某隧道边坡稳定性研究

周业萍 常 嘉

(武汉地铁集团有限公司，湖北武汉 430030)

0 引言

边坡问题无论是在施工过程中还是在工程建成后，边坡失稳问题一直威胁着工程的质量。因此对边坡稳定性的研究，历来是工程技术人员非常关心的课题。而目前运用刚体极限平衡法能够比较容易地处理各种复杂的几何形状和各种类型的边界条件，解决难以用解析法求解的力学问题。因此，它成为解决复杂岩土体力学问题的有力工具。

本文围绕某隧道边坡稳定性，在工程地质调查的基础上，进行边坡地质模型概化与试验参数研究，运用刚体极限平衡法对边坡在不同工况下的稳定性进行计算，最终对该隧道边坡稳定性进行综合分析与评价，并为进一步探讨该隧道边坡的加固方案提出了合理建议。

1 工程概况

在建的某隧道是某高速公路重要控制工程之一，隧道上方边坡工程主要为岩质挖方路堑边坡，该边坡岩石力学性质较差。随着隧道的开挖可能导致其上方边坡发生严重变形甚至破坏。因此有必要对其进行系统性的稳定性研究。

1.1 区域地质背景

边坡区内构造形迹以NNE向为主。工程场区位于养长河背斜北西翼，其周边5 km2范围内没有大的断层出露，岩层产状总体稳定，约330°∠40°。在桥址周围发育众多不同形态的结构面(包括裂隙面和层面)，这些结构面对桥头边坡稳定性起控制作用。

研究区主要出露三叠系下统大冶组碳酸盐岩地层，另外在河床底部出露有一定厚度的冲洪积层。

1.2 气象与水文地质

研究区属潮湿气候温暖区，春早、夏热、秋雨绵绵，冬暖而多雾，无霜期长，气候温暖湿润，雨量充沛。地下水主要为岩溶裂隙水和松散堆积体孔隙水。地下水补给主要靠大气降水，且大多以地表径流的方式向河谷区排泄。

2 边坡变形破坏现状

目前，边坡岩体受构造、侵蚀、风化、卸荷及人类工程活动影响，局部地段有明显的变形破坏迹象，随着裂隙面规模逐渐扩大，力学特性逐渐开始弱化，并逐步形成裂隙带、软弱层面、层间软弱带。

同时，因20世纪70年代修建水电站而开挖的引水渠，致使在坡脚带形成了高3 m～8 m不等的临空面，临空面以上块体不能自稳，进而发生顺层面或裂隙面的滑动破坏，其中部分岩体的失稳又会带动周边块体的渐进性失稳、破坏。而随着隧道施工的进行，坡体将可能由于坡脚的破坏、坡体自重、动水压力及其他荷载共同作用下发生进一步的失稳。

3 边坡稳定性分析

为了对边坡稳定性进行合理分析与评价，考虑边坡的潜在变形破坏以顺层破坏为主，故选取走向与岩层倾向一致的工程地质剖面，按最不利组合模式，剖面中共有3个代表性潜在滑移体，其位置形态如图1所示。

3.1 计算参数选择

控制性结构面的抗剪强度参数是边坡稳定性计算的关键指标之一，滑动面的剪切强度参数通常依据以下三种数据来确定，即试验数据、极限状态下的反算数据和经验数据。

本文根据现场采集代表性结构面样和岩块样，基于室内试验，分析这些样本在天然和饱水状态下的物理力学参数，并确定饱水参数和天然参数之间的相关关系。由于室内试验存在尺度效应和时间效应等问题，其成果往往难以直接应用到工程稳定性评价及治理设计中，所以在本次研究中还开展了反演分析，并参照了现有规程规范给出的经验参数，以及以往的工程经验，最后综合确定了控制性结构面抗剪强度参数取值。

3.2 稳定性计算与评价

根据前期勘察资料与地质模型，可以概化出如图2所示的极限平衡分析计算模型。其中图2a)～图2c)为剖面1中的潜在滑移体，编号分别为1-1，1-2和1-3。

由于传递系数法适用于滑面为任意形状的滑体，并可考虑坡体自重、暴雨和地震等荷载及各个滑块不同抗剪强度参数的影响。因此，本文针对两种工况对潜在滑移体稳定性系数进行计算，两种工况如下:

工况1:当前天然状态;工况2:坡脚开挖+暴雨+地震工况(最不利工况)。

经计算，最终得到稳定性系数计算结果，如表1所示。从表1可以看出，边坡目前条件下整体稳定性较好，同时该边坡在暴雨状态下稳定性较差，需要采取相应的防护措施。

表1 边坡稳定性系数计算结果表

4 结语

本文通过对某隧道顺层边坡岩体变形模式分析，并基于刚体极限平衡法计算了不同工况条件下的安全系数，得出如下结论和建议:

1)边坡的潜在变形破坏模式有两种:

其一是单纯的顺层面向临空面的滑移破坏;

其二是部分顺层面、部分剪切岩体的组合破坏。

2)通过宏观地质调查和数值计算结果表明:自重荷载作用下，隧道边坡变形相对均匀，变形主要以沉降为主，边坡整体稳定性较好，隧道的开挖会导致边坡稳定性一定程度降低，而暴雨工况会进一步导致边坡稳定性显著降低。基于以上情况，建议消除边坡的临空面，加强边坡的截排水工程以增加边坡稳定。

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