厚层偏压隧道洞口边仰坡稳定性及其预加固技术

张 东, 张 熙, 刘大华, 李恩古, 陈先国

(1.四川公路桥梁建设集团有限公司二分公司，四川成都610200； 2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031； 3. 四川公路桥梁建设集团有限公司公司，四川成都 610200)

隧道洞口段边仰坡失稳主要体现为岩土体滑坡。土质边坡的稳定性一直是公路工程建设中的一个重要研究课题[1-2]。

国内外一些学者已经开始对穿越厚层堆积体浅埋偏压隧道边仰坡稳定性进行初步的研究，隧道洞口施工地表预加固技术也有了很大改进。在洞口边仰坡稳定性的判断方面，冯树仁结合工程经验通过三维极限平衡法对可能的滑移面进行判断，并对边坡稳定性进行分析[3]。张均锋等将二维Janbu条分法进行拓展，利用三维极限平衡法分析坡体稳定性系数以及潜在滑动方向，从而对其稳定性进行分析[4]。刘小兵等采用土坡平衡稳定理论分析了影响边仰坡稳定性的因素，并采用圆弧破坏面转动平衡分析方法确定了边仰坡的加固范围[5-6]。在边仰坡安全系数计算方法上面，郑颖人等采用极限分析有限元法计算出边仰坡的稳定系数[7],朱合华等采用强度折减法分析了隧道开挖对边仰坡稳定性的影响[8]。强度折减弹塑性有限元法将强度折减概念、弹塑性有限元计算原理与极限平衡原理相结合，利用强度折减法分析边坡的稳定性[9-10]。

目前虽然对于边坡稳定性以及加固研究已经比较深入，但对于松散岩堆边坡的研究却比较少。本文运用FLAC3D软件对318国道飞仙关隧道雅安端洞口在不同埋深条件下边仰坡稳定性进行分析，并采用预加固技术确保边仰坡安全稳定，论文研究成果对同类边坡安全稳定性分析具有一定的参考价值。

1 工程背景

飞仙关隧道位于国道318线雅安至二郎山隧道段灾后恢复重建工程A1标段，全长1 608m，其中雅安端进口明洞为单压式明洞，长49m。进口段斜坡地表主要为稍密状块石土，斜坡坡度约为25～30 °，推测斜坡覆盖层厚约10m，表层未见变形迹象。进口段围岩为残坡积块石土，以稍密状为主，厚度约10m，进口浅埋段易出现地表下沉过大或冒顶现象。雅安端洞口段地质条件复杂，穿越了厚层大型松散岩堆体，且同时具有浅埋偏压的特点，因此该隧道从设计到施工修建整个过程必然会在隧道结构的受力、衬砌支护的变形及稳定性控制等方面出现问题。

隧道主要围岩等级为Ⅲ、IV、V级，其中洞口段主要为IV级和V级。局部覆盖层及风化岩岩性松软，强风化岩体破碎，线状或淋雨状出水，大部分岩体较完整，点滴状出水。实际施工中根据隧道洞口、洞身不同的段落和不同的围岩级别、围岩状况确定了合理的开挖工法，即：III级围岩段采用全断面法施工，IV级围岩段采用两台阶带仰拱法施工，V级围岩段采用两台阶预留核心土法施工。飞仙关隧道洞口结构横断面图如图1所示。隧道二次衬砌厚度为60cm，初支衬砌厚度为24cm，锚杆为φ25中空注浆锚杆，长350cm，间距为1.0m×1.0m(环×纵)。

图1 飞仙关隧道结构断面图(单位：cm)

2 不同埋深隧道洞口计算模型建立

2.1 计算模型建立

根据飞仙关隧道洞口地形特征，建立隧道计算模型，模型左右边界取至距隧道边墙约54m，隧道洞口开挖跨度约13m，高约10m，洞口埋深(开挖轮廓拱顶距仰坡坡脚距离)为H(H分别取4m、7m和10m)，仰坡高度为10m，长度为40m，坡度约为14 °，边坡高度为20m，坡长为40m，坡度约为27 °。模型底部边界取至距隧道拱底以下40m，将V1围岩(硬岩)与V2围岩(软岩)之间的交界面倾角简化为90 °(图2)。

图2 飞仙关隧道洞口整体计算模型

隧道洞口三维计算模型位置关系规定如下：

(1)X轴垂直隧道走向，以飞仙关隧道进口端隧洞口中线为x=0轴，左右各约60m。

(2)Y轴为隧洞走向方向，长度约取80m。

(3)Z轴竖直向上，硬岩高度为30m，软岩高度为40m。

因此，考虑边界效应后的计算模型取约为120m×80m×70m，计算模型共包含69 935个单元，54 614个节点，模型四周和底部采用法向固定约束，地表为自由表面。隧道结构及锚杆单元如图3所示。

