隧道洞口临近边坡三维稳定性评价分析

肖兴旺， 许　术， 董　城， 刘　卓

(1.湖南省永龙高速公路建设开发有限公司， 湖南 永顺　416700;　2.湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙　410015)



隧道洞口临近边坡三维稳定性评价分析

肖兴旺1， 许术1， 董城2， 刘卓2

(1.湖南省永龙高速公路建设开发有限公司， 湖南 永顺416700;2.湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙410015)

摘要：结合现场探勘资料及隧道仰坡三维形态图，采用ABAQUS有限元模拟软件建立了某隧道洞口临近仰坡的三维有限元模型；结合强度折减技术，通过边坡工程地质、水文地质现状调查及边坡整体稳定性验算，得到了隧道仰坡的安全系数。并将计算结果与现有研究方法进行了对比验证。研究表明：基于边坡实际三维形态的ABAQUS分析边坡安全系数满足相关规程要求，但考虑到边坡岩土参数离散性及强降雨等不利因素，建议定时监测，并及时采取加固措施进行加固；进一步针对边坡现有情况提出较为合理的隧道仰坡加固措施建议方案，为隧道洞口临近仰坡及隧道安全提供保证。

关键词：隧道仰坡； ABAQUS； 强度折减技术； 稳定性分析； 安全系数

0前言

铁路隧道洞口临近仰坡稳定性对隧道安全性运营至关重要，对行车安全有较大影响。以往此类问题常当作边坡稳定性分析进行处理。一般分两类：理论研究方面，瑞典条分法、简化Bishop法、Janbu法等极限平衡分析方法最为常用。Chen[1]提出的基于极限分析上限法边坡稳定性分析方法也得到逐步应用；数值模拟方面，徐文杰等[2]运用有限元强度折减法及离散元法分析边坡稳定性，两种方法的滑动面基本一致；郑颖人等[3]采用有限元强度折减法对岩质边坡破坏机制进行了数值模拟分析，并验证了该方法的可行性；张立舟[4]、李春忠等[5]及杜明庆等[6]结合强度折减技术采用有限元软件ABAQUS分析了边坡稳定性。这些分析能够给研究隧道洞口邻近边坡稳定性提供有益参考。

但国内外学者也逐渐意识到将隧道洞口邻近边坡简化为单纯边坡稳定性并不完全合理。兰旭[7]依托十白高速公路花石沟隧道工程，对隧道洞口仰坡进行了动态数值模拟，由于安全系数小于1，从而采用锚固喷浆及抗滑桩加固等措施加强其稳定性；龙浪波等[8]结合宜万铁路白龙坝隧道洞口边坡破坏过程中所显现出的特点，以有限元计算为手段，通过数值模拟分析了不考虑动荷载和考虑动荷载两种条件下隧道口边坡的稳定性。但上述研究均没有考虑隧道洞口邻近边坡的三维特性。

基于以上原因，本文基于强度折减技术，采用有限元软件ABAQUS建立实际三维分析模型，对隧道洞口临近边坡稳定性进行了数值模拟及理论计算，得到了隧道洞口临近仰坡的安全系数及滑动面。并将计算结果与二维假定的瑞典条分法、简化Bishop法、Janbu法及极限分析上限法进行对比论证其有效性。同时根据隧道洞口临近仰坡现有情况提出较为合理及经济的加固措施建议方案，为边坡稳定性评价提供有效手段。

1工程概况

某铁路路基边坡为有隧道的堑坡，长约220 m，之间有长约70 m的隧道。隧道仰坡和路堑坡体表面植被茂盛，坡体多大型阔叶乔木和低矮灌木。堑坡所在区域属于中亚热带季风湿润气候区，严寒期短，春早回暖快，春夏多雨，夏末秋后多旱，具有独特的山区立体气候。近十年来，年均降水1295 mm左右。

坡体处于中低山区丘陵地貌区。山顶圆锥形，山脊线呈波状起伏。坡面植被发育，多灌木丛和乔木，主要为蕨类植物、常年生灌木丛。该处隧道区间山体的最大高差为43 m，进口端隧道仰坡可分为3段，水泥喷浆段，坡高约13 m，坡比约1∶1.7，坡顶有片石天沟和挡墙；土质护坡段下部，坡高约6.3 m，坡比约1∶1.2；土质护坡段上部，坡高约6 m，坡顶有天沟，沟底有淤积物。出口端隧道仰坡分为2段，水泥喷浆段坡高12 m，坡比约为1∶0.6；土质护坡段坡高约15 m，坡比约为1∶1.7。上行线右侧路堑坡高15～20 m，坡比约为1∶0.8，坡脚有高度约0.8 m的片石挡墙；下行线左侧路堑高30～43 m，坡比约为1∶0.7，坡脚有高度为0.3～0.8 m的挡墙，局部有片石护坡。如图1。

a) 隧道进口端

b) 隧道出口端

该地区处于湘浏盆地，盆地内广泛分布着白至系砾岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩等软质岩石，具有成岩差，易风化、崩解等特殊性质。边坡坡顶覆盖层厚度不均匀(0.30～2 m)；坡顶残积土覆盖层厚度不均匀；下伏基岩主要为石英砂岩、砂质泥岩，表层裸露部分为强风化岩体，呈灰褐色，锤击声较哑，岩质较软；节理裂隙发育，节理裂隙内含泥量较少，岩体较破碎。

