究單元，逐個條塊依次分析，確定條塊局部安全系數(shù)，最終確定坡體整體的安全系數(shù)。

(3)結(jié)合實際算例分析，對比了條塊模型法與瑞典條分法的優(yōu)劣。結(jié)果表明，條塊模型法計算得出的安全系數(shù)更加準確，初步論證了條塊模型法的正確性。此外，對安全系數(shù)-粘聚力、安全系數(shù)-內(nèi)摩擦角的關(guān)系進行了分析。

(4)分別對邊仰坡初始滑移階段、平穩(wěn)蠕變階段和快速沉降階段的破壞機理進行了分析，并提出了具體的處治防護措施。