強(qiáng)降雨作用下軟土隧道仰坡穩(wěn)定性分析

熊 齊 歡，袁 青，于 錦，楊 林

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430048； 2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430048)

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，特別是經(jīng)濟(jì)內(nèi)循環(huán)概念的提出和逐步實(shí)施，各區(qū)域的資源、能源和人員的流通量勢(shì)必將提升至一個(gè)新臺(tái)階，這將對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展提出更高要求。隧道工程因?yàn)榭梢钥朔卟?、縮短連接距離、有利環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)被廣泛運(yùn)用到公路鐵路建設(shè)中[1]，但是不同區(qū)域地質(zhì)條件迥異，在隧道施工和運(yùn)營過程中經(jīng)常會(huì)遇見各類地質(zhì)病害，其中，洞口仰坡失穩(wěn)現(xiàn)象是隧道建設(shè)和運(yùn)維過程中常見的地質(zhì)病害之一[2]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)洞口邊坡的穩(wěn)定性研究做了大量工作。王軍等[3]采用改進(jìn)的黏彈塑性模型，利用有限差分法對(duì)山區(qū)邊坡和坡頂隧道進(jìn)行聯(lián)合穩(wěn)定性分析，確定了潛在滑動(dòng)區(qū)和隧道影響區(qū)；魏綱等[4]針對(duì)隧道洞口涌砂、涌水地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了分析，闡明了涌水、涌砂的地質(zhì)原因；周曉軍等[5]以一個(gè)具體項(xiàng)目為例，分析了洞口仰坡的加固效果和加固參數(shù)間的關(guān)系，并對(duì)隧洞邊坡加固結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整與優(yōu)化。

降雨入滲對(duì)非飽和土邊坡的安全穩(wěn)定有較大影響。雷小芹等[6]以土體內(nèi)部細(xì)小顆粒隨雨水入滲粗顆粒土骨架空隙為研究切入點(diǎn)，對(duì)降雨作用下非飽和堆積土邊坡中坡體及孔隙尺寸的細(xì)顆粒遷移現(xiàn)象進(jìn)行了分析概化，并基于多孔介質(zhì)力學(xué)及混合物理論構(gòu)建了描述非飽和堆積土中細(xì)顆粒侵蝕-運(yùn)移-沉積全過程的滲流潛蝕模型。結(jié)合該模型，采用有限元方法分析了細(xì)顆粒遷移引發(fā)的土體滲透性、持水性及強(qiáng)度演化對(duì)非飽和堆積土邊坡降雨入滲過程及穩(wěn)定性的影響。劉楊等[7]為探究緩傾軟弱夾層對(duì)礦山高陡邊坡降雨滲流特性影響，以實(shí)際工程為例，結(jié)合水文地質(zhì)、工程地質(zhì)分析，建立了含緩傾夾層礦山高邊坡的降雨滲流模型并進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明，緩傾軟弱夾層改變了滲流路徑，夾層上表面孔隙水壓力先增大后減小，相對(duì)降雨時(shí)間具有變化滯后性。肖景紅等[8]針對(duì)含優(yōu)勢(shì)滲流層邊坡降雨入滲下的可靠度問題，通過將應(yīng)力分析中的點(diǎn)估計(jì)-有限元法引入到邊坡滲流-穩(wěn)定性分析中，提出了考慮優(yōu)勢(shì)滲流層滲透特性不確定性的滲流概率分析和邊坡可靠度分析方法。張娜等[9]采用Geo-Studio軟件對(duì)某露天采礦邊坡進(jìn)行了降雨滲流分析，結(jié)果顯示，降雨強(qiáng)度明顯增強(qiáng)的情況下，邊坡內(nèi)部滲流場(chǎng)發(fā)生明顯變化，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與降雨強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)的變化規(guī)律。從上述研究可知，降雨滲流是影響邊坡安全穩(wěn)定的重要因素。

除了降雨入滲會(huì)改變坡體的含水量和土力學(xué)性質(zhì)外，隧道明洞、暗洞開挖也會(huì)改變土體的力學(xué)性質(zhì)和邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)。本文針對(duì)軟土地區(qū)隧道明洞、暗洞交接期間的降雨問題，通過干濕狀態(tài)下土體力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)變化分析，探討了隧道開挖和大氣降雨作用下邊坡穩(wěn)定性的變化情況。