进口端隧道仰坡在水泥喷浆支护上部有一宽度约0.7 m的片石天沟，两侧有宽0.6 m的吊沟，沟底有树叶等淤积物，但对其排水基本无影响，挡墙的排水孔基本通畅，排水较好；坡顶有宽度约为0.6 m的片石天沟，淤积物较多，较大程度上失去排水作用。出口端隧道仰坡和路堑边坡坡顶无天沟，雨水通过坡面直接排走。坡底排水沟盖板被道砟覆盖，影响排水速度，可导致路肩积水；排水沟出水口被道砟阻塞，排水作用不明显。

进口端隧道仰坡下部约13 m区段坡面支护形式为水泥喷浆护坡，坡面有少量裂缝。仰坡上部约13 m区段坡面为土质边坡，坡体多被高大乔木和低矮灌木所覆盖，坡底有高约1.8 m的片石挡墙，挡墙结构基本完整。出口端隧道仰坡下部约12 m区段和洞门两侧坡面水泥喷浆护坡，坡面完整未见明显裂缝。仰坡上部为土质边坡，坡体多高大乔木和低矮灌木。上下行的左右侧路堑除下行左侧局部有片石护坡外基本为揭露处的风化岩边坡。

水泥喷浆坡面基本无植被覆盖，土质边坡有较多大型乔木和灌木丛，当覆土层较厚时植被对土体有一定的加固作用，但是当覆土层较薄时，大型植被的根系直接作用在风化岩上可能会加快岩体剥落，甚至导致大块岩体滚落。

2数值计算

2.1岩土参数评估

综合以上实地勘测资料，并参考水利水电出版社《岩石力学参数手册》(1991)，对该边坡岩土参数进行预估，结果如表1所示。

表1 边坡岩土材料计算参数分层层厚/m密度D/(g·cm-3)弹性模量E/MPa1路基以上2.1 20002路基以下2.3 25003隧道衬砌及洞门2.5210004片石护坡2.5 5000泊松比v内聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)渗透率/(10-7)孔隙比0.33 60301 1.50.3 100340.51 0.2 ————0.25————

2.2基于ABAQUS数值计算模型

本文采用有限元模拟软件ABAQUS开展路堑边坡稳定性分析，为路堑边坡防护与加固设计提供参考。参考地形地貌测量结果，建立该边坡有限元模型如图2所示。

a) 整体计算模型

b) 隧道计算模型

该计算模型总长度为290 m，自铁路线至隧道入口90 m，自出口往路线方向取130 m。路基面往下取15 m，两端自坡脚往边坡方向各取90 m。进口左侧边坡坡角约为55°，右侧边坡坡脚约为45°。

由于考虑边坡渗水作用，坡体单元采用三维八节点孔压单元和四面体缩减积分孔压单元，隧道采用三维八节点六面体单元。共划分85704个单元，86369个节点。

3计算结果、分析及对比分析

3.1基于ABAQUS的计算结果

3.1.1应力云图及位移云图

实际边坡在长期自重作用下已经达到自身平衡。在ABAQUS中，由于重力作用会对边坡产生竖向沉降，给滑动面观察造成困难。因此首先需要进行地应力平衡计算以消除重力的影响。自重应力作用下的位移与最终位移云图如图3所示。

从图3可知，该边坡潜在滑动面自坡脚延伸贯通至坡顶，滑动面为圆弧状。滑动主要在线路左侧。浆砌片石护坡对边坡有一定的保护作用。

3.1.2安全系数

采用强度折减法，当强度折减到某一数值时，计算过程中将会出现位移拐点。将计算过程中边坡顶点出现位移突变视为边坡失稳，绘制安全系数-位移曲线如图4所示。

a) 自重作用下的应力云图

b) 最终位移云图

图4　总位移随强度折减系数变化关系

由图5和图6可知，随着折减系数的增加，边坡塑性区不断扩展，当折减系数为1.3时，边坡塑性区贯通，边坡稳定性处于临界状态，分析结果与数值模拟位移结果一致。

图5　折减系数为1.1时的塑性区

图6　折减系数为1.3时的塑性区

3.1.3滑动面

在边坡稳定性分析中，需要确定滑动面的位置。由于第一步分析中进行了地应力平衡计算，消除了重力作用对边坡位移的影响，因此从位移等值线云图(图7)可清楚地判断滑动面的位置。从图中可知，滑动面大致呈圆弧状，通过边坡坡脚点。滑动面圆弧半径为30 m左右。滑动面到坡面最大垂直深度约为11 m。

