侧方隧道开挖对公路路堑高边坡稳定性的影响

■王晨韬 夏立翔 李军红

（新疆交通规划勘察设计研究院有限公司，乌鲁木齐 830006）

山区公路隧道的进出口一般处于浅埋偏压区域，在隧道施工开挖过程中相邻边坡时常发生局部掉块、塌方等危险，因此如何控制临近边坡的稳定性尤为重要[1-4]。 近年来，国内学者对此进行了一些研究，如刘春波[5]结合实际实例开展隧道开挖对边坡稳定性影响研究，采用有限元数值法分析开挖不同深度对边坡稳定性的影响；刘志伟[6]利用有限元分析法建立边坡隧道平面应变模型，对隧道不同开挖位置对边坡稳定性的影响进行解剖分析；陈思阳等[7]以边坡稳定性为计算核心，将抗拉、抗剪强度指标引入强度折减法中，设计短台阶、CD 与CRD 等3 种施工方法3D 仿真模型，分析其中对边坡稳定性影响程度。 本研究以某公路隧道特征断面为研究背景，通过采用MIDAS GTS NX 有限元软件建立隧道-边坡模型，研究了隧道采用CD 法开挖对隧道-边坡有效塑性应变、 位移变形与安全系数的影响规律，旨在为同类工程的设计与施工提供技术支撑。

1 工程概况

该边坡及隧道所处区域位于丘陵地带，隧道开挖范围位于岩性较差的全风化岩土层，需进行加固设计，据工程地勘资料判定区域围岩分级为IV～V级。 其中边坡高度为31.5 m，最大坡度约为60 ，上覆围岩岩性为全风化花岗岩，中间层为强风化花岗岩，基岩层为弱风化花岗岩，预测滑动区位于全风化花岗岩区域。 地下水主要分为孔隙潜水、基岩裂隙水，地下水主要来源为自然降雨，区域最大自然降雨强度为50 mm/h， 设置有效防排水措施减小地下水、地表水等因素对隧道与边坡施工整体稳定性的影响。 隧道采用CD 法分阶段进行开挖并及时支护，有效保证施工顺利进行。

2 仿真模型与计算参数

根据圣维南影响范围相关规定，利用有限元软件设置了2D 隧道-边坡系统模型[8]，构建了隧道-边坡边界尺寸（图1）。 左右与下边界采用法向位移限制，顶面为无约束边界（free），岩土体（实体单元）、初期支护（板单元）、锚杆（桁架单元）等材料分别采用MC、弹性、弹性等本构模型，隧道-边坡数值模型材料参数取值见表1。路堑边坡设置6 个监测点，对隧道分阶段开挖工况下的边坡稳定性指标进行监测，整理分析对应模拟数据对边坡稳定性进行评价。

表1 公路隧道-边坡相关材料参数取值

图1 隧道-边坡网格划分、边界尺寸与测点设置

3 隧道开挖对边坡稳定性的影响

边坡失稳破坏的判定依据主要由模拟计算迭代不收敛、特征位移及应变发生突变、塑性区贯通组成[9]。 常采用强度折减法（SRM）对边坡安全系数（FOS）进行求解，借助安全系数对边坡是否发生失稳进行判别。 边坡稳定性相关指标会于隧道开挖前后会发生显著变化，本研究通过分析隧道分阶段开挖工况下的边坡有效塑性应变、位移变形与安全系数等变化规律，借助边坡稳定判据对边坡稳定性进行评价。