1 降雨條件下土體的特性

降雨是諸多巖土工程失效的重要誘因[10]。在隧洞開挖過程中，勢(shì)必碰到不同強(qiáng)度、不同時(shí)長(zhǎng)的降雨，在降雨過程中，土體的諸多物理力學(xué)指標(biāo)均會(huì)發(fā)生變化。其中，巖土體的含水量變化是最常見、最明顯的。根據(jù)土水特性曲線，當(dāng)含水量變化時(shí)土體內(nèi)部的基質(zhì)吸力和滲透性系數(shù)均會(huì)發(fā)生變化，從而引起土體強(qiáng)度參數(shù)改變和地下水滲透特性變化。與此同時(shí)，對(duì)于黏性土等細(xì)顆粒土體，含水量的變化改變了黏粒周圍的弱結(jié)合水和自由水的厚度，從而改變了土顆粒間的黏結(jié)作用、摩擦阻力和土體軟塑狀態(tài)。

1.1 土水特性關(guān)系

在穩(wěn)定滲流場(chǎng)中，飽和土體的滲透性系數(shù)是一個(gè)與地下水情況無關(guān)的常數(shù)，但是在非飽和土體內(nèi)，非穩(wěn)定滲流過程中土體的滲透性系數(shù)不再是常數(shù)，而是一個(gè)與飽和滲透性系數(shù)和顆粒間基質(zhì)吸力有關(guān)的函數(shù)[11]：

(1)

式中：kw為非飽和土滲透性系數(shù)，cm/s；ks為飽和土滲透性系數(shù)，cm/s；Ψ(t)為基質(zhì)吸力，kPa；a、m、n為曲線參數(shù)，a的單位為kPa-1，m、n無量綱。

在降雨入滲過程中，基質(zhì)吸力的大小隨著含水量的變化而改變，而含水量的大小則受到降雨強(qiáng)度、降雨持續(xù)時(shí)間、所在位置的影響，因此基質(zhì)吸力和滲透性系數(shù)均是時(shí)間和空間的函數(shù)。根據(jù)van Genuchten模型[12]，土水特性關(guān)系可以描述為

(2)

式中：Θw為任意時(shí)刻土體體積含水量，cm3/cm3；Θr為殘余含水量，cm3/cm3；Θs為飽和含水量，cm3/cm3，其大小與土體孔隙率相等。

式(2)反映了降雨過程中非飽和土體含水量的變化情況，任意時(shí)刻的含水量大小除了與最大含水量和殘余含水量有關(guān)以外，還與土體內(nèi)部的負(fù)孔隙水壓力大小有關(guān)。

1.2 非飽和土力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

地下水使得土體各點(diǎn)產(chǎn)生了不同性質(zhì)(正孔壓和負(fù)孔壓)和大小的孔隙水壓力，在浸潤線以下土體處于飽和狀態(tài)，各點(diǎn)孔隙水壓力為正值，而浸潤線以上土體則處于非飽和狀態(tài)，各點(diǎn)的孔隙水壓力小于0。根據(jù)有效應(yīng)力原理[13]：

σ′=σ-uw

(3)

σ′=σ-uaσ+χ(ua-uw)

(4)

式中：σ′為有效應(yīng)力，kPa；σ為總應(yīng)力，kPa；uw為孔隙水壓力，kPa；ua為孔隙氣壓力，kPa；χ為有效應(yīng)力系數(shù)，取1。式(3)為飽和土體的有效應(yīng)力原理，式(4)為Bishop提出的非飽和土體有效應(yīng)力強(qiáng)度原理。以上兩個(gè)公式表明，在非飽和土中，負(fù)的孔隙水壓使得土體的有效應(yīng)力大于總應(yīng)力，而土體的抗剪強(qiáng)度與有效應(yīng)力呈正相關(guān)性，從而負(fù)孔壓增加了土體的抗剪強(qiáng)度，有利于土質(zhì)邊坡的自穩(wěn)；在浸潤線以下土中，孔隙水壓力為正值，使得有效應(yīng)力小于總應(yīng)力，削弱了土體的抗剪強(qiáng)度，不利于土質(zhì)邊坡的自穩(wěn)。

從微觀角度分析，地下水在土顆粒間有潤滑的效果，使得相鄰?fù)令w粒的滑移更加容易；從宏觀上分析，水的作用使得土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，表現(xiàn)為軟化現(xiàn)象。一些學(xué)者[3，14]對(duì)該問題進(jìn)行了深入研究，并得到了非飽和土的土體強(qiáng)度指標(biāo)與飽和度的關(guān)系。