图7　位移等值线云图

3.2对比分析

基于ABAQUS、岩土理正及理论计算结果对比分析见表2和图8。

表2 对比分析表数值模拟现有方法ABAQUS瑞典条分法简化BishopJanbu极限上限法1.31.1771.2181.2361.223

图8　对比分析图

从表2和图8可知，5种方法计算的安全系数和边坡滑动面有一定相差。极限分析上限法计算的安全系数比瑞典条分法、简化Bishop法计算结果大，而比ABAQUS有限元法及Janbu法计算的安全系数小。其中，基于边坡实际三维形态的ABAQUS有限元法计算结果偏大，这与工程实际中三维实际形态引入后两侧约束效应的影响有关。

4加固措施建议方案

基于现场踏勘、岩土参数的预估以及数值分析获得的滑坡体几何特征，经过优化比选，提出如下预加固建议方案。

4.1上下行左右侧预加固方案

选取高硫铝土矿试样，参照GB/T 2007.1—1987、GB/T 2007.2—1987制样，过75μm(200目)筛网，并在(110±5)℃烘箱内烘约2h，置于干燥器内，冷却，备用。

1) 路基堑坡覆土层较薄，揭露为强～中风化泥质砂岩，岩体自身稳定性较好，建议在岩体裸露处挂网喷浆，防止岩石继续风化，依靠围岩自身稳定性保持堑坡稳定；

2) 建议在堑坡坡顶增设排水沟，减小雨水对坡体冲刷；

3) 对根系发达的大型植被进行砍伐，防止风化岩在根系力和雨水作用下剥落、掉块。

4.2隧道仰坡预加固方案

1) 隧道仰坡上部覆土层较厚，拟采用网格梁+排水孔的联合支护形式对该边坡进行预加固；

2) 网格梁： 网格梁截面尺寸为0.3 m×0.3 m；网格梁内采用喷射砼封闭，喷射砼厚150 mm，砼标号为C20；

3) 排水孔： 每个梁格内设置2个排水孔，排水管采用φ100软式透水管制作，长度3 m。

5结论

针对隧道仰坡，本文通过ABAQUS建立了三维有限元分析模型，并将计算结果与二维瑞典条分法、简化Bishop法、Janbu法及极限上限法进行对比分析，进而进行稳定性分析。得出以下主要结论：

1) 基于边坡实际三维形态的ABAQUS分析边坡安全系数满足相关规程要求，但考虑到边坡岩土参数离散性及强降雨等不利因素，建议定时监测，并及时采取加固措施进行加固。

2) 基于ABAQUS分析软件滑动面大致呈圆弧状，并通过边坡坡脚。滑动面圆弧半径为30 m。滑动面到坡面最大垂直深度约为11 m。

3) 针对边坡现有情况、数值模拟及理论分析，采用了较为经济合理的的加固方案，增强了边坡稳定性。

参考文献：

[1] Chen W F. Limit analysis and soil plasticity[M]. Amsterdam: Elsevier,1975.

[2] 徐文杰, 胡瑞林, 岳中琦,等. 虎跳峡龙蟠右岸边坡稳定性的数值模拟[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2006(11):1996-2004.

[3] 郑颖人, 赵尚毅, 邓卫东. 岩质边坡破坏机制有限元数值模拟分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2004, 22(12):1943-1952.

[4] 张立舟, 瞿嘉玮, 邓湘波,等. 极限平衡Morgenstern-Price法与有限元ABAQUS法在边坡稳定性评价中的应用[J]. 重庆理工大学学报(自然科学版), 2013, 27(6):23-27.

[5] 李春忠, 陈国兴, 樊有维. 基于ABAQUS的强度折减有限元法边坡稳定性分析[J]. 防灾减灾工程学报, 2006, 26(2):207-212.

[6] 杜明庆, 王旭春, 王宁. 基于ABAQUS强度折减法的边坡稳定性分析[J]. 青岛理工大学学报, 2012, 33(4):10-14.

[7] 兰旭. 花石沟隧道洞口仰坡数值模拟及其稳定性分析[D].武汉：华中科技大学, 2012.

[8] 龙浪波. 隧道洞口段边坡稳定性研究及数值分析[D].成都：西南交通大学, 2009.

中图分类号：U 453.1

文献标识码：A

文章编号：1008-844X(2016)01-0117-05

作者简介：肖兴旺(1973-)，男，高级工程师，主要从事高速公路建设管理工作。

基金项目：交通运输部建设科技项目(2014 318 785 090)；湖南省属科研机构技术创新发展专项项目(20012TF1001);湖南省交通科技项目(201451)

收稿日期：2015-12-30