图3 隧道结构和锚杆单元模型

2.2 计算工况及建模参数

针对飞仙关隧道雅安端洞口边仰坡稳定性分析，采用二台阶带仰拱法开挖方案，研究不同埋深状态下的隧道开挖对洞口边仰坡稳定性的影响。

研究分别对隧道洞口埋深4m、7m和10m进行建模分析。隧道围岩、二次衬砌和初支衬砌采用实体单元模拟，锚杆采用Cable单元模拟，其中围岩采用摩尔-库伦模型，二次衬砌和初支衬砌采用弹性本构模型。围岩和隧道结构的物理力学参数如表1所示，锚杆物理力学参数如表2所示。

表1 围岩与衬砌物理力学参数

表2 锚杆物理力学参数

分别以隧道洞口埋深4m、7m和10m建立三种工况，比较三种开挖工况对洞口边仰坡稳定性的影响。三种数值模拟工况具体形式如表3所示。

表3 隧道开挖工况

3 不同埋深隧道洞口稳定性分析

由于飞仙关隧道洞口段穿越了厚层堆积体，地质条件复杂。特别是在洞口仰坡和边坡上堆积了大量松散堆积体，其中存在大量的不连续面和软弱结构面，稳定性很差。本文通过分析不同工况下隧道开挖后的地表位移、边仰坡剪切应变率及安全系数、围岩塑性区等指标，以确定最优工况。

3.1 地表位移分析

三种工况下洞口开挖完成后产生的地表位移如图4所示。从图4可以看出，隧道的开挖对洞身上方地表的位移由于洞口埋深的不同影响程度也不同。三种工况下的共同点在于隧道正上方的地表位移最大，向两侧逐渐减小，位移沉降最大值点分别在A、B、C处；软岩段的地表位移明显大于硬岩段地表位移，且在软岩段靠近软硬交界面的位置地表位移达到了最大值。不同点在于工况1最大地表下沉值为4mm，工况2最大地表下沉值为2.5mm，工况3最大地表下沉值为1.5mm，且工况1地表位移程度和波及范围远远大于工况2和工况3，甚至在两侧较远处的地表出现了因挤压而向上的位移。

(a)工况1

(b)工况2

(c)工况3图4 三种工况下隧道洞口地表沉降云图(单位：m)

可以看出，洞口埋深越浅，隧道的开挖对地表位移大小和波及范围的影响就越大，洞口段就越容易发生边仰坡失稳滑坡。

3.2 边仰坡围岩塑性区分析

选用围岩塑性区作为指标来分析和评价隧道开挖完毕后围岩的破坏程度。在工况1～工况3开挖完毕后，围岩塑性区分布如图5所示。

由图5可以看出，围岩塑性区主要分布在隧道开挖轮廓线的拱顶、仰拱位置以及隧道仰坡和边坡上部区域。其中仰坡位置塑性区分布比边坡位置更广。从表4中可知，在工况1开挖方案下最终的围岩塑性区体积最小，为64 823.6m3，随着埋深的增大，塑性区体积也增大。说明，在以上三种工况下，工况1方案开挖完毕后，其对围岩的破坏程度最小。

表4 三种工况下围岩塑性区体积 m3

(a)工况1

(b)工况2

3.3 边仰坡围岩剪切应变率及其安全系数对比

模型采用Mohr-Coloumb破坏准则，通过强度折减法计算，得到隧道开挖直至边坡刚好发生破坏时的安全系数。隧道边坡剪切应变率反映了边坡剪切滑动的快慢程度，对分析边坡的稳定性有重要的参考意义。上述三种工况下边坡剪切应变率及安全系数如图6所示。

从图6可以看出，隧道洞口段开挖完成后在边坡岩堆体形成了一个由塑性剪切应变带构成的弧形破坏面，该破坏面随着隧道洞口埋深的增加而增大。工况1～3最大剪切应变率均发生在侧边坡坡顶处，且从侧边坡坡顶到坡底剪切应变率逐渐减小。随着洞口埋深增加，剪切应变区域整体扩大，圆弧滑动面曲率不断减小，剪切应变区整体形状变得愈发“细长”。工况3的剪切应变影响区域明显大于工况1和工况2，可知隧道的埋深越大，边坡剪切应变产生的圆弧滑动区也就越大。

工况1～3的安全系数分别为1.86、1.95和2.03，可见隧道埋深的增加对边坡坡面的安全稳定有有利的一面。

综上所述，在4m、7m和10m三种埋深工况条件下，地表位移工况1最大，工况3最小；边坡塑性区工况1最小，工况3最大；边坡安全系数工况1最小，工况3最大。可见随着隧道埋深的增加，塑性区区域增大，但隧道开挖后的沉降减小，边坡的安全稳定系数更大。综合比较边仰坡地表位移、安全系数和塑性区指数，可知隧道埋深4m时相对安全。