文獻(xiàn)[14]通過非飽和土直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)非飽和土體的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與土水特性曲線的分析結(jié)果完全吻合，表明非飽和土力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果與土水特性關(guān)系的分析結(jié)果具有一致性。文獻(xiàn)[15]甚至采用非飽和土強(qiáng)度指標(biāo)反演土水特性關(guān)系曲線，因此在非飽和土的模擬分析中，同時(shí)考慮強(qiáng)度參數(shù)與飽和度關(guān)系、土水特性曲線是對(duì)同一個(gè)問題的重復(fù)性考慮。本文采用土水特性關(guān)系分析降雨入滲所形成的飽和與非飽和區(qū)，得到邊坡內(nèi)部基質(zhì)吸力的大小。但注意到由于土體基質(zhì)吸力的最大值與土性、土體組成結(jié)構(gòu)有關(guān)，顆粒越細(xì)小，基質(zhì)吸力最大值也會(huì)增大。由于缺少全風(fēng)化凝灰熔巖、坡積粉質(zhì)黏土的基質(zhì)吸力研究成果，本文在飽和、非飽和區(qū)域基礎(chǔ)上，分別采用不同的強(qiáng)度參數(shù)對(duì)飽和、非飽和區(qū)進(jìn)行賦值，來模擬不同降雨時(shí)間洞口仰坡的安全性變化過程。

2 工程案例

董奉山隧道口位于福州市長(zhǎng)樂區(qū)，是一座4洞分離式公路隧道，隧道平均長(zhǎng)度約4 059 m，屬于特長(zhǎng)隧道(公路隧道大于3 km)。隧道地質(zhì)以坡積粉質(zhì)黏土和全風(fēng)化凝灰熔巖為主，巖土體強(qiáng)度較低，遇水后巖土軟化，而且隨著含水量(飽和度)的增加強(qiáng)度指標(biāo)逐漸降低，如表1所列。由于隧址屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，離海岸較近，因此該區(qū)域降雨十分充沛，同時(shí)，隧道洞口處于董奉山山腳處，隧道開挖前屬于山腳匯水區(qū)，因此隧址的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件復(fù)雜。

表1 力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

該區(qū)域地貌上屬于戴云山東北段的丘陵地貌。大地構(gòu)造位置上屬于閩東火山斷坳帶中部，出露的地層主要為晚侏羅世南園組第二段和第三段(J3n2和J3n3)。根據(jù)鉆孔揭露，隧址區(qū)上部為第四系殘坡積層，下伏基巖為侏羅系南園組凝灰熔巖及其風(fēng)化層。

圖1 工程地質(zhì)剖面

暗洞施工采用新奧法施工原理，堅(jiān)持“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、快封閉”的原則。董奉山隧道設(shè)計(jì)上采用4洞并行方案，在洞口段每相鄰兩洞之間凈距為12.9～17.0 m，屬于小凈距結(jié)構(gòu)形式，在考慮施工安全，保證施工質(zhì)量及施工組織有效協(xié)調(diào)的情況下，輔路隧道左右洞應(yīng)先行進(jìn)洞施工，較主路隧道形成先行洞。

根據(jù)區(qū)域氣象資料，該區(qū)域24 h最大降雨量為242 mm，為了分析隧洞邊坡的最不利工況，將該降雨量作為模擬的邊界條件，分析不同時(shí)刻隧洞內(nèi)地下水位的變化情況，從而計(jì)算不同時(shí)間、空間土體的孔隙水壓和孔隙氣壓大小。按照非飽和土體的有效應(yīng)力原理，得到了土體在不同時(shí)刻的抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而得到了不同時(shí)刻隧洞邊坡的穩(wěn)定性情況。

2.1 隧址區(qū)非飽和土力學(xué)指標(biāo)

采用室內(nèi)直剪試驗(yàn)方法，測(cè)得董奉山隧址區(qū)坡積粉質(zhì)黏土和全風(fēng)化凝灰熔巖飽和度分別為0.3，0.6和1.0，如表1所列。

根據(jù)表1強(qiáng)度指標(biāo)，結(jié)合文獻(xiàn)[3，10]中的曲線類型，擬合得到了董奉山隧址區(qū)兩種主要土的內(nèi)摩擦角和黏聚力隨飽和度的關(guān)系曲線。

坡積粉質(zhì)黏土：

(5)

(6)

全風(fēng)化凝灰熔巖：

(7)

(8)