3.1 隧道-边坡有效塑性应变分析

除围岩材料本身发生破坏外，塑性区贯通是边坡发生滑坡塌方灾害的主要原因，塑性区也叫塑性应变，是应变（弹性、塑性应变）的一种类型，其中有效塑性应变是指永久应变（未恢复应变），因此为保障隧道施工安全与边坡稳定性，有必要对隧道开挖进程中的隧道-边坡有效塑性应变分布规律进行分析。 由图2 可知，有效塑性应变于初始～I～II～III～IV等阶段发生重新分布。（1）隧道未开挖前。塑性应变峰值位于测点3（边坡危险点），其数值为4.0×10-3，边坡滑动面主要位于测点1 与测点4 之间，边坡下半部分塑性应变较小可评价为稳定状态，隧道未开挖前应对上部边坡进行防护设计，增加其在隧道施工进程中的稳定性，确保隧道施工稳定与边坡安全性。 （2）隧道开挖I 阶段。 塑性应变峰值发生转移，其部位变为隧道拱顶，其数值达75.2×10-3，边坡测点3（边坡危险点）塑性应变值由初始4.0×10-3减小至1.1×10-3， 其余各测点塑性应变均有所减小，原因为隧道开挖形成临空面，岩土体向深部收敛导致向外部滑移程度减弱，因此边坡塑性应变呈现减小趋势；开挖II～IV 阶段，塑性应变峰值所处部位由底部变为拱顶，峰值从45.5×10-3变至67.8×10-3，再变化为94.2×10-3，测点3（边坡危险点）塑性应变变化过程为：1.1×10-3～0.2×10-3～0.4×10-3～1.6×10-3。 （3）就隧道-边坡整体塑性应变而言，随着隧道施工的进行，测点3（边坡危险点）塑性应变值呈现先减小再增大趋势，整体塑性应变峰值经历增大、减小再增大的变化过程，从应变突变判据分析得出：隧道危险节点位于开挖I 阶段，隧道顶部应变突变量较大；测点3（边坡危险点）应变突变现象发生于III～IV 阶段，所以应于隧道开挖I、III、IV 阶段加强隧道-边坡支护设计。

图2 开挖过程中的隧道-边坡有效塑性应变分布

3.2 隧道-边坡位移变形分析

无论隧道或边坡，位移是最直观反映结构物受力特征的指标。 隧道挖掘过程中，时常由于支护时机与强度偏差导致上部岩土体出现较大变形，严重威胁地表结构物安全稳定性，为清楚了解隧道开挖对地表边坡稳定性的影响，就隧道开挖工况下的边坡地表沉降、水平位移进行分析，图3 为隧道-边坡位移分布云图（仅列出开挖I 与IV 阶段），图4 为隧道开挖过程中对应测点的位移变化规律。 随着隧道开挖变形累积，边坡位移也发生显著变化，说明隧道-边坡模型整体协调变形，两者为相互制约、相互影响的关系， 通过分析相关数据得出下列结论：（1）由图3 可知，开挖I 阶段隧道-边坡的沉降、鼓起、水平收敛峰值分别为5.5、0.16 与2.8 mm，说明开挖I 阶段隧道位移量排序为沉降＞水平收敛＞鼓起； 随隧道逐步开挖，3 种特征位移峰值的部位、大小均发生改变，开挖完成后的沉降、鼓起与水平收敛峰值分别为59.1、3.1 与33.1 mm。 从隧道位移角度分析得出：受偏压影响，左半模型位移变化大于右半，特征位移以沉降、水平收敛为主。 以特征位移指标评价隧道稳定性，竖向位移超过28 mm 评价为不稳定， 研究表明隧道于开挖III 阶段已处于不稳定状态，应尽快封闭成环与加强支护设计，以防隧道-边坡整体失稳。（2）由图4 可知，隧道-边坡水平位移峰值、最低值分别位于测点3、测点6，各测点水平位移均随开挖进行呈现逐步增加趋势，变化速率由快到慢排序为：测点3＞测点2＞测点4＞测点1＞测点5＞测点6， 水平位移突变发生于II～III 阶段区间， 故从位移突变判据分析出隧道III 阶段开挖可能导致边坡失稳；边坡沉降值大于水平位移，测点1表现为沉降位移峰值且数值高达4.8 mm，从沉降位移规律可看出仅测点1 于开挖III 阶段发生突变，突变量约为0.5 mm， 其余测点位移变化不显著，结合水平位移、 沉降位移综合确定隧道开挖III 阶段为危险阶段，边坡危险点为测点1。