(a)工况1

(b)工况2

(c)工况3图6 各工况剪切应变率及安全系数云图

4 厚层堆积体偏压隧道洞口地表预加固技术研究

4.1 洞口地表预加固技术

对洞口上方地表仰坡位置采用锚网喷支护。锚网喷支护工艺，通过“锚杆+金属网+混凝土喷层”相互结合，具备“先柔后钢、先让后抗”的特点，十分适宜应用于破碎松散岩土体边坡的支护[11-12]。砂浆锚杆在洞口上方软岩段设置，使其与岩土体结成一体，其中砂浆锚杆起到将“锲子”的作用，减少隧道开挖后岩土体的移动。

4.2 模型建立

建模中隧道洞口埋深4m，隧道围岩、二次衬砌和初支衬砌采用实体单元模拟，锚杆采用Cable单元模拟，边坡锚网喷支护采用壳单元和Cable单元模拟。计算模型共包含51 619多个单元，39 471多个节点，计算结果的精确度可以得到保证。整体计算模型如图7所示，锚网喷支护等效为壳单元和Cable单元(图8)。围岩和锚杆参数参见表1、表2。

图7 洞口预加固计算模型

图8 边仰坡锚网喷支护单元模型

4.3 计算结果对比

对比洞口埋深4m的情况下洞口段地表加固前后各项位移、塑性区指数。

4.3.1 地表位移对比

如图9所示，加固前隧道正上方的地表下沉值最大值为4mm，加固后减小为1.5mm，地表下沉最大值明显减小。对地表整体位移而言，洞顶上方软岩及硬岩段位移都有明显减小，且右侧仰坡位置位移下沉云图不再连续，由此可见经过洞口地表预加固后地表各处位移均有有明显减小。

(a)加固前

(b)加固后图9 加固前后地表位移(单位:m)

4.3.2 边仰坡塑性区分析

从图10可看出，洞口地表预加固后在仰坡位置塑性区分布区域明显减小，说明洞口地表预加固对围岩的稳定、完整性有有利的影响。

4.3.3 边仰坡剪切应变率云图及安全系数分析

边坡滑移区域从边坡与仰坡交界线两侧向下延伸至边坡坡脚，滑移面呈椭圆弧面，最终整个失稳区域呈椭圆形。由于边坡破碎岩体的节理十分发育，将发生旋转破坏，即产生的滑坡为圆弧破坏形式[13]。加固前边坡与仰坡交界线附近剪切应变率明显大于其余位置，加固后交界线附近剪切应变率大大减小，与其余位置差别不大。加固后的剪切应变率影响区域明显小于加固前，并且加固前的安全系数为1.86，加固后的安全系数为2.18，可见洞口地表预加固对边仰坡的稳定性有明显的提升作用(图11)。

(a)拱顶及右部结构测点 应力峰值沿隧道纵向分布

(b)拱顶及左部结构测点 应力峰值沿隧道纵向分布图10 加固前后边仰坡塑性区

(a)加固前

(b)加固后图11 加固前后剪切应变率及安全系数

4.4 实际现场应用

据地表调查及钻探揭示，拟建隧址区覆盖层为残坡积层，岩性主要为块石土、粉质黏土，局部含全风化基岩，厚薄不一，结构松散，工程地质性质较差，开挖后需及时进行支护。尤其是进口段，覆盖层厚度约10.0m，易导致覆盖层沿基覆界面整体滑塌。施工单位据此在进口洞外边仰坡及桩间土采用锚网喷支护，并且边坡上方合适位置设置被动防护网(图12)。隧道修建完成后坡体仍保持相当的稳定性，未发生滑塌现象，由此可见此措施在实际现场应用中具有可行性。

(a)进口边仰坡锚网喷

(b)进口边坡被动防护网图12 飞仙关隧道洞口边仰坡防护现场施工

5 结论

本文依托于飞仙关公路隧道工程，对穿越厚层堆积体偏压隧道洞口段边仰坡稳定性进行分析，通过数值模拟研究得到如下结论：

(1)隧道洞口边坡稳定性受洞口埋深的影响，在一定范围内，埋深越大，边坡稳定性越差。4m、7m和10m三种埋深工况条件下，地中位移工况1最大，工况3最小；初期支护受力工况1最小，工况3最大；围岩应力场工况1最小，工况3最大；边坡塑性区：工况1最小，工况3最大；边坡安全系数工况1最小，工况3最大。可见随着隧道埋深的增加，围岩、初支的应力有所增大，且塑性区范围也更大，但隧道开挖后的沉降减小，边坡的安全稳定系数更大。综合来看，埋深4m在满足边坡稳定的情况下更加经济合理。

(2)厚层堆积体偏压隧道洞口预加固技术研究一节中，主要通过在洞口上方软岩段用壳单元和Cable单元模拟一层边坡锚网喷支护结构，通过数值模拟计算发现各项指标均有改善，说明该边仰坡加固措施的可行性。

(3)对该穿越厚层堆积体偏压隧道施工时，建议洞口埋置深度取4m；结合飞仙关隧道现场施工工艺，证明了边仰坡采用锚网喷支护这一措施对增加坡体稳定性、防止坡体滑塌具有良好的效果。