某隧道洞口边坡的稳定性评价

2020-06-07温广军李翻翻王昱博

工程与建设 2020年6期

温广军，李翻翻，王昱博

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司；公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽合肥 230088；2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009)

0 引言

随着我国高速公路和铁路的不断建设，越来越多的工程建设涉及到边坡治理[1]，边坡的稳定性直接影响工程建设质量的好坏，常见的边坡失稳因素主要有地震作用、暴雨及河流冲刷以及开挖扰动等。如何针对边坡失稳机制采取有效的加固措施，是边坡治理的热点问题之一。

刘君[2]针对杜儿坪矿高边坡的工程地质条件，采用Sarma法对该边坡稳定性进行分析，并提出了相应的加固措施。陈晓平等[3]采用Bishop圆弧滑动法对某软岩高边坡在天然状态、残余强度状态及湿化状态下的稳定性进行了分析，其分析结果表明边坡开挖后由于土体卸载导致边坡土体强度降低，使得边坡的稳定性降低，开挖后降雨入渗使得表层土体软化，强变发生衰减，边坡稳定性进一步降低，开挖后当边坡表层土体达到残余强度，或边坡开挖后边坡表层土体达到湿化强度，采用表层的喷锚支护措施无效。巩留杰[4]在传统极限平衡分析法的基础上，借助有限元对边坡整体稳定性进行了分析和研究，得出了加筋材料、加筋距离及加筋总量等因素对边坡稳定性的影响。沈宝堂等[5]在边坡破坏机制的研究中采用了离散元法，成功揭示了边坡的破坏机制，并指出了块体边坡内应力分布不连续且存在应力核的现象。

目前针对露天矿、公路等高边坡的分析结果已有很多[6-9]，但是针对隧道洞口的高边坡的研究尚需进一步加强。本文将采用ANSYS等数值模拟软件对某隧道洞口高边坡进行三维建模，并对边坡天然状态下、暴雨状态下及边坡加固前后的稳定性进行分析，针对分析结果对边坡的加固方案进行评价。

1 工程概况

某隧道洞口段轴线方向约204°，洞口位于斜坡地段，斜坡坡向约22°，自然坡度约35°，与地形等高线基本正交。该段第四系覆盖层主要为碎石、块石，下伏基岩为强风化泥灰岩等，节理裂隙发育，岩体破碎，岩层产状为105°∠13°，主要发育两组节理裂隙，即J1： 285°∠84°、J2：200°∠60°。洞口边、仰坡坡体主要由第四系覆盖层碎石、块石组成。左、右线隧道洞口仰坡、左侧边坡及右侧边坡为土质边坡，土质类型为崩积成因中密-密实状块石、碎石，多为泥质充填，自稳能力差，抗冲刷能力弱，对边坡、仰坡稳定不利，属于不稳定型土质结构边坡；在无坡面防护或无超前支护措施、不恰当的爆破施工、坡比较陡、地表水冲刷等情况下，边坡岩土体易产生滑塌、坍塌、碎落。

2 计算模型与方案设计

2.1 模型建立

针对ANSYS等数值模拟软件的特性，选择利用ANSYS软件强大简单的建模功能进行模型的建立，利用ANSYS智能划分网格功能对模型进行合理的网格划分。隧道洞口边坡三维计算模型如图1所示，离散后的计算模型四面体单元数为637 988个，节点数109 732个。计算模型的边界效应已考虑，故模型四周及底部均采用位移约束，地表为自由面，应力场由岩体自重引起。

图1 隧道洞口边坡三维计算模型

2.2 计算方案设计

本隧道洞口岩堆边坡稳定性数值计算采用ANSYS分析软件，通过显式积分算法对网格中的节点进行随时步的进代计算，该程序能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为，特别适用于分析渐进破坏和失稳以及模拟大变形。

在自然状态、暴雨状态和地震状态3种工况下，为模拟隧道洞口边坡自然边坡、开挖过程及工后地震状态下的洞口边坡稳定性情况，共31种工况开展模拟分析，其中左、右隧洞泥灰岩、碎石层分别分两层开挖及加固，上下层及左右洞间分别错开40 m左右，并根据设计要求，隧洞自昭通端向麻柳湾端单向开挖，左隧洞超前右隧洞40 m以上，工后地震条件下的洞口边坡稳定性按地震+暴雨条件的最不利状态下模拟。

2.3 计算参数选取

根据《公路工程地质勘察规范》和其他边坡、滑坡规范，在反算边坡强度参数时：①对于基本稳定边坡，安全系数应该高于1.05～1.10；②对于临滑状态的边坡，取安全系数为0.95～1.05；③对于欠稳定的边坡，安全系数为0.90～0.95；④对于不稳定的边坡，安全系数低于0.90。结合定性分析和现场情况，通过参数反演，参照《工程地质勘察说明书》，参数的选取见表1、表2。

表1 某隧道洞口边坡岩体基本力学参数(天然工况)

表2 某隧道洞口边坡岩体基本力学参数(暴雨工况)

3 稳定性分析评价

根据设计计算方案，对隧道边坡在天然状态、暴雨状态、地震状态下不同工况的岩堆边坡体稳定性进行了数值模拟计算。根据不同工况计算结果，分析岩堆体在天然状态、暴雨状态、地震状态下位移、应力、安全系数等主要参量变化规律，揭示岩堆体不同工况下内在变形破坏特征，为合理做出岩堆体中掘进公路隧洞岩体稳定性评价、指导工程设计与施工、降低生产安全风险提供参考。

3.1 岩堆体变形破坏特征

计算过程中，根据设计监测点位置，对关键点进行了监测数据的计算机自动采集，包括位移与速率监测。结果表明，自然状态和暴雨状态下各工况岩堆体最危险位置监控点位移与速率具有如下变化特征：

(1)左隧洞口边坡岩堆体开挖但不及时支护情况下，最大位移位于左隧洞口左上侧，自然状态下最大位移达到67.01 mm；左隧洞口边坡岩堆体开挖后及时喷锚加固坡面，并施工好挡土墙情况下，最大位移仅6.285 mm，最大位移减小到了十分之一以下。由此说明，开挖对岩堆体变形有较大影响，施工时应根据工程实际情况，实行分步开挖，每步开挖后应尽量做到及时支护、加固等处理，最大限度地降低工程对原有岩堆体的扰动。

(2)岩堆体围岩软弱，通常处于浅埋地段，施工期间早期压力大，围岩变形快，自稳时间短。在泥灰岩(基岩)中掘进隧洞时，位移变化较平缓；左隧洞开挖进入到碎石岩堆层后，岩移速率明显加快，位移增大；到右隧洞贯通后，位移达到了11.72 mm，周边点位移同样有所增大。因此，在岩堆体中掘进隧道，施工过程中应加强前期支护，并做好施工监测工作。

(3)暴雨(饱水)状态下，各工况监控点位移及速率大大提高。左右隧洞均贯通后，最大位移位于左隧洞口左上侧，在暴雨状态下最大位移达到了885.9 mm，位移增大了80倍。可以认为，暴雨(饱水)对岩堆体稳定性具有巨大影响，应避免暴雨期间或暴雨刚过后即进行工程施工，隧洞附近的施工更是如此。