2.2 明洞段開挖

根據(jù)勘察地質(zhì)資料，隧址邊坡主要有全風(fēng)化凝灰熔巖和坡積粉質(zhì)黏土，兩種土體的滲透性系數(shù)低，土體排水速度慢。隧洞明洞段開挖深度小、開挖作業(yè)面多、施工速度快。

當(dāng)明洞開挖速度較快時(shí)，土體內(nèi)部的水來不及排出或者排出量不足以改變整個(gè)地下水的分布情況，因此忽略該階段土體內(nèi)的排水和地下水位的變化，開挖后土體內(nèi)的浸潤線與開挖前相同。

采用三維有限元分析方法分析明洞段開挖后地下水滲流場(chǎng)，地面以下2 m為穩(wěn)定區(qū)域，取初始地下水位，明洞段開挖坡腳為開挖區(qū)域出水點(diǎn)。

圖2 明洞開挖后浸潤線-孔隙水壓力分布

根據(jù)水位線位置，將坡積粉質(zhì)黏土層分為兩層，浸潤線以上部分按照干土處理，其飽和度為Sr=0；浸潤線以下土體視為飽和狀態(tài)，其飽和度Sr=1，按照式(5)～(8)的函數(shù)關(guān)系，得到各土層浸潤線上下的強(qiáng)度參數(shù)。基于材料莫爾-庫侖強(qiáng)度破壞理論，采用強(qiáng)度折減法得出開挖后邊坡穩(wěn)定性情況如圖3所示。

圖3 明洞開挖后隧洞仰坡穩(wěn)定性情況(FS=0.993)

圖3分析結(jié)果表明，在坡積粉質(zhì)黏土和全風(fēng)化凝灰?guī)r中快速開挖時(shí)，隧道洞頂邊坡穩(wěn)定性為0.993，小于1.0，屬于不穩(wěn)狀態(tài)，邊坡容易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。因此當(dāng)快速進(jìn)行坡積粉質(zhì)黏土段開挖時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取一些工程措施，或者控制好施工速度，及時(shí)將邊坡地下水排出。分析結(jié)果表明，當(dāng)施工速度緩慢，讓坡體內(nèi)部水及時(shí)排出或者引出來后，其邊坡穩(wěn)定性系數(shù)最大可以提升至1.366，達(dá)到安全的標(biāo)準(zhǔn)。具體施工速度尚應(yīng)結(jié)合土體的滲透特性進(jìn)行深入的分析。

2.3 隧洞暗挖洞口仰坡地下水的變化情況

暗洞段隧道施工工序復(fù)雜，施工速度緩慢，故認(rèn)為在隧道開挖過程中，土體內(nèi)部水可以通過隧道側(cè)面和徑向?qū)着懦鰜?。周邊土體可以得到有效的排水固結(jié)，開挖后浸潤線如圖4所示。

模擬結(jié)果表明(見圖5)，隨著隧道掌子面的向前推進(jìn)，隧道二襯與圍巖間預(yù)留的徑向和軸向?qū)壮蔀榱说叵滤判雇ǖ?。由于該隧道屬于淺埋隧道，洞頂范圍內(nèi)的地下水被有效引流，洞口邊坡處于較干狀態(tài)，此時(shí)邊坡最小安全系數(shù)為1.366。

2.4 降雨入滲與地下滲流場(chǎng)分析

實(shí)際過程中洞頂邊坡并非處于完全干涸狀態(tài)，在長(zhǎng)期的施工過程中，大氣降雨是洞頂邊坡的主要給水來源。根據(jù)福州市氣象資料，該區(qū)域最大日降雨量為242 mm/d，將該雨量平均加載到模型邊界上，則為2.8×10-6m/s。

隨著降雨的持續(xù)，大氣降雨逐步滲入地下，邊坡表面土體由干涸狀態(tài)向非飽和狀態(tài)、飽和逐步過渡，整個(gè)過程中其體積含水量和基質(zhì)吸力是存在一定的關(guān)聯(lián)。根據(jù)非飽和土滲透特性，按照van Genuchten模型[6]，得到了邊坡在降雨過程中地下水的變化情況，如圖6～7所示。

圖6 降雨過程中地下滲流場(chǎng)