图3 开挖过程中隧道-边坡位移分布云图

图4 开挖过程中边坡测点位移变化规律

3.3 隧道-边坡安全系数分析

GTS NX 有限软件内置SRM 求解器，可运用强度折减法求解边坡各阶段安全系数，随着隧道开挖逐步进行，深部岩土体逐渐缺失，边坡稳定性受隧道开挖扰动呈现逐步下降趋势，因此求解不同隧道开挖阶段工况下的边坡安全系数，借此评价边坡稳定性是可行的，隧道未开挖前、开挖完成后的边坡安全系数分别为1.78 与1.23，边坡安全系数规范临界值[11]见表2，公路等级为I 级，为确保隧道-边坡整体稳定性，安全系数应取较大值，其边坡安全系数变化过程见图5。

表2 路堑边坡稳定安全系数

图5 开挖过程中边坡安全系数变化规律

由图5 可知，边坡安全系数变化规律可得出以下结论：（1）隧道未开挖前，边坡处于安全稳定状态且安全系数有明显富余，隧道各阶段开挖后的边坡安全系数均发生突变， 由初始1.78 逐步下降至1.60、1.43、1.30 与1.23，下降速率逐步减小，说明隧道开挖对边坡稳定性有着非常明显影响，鉴于此在类似隧道工程施工中，应注意附近路堑边坡是否存在失稳风险，必要时采取措施进行加固，防止人员伤亡与财产损失。 （2）边坡安全系数随着隧道逐步开挖呈现逐渐降低趋势，开挖III 阶段的边坡安全系数已达临界值，说明若不采取措施进行支护加固，在进行第IV 阶段开挖时， 边坡失稳并有可能产生塌方滑坡事故；开挖完成后的边坡稳定性为1.23，已低于规范规定临界值，此刻从边坡安全系数角度分析出隧道-边坡处于不稳定状态，应加强隧道开挖III 阶段支护结构设计，避免边坡安全系数过低。

4 结论

以某公路隧道进口断面为背景，研究了隧道开挖过程中隧道-边坡的有效塑性应变、位移变形、安全系数等变化规律，得出以下结论：（1）从隧道-边坡有效塑性应变层面分析。边坡危险点为测点3，滑动区位于测点1 与测点4 间；随着隧道逐步开挖形成临空面，使得边坡有效塑性应变呈现逐渐减小趋势，塑性应变峰值大小、部位均发生变化，从应变突变判据分析出：隧道施工危险节点在第I 阶段的拱顶处，边坡危险点应变突变发生于III-IV 阶段，应于隧道开挖I、III、IV 阶段加强隧道-边坡联合防护。（2）开挖I 阶段的隧道特征位移量排序为：沉降＞水平收敛＞鼓起，从极限位移判据角度分析出隧道开挖III 阶段已处于不稳定状态，应尽快封闭成环、加强支护；边坡水平位移随隧道逐步开挖呈现增加趋势，各测点变化速率存在差异，水平位移突变发生于II、III 阶段，从水平位移突变判据分析出隧道开挖III 阶段工况的边坡可能失稳，边坡局部沉降位移于隧道开挖III 阶段发生突变，结合整体位移分析得出隧道开挖危险阶段为III 阶段，边坡危险点为测点1。 （3）隧道各阶段开挖完成后，边坡安全系数发生降低且下降速率逐步减小，隧道开挖至第III阶段的边坡安全系数已达临界值，IV 阶段开挖完成后的边坡已失稳，因此在隧道开挖过程中，应注意相邻高边坡是否存在失去稳定的风险，必要时应采取措施进行防护，保证隧道-边坡整体稳定性。