运营隧道及其临近边坡的稳定性分析研究

袁子义

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

随着我国公路隧道数量和总里程不断增多，运营期间受各种因素作用下，可能会出现不同程度的病害。维护管理方面存在的问题逐渐凸显，对运营隧道的安全稳定监测提出了更高的要求。如果能够探明隧道安全监测的重点和运营隧道病害易发生的位置，不仅可为工程技术人员在隧道运营期间的安全监测方案提供参考，也对运营隧道的长期安全性存在重要价值。有限元强度折减法在隧道及边坡工程，得到了广泛应用[1-2]。但在运营隧道的稳定性分析的联系尚有不足。因此隧道工程可以尝试引入强度折减法展开隧道及边坡的稳定性研究。

1 工程概况

重庆某公路隧道采用上、下行分离式双洞，为双向六车道。隧道轴间距52.25 m，隧道标准净跨14.286 m，车行道净宽12.25 m，两侧各设0.75 m检修通道，洞高10.713 m。隧道进口段围岩分级为Ⅳ级。隧道位于嘉陵江北岸构造剥蚀丘陵地貌，地势总体中部高，两侧低，沿线经过区域多为山地和丘陵，地形起伏大，地势较为开阔。于2010年11月29日正式运营，隧道进口的边坡所切割的斜坡坡角25°左右，坡面覆盖0.5～14.3 m崩坡积亚黏土夹块碎石，下伏岩体较完整的砂质、泥岩、夹砂岩，在经过暴雨等气候影响下，隧道的临近边坡开始出现局部变形及表土滑塌现象。隧道进口实景如图1所示。

图1 隧道进口实景

2 基于强度折减法的数值模拟计算

在实际工程中岩土体发生劣化，强度参数(粘聚力c、内摩擦角θ)将会产生明显降低，到达极限塑性剪应变时，自承能力逐渐失效。当岩土体的失稳区域贯穿或较大时，会发生隧道及边坡工程的失稳。本文采用强度折减法，以岩土层达到极限剪应变的部分贯通为工程失稳的判据[3]。

2.1 计算模型

本文计算利用Flac3D建立分析计算模型，建立两隧道和边坡二维计算模型，厚度为1 m，隧道洞高d1为10.713 m，隧道净跨d2为14.286 m，两隧道轴间距D2为52.25 m，最大埋深D1为15 m，边坡的坡角为25°。其中围岩及边坡涉及劣化后影响安全稳定的问题，作为研究的重点，均为摩尔-库伦模型；初支、二衬等不作为本文的研究重点。二维计算模型边界条件设置为两侧面水平位移约束，正面及背面水平位移约束，顶面为自由面，隧道和边坡的二维模型如图2所示。

图2 Flac3D计算模型

2.2 计算参数

由于地层和边坡上覆破碎土层厚度不规则，且在进口段厚度较浅，该土层较差主要影响边坡的稳定性和安全性。为简化模型计算，在边坡稳定性分析中，只考虑上覆破碎土层岩参数。计算所采用的物理力学参数具体如表1所示。

表1 物理力学参数

通过相关文献[4]中公示的推导计算出对应所选岩土体极限塑性剪应变。各岩土体的极限塑性剪应变值如表2所示。

表2 各岩土体极限塑性剪应变值

2.3 基于强度折减法的数值模拟计算结果及分析

计算过程不断对强度参数(c、θ)进行折减，分别研究隧道和边坡的安全性。通过数值模拟计算对两隧道及边坡进行安全性分析，并能显示出破坏面的趋势形态与范围。折减过程中各折减系数条件下对应的云图如图3～图6所示，其中极限剪应变云图中仅显示大于该岩土体极限剪应变的部分。

2.3.1 两隧道无支护条件下的稳定性分析

由图3可见，当折减系数K=1.99时，两隧道围岩达到极限剪应变区域发生贯通，贯通区域是从两隧道的拱腰及边墙处贯通至围岩顶部，认为此时两隧道在无支护毛洞条件下的安全系数为1.99。

图3 隧道破坏状态下极限剪应变云图

2.3.2 边坡无支护条件下的稳定性分析

由图4可见，当折减系数K=1.87时，边坡上覆土层发生极限剪应变区域发生贯通，贯通区域是从坡底处贯通至坡顶部，认为边坡无支护条件下的安全系数为1.87。

2.3.3 隧道进口段病害突变点分析

由图5、图6可见，破坏状态下两隧道净空侧的位移突变主要发生在拱顶和拱腰处；破坏状态下边坡的位移突变主要集中于坡底部。

图4 边坡破坏状态下极限剪应变云图

图5 隧道破坏状态下位移矢量云图

图6 边坡破坏状态下位移矢量云图

3 结论

(1)围岩劣化进程中，隧道边墙处围岩发生破坏的可能性较大，需关注因边墙处围岩破坏发生的隧道病害。

(2)边坡破坏形式是整体滑坡，边坡可能发生的滑塌是自下而上的；边坡相对于隧道，在无支护条件下更容易发生病害和破坏，在实际监测中，也应加密边坡的监测数据采集。

(3)隧道进口段位移监测关键点应布置在拱顶、拱腰位置；边坡位移突变点易出现在边坡底部，应在边坡破顶、坡中、坡底均布置位移监测点，设置相应的预警阀值。并在边坡设挡土墙防范表土滑塌。