圖6是降雨持續(xù)20 h邊坡內(nèi)各點(diǎn)地下水的入滲情況，該圖顯示在距離地表、坡面一定距離的地方，大量的降水入滲到地面以下成為地下水。由于原地下水埋深較淺，因此遠(yuǎn)離隧道區(qū)域的地下水和地表降雨已經(jīng)形成了水力聯(lián)系，但是洞頂邊坡上只是形成了一定厚度的飽水層。隨著降雨時(shí)間的持續(xù)，飽水層的厚度不斷增加，同時(shí)飽水帶內(nèi)的負(fù)孔隙水壓力也逐漸減小，如圖7所示。

圖7 洞口一定范圍內(nèi)孔隙水壓力-降雨時(shí)程曲線

2.5 邊坡動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析結(jié)果

根據(jù)式(3)～(4)，隨著土體負(fù)孔隙水壓力逐漸降低，土體有效應(yīng)力也逐漸下降，其有效抗剪強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。與此同時(shí)，隨著飽水區(qū)域的不斷擴(kuò)大與延伸，邊坡坡面附近的軟化區(qū)域逐漸增加，不利于坡面的自穩(wěn)。根據(jù)2.3節(jié)中地下水的分析結(jié)果，結(jié)合軟化區(qū)域巖體強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律，分別計(jì)算邊坡在持續(xù)降雨2～20 h時(shí)，洞頂邊坡的最小安全系數(shù)如圖8所示。

圖8 最小安全系數(shù)-降雨時(shí)間關(guān)系曲線

當(dāng)降雨時(shí)間持續(xù)2 h時(shí)，洞頂邊坡的最小安全系數(shù)為1.254，仍滿足規(guī)范的要求；當(dāng)降雨持續(xù)時(shí)間為8 h時(shí)，邊坡的最小安全系數(shù)為1.110，此時(shí)仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)，但其安全儲(chǔ)備已經(jīng)小于規(guī)范要求；當(dāng)降雨持續(xù)時(shí)間為10 h時(shí)，邊坡的最小安全系數(shù)為1.049，邊坡進(jìn)入極限平衡狀態(tài)；當(dāng)持續(xù)降雨時(shí)間為18 h時(shí)，邊坡最小安全系數(shù)為0.994，邊坡進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。

隧址區(qū)位于董奉山山腳位置，雖然洞口附近地形平坦，但是受到山脊分水嶺范圍的匯水影響，除了洞口仰坡范圍內(nèi)直接大氣補(bǔ)給外，還受到山體匯水的影響，由于該部分內(nèi)容不容易量化分析，在模擬過程中忽略了地表匯水對(duì)邊坡的影響，因此實(shí)際過程中邊坡所處的環(huán)境比模擬情況更加復(fù)雜、承受的安全風(fēng)險(xiǎn)也更大。

3 結(jié) 論

洞口邊坡的失穩(wěn)是軟土地區(qū)隧道開挖時(shí)常見的地質(zhì)災(zāi)害之一。本文針對(duì)軟土地區(qū)隧道開挖時(shí)地下水的變化特征、土體力學(xué)特性關(guān)系，考慮了施工影響和大氣降雨兩種因素，分別得到了不同狀態(tài)下洞口邊坡的穩(wěn)定性情況，具體結(jié)論如下：

(1)軟黏土的強(qiáng)度參數(shù)隨飽和度(含水量)增加近似成反比例降低。通過室內(nèi)試驗(yàn)，確立了坡積粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化凝灰熔巖的強(qiáng)度指標(biāo)與飽和度之間的數(shù)學(xué)的關(guān)系。關(guān)系曲線表明，隨著飽和度(含水量)的增加，土體的強(qiáng)度指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)性。

(2)軟黏土明洞段快速開挖不利于隧洞洞口邊坡的自穩(wěn)。該隧道軟黏土的滲透系數(shù)很小，當(dāng)明洞開挖速度過快時(shí)，土體內(nèi)部的滲流場(chǎng)來不及調(diào)整，此時(shí)洞口邊坡的最小安全系數(shù)為0.993，邊坡處于不穩(wěn)狀態(tài)。

(3)暗洞段的隧道開挖有利于洞頂土層的排滲和邊坡穩(wěn)定。在隧道洞口附近，通過預(yù)設(shè)徑向和軸向?qū)祝梢悦黠@降低洞頂土層的含水量從而提高邊坡的穩(wěn)定性。

(4)長(zhǎng)時(shí)間的大氣降雨不利于洞口邊坡的自穩(wěn)。強(qiáng)降雨小于2 h時(shí)，董奉山隧道洞口邊坡能夠維持穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到10 h時(shí)址體進(jìn)入極限平衡狀態(tài)，超過18h時(shí)進(jìn)入破壞狀態(tài)。