散巖堆積體中特大斷面公路隧道洞口段坡體穩(wěn)定性研究

彭雪峰，張 航，錢志豪，王宗學(xué)

(1.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，四川成都 610041； 2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

1 松散堆積體區(qū)隧道開挖問題

在西南區(qū)域的地貌中，大多山坡都是由殘積層、風(fēng)化巖石、坡積物、巖溶崩塌堆積等形成的堆積邊坡。松散堆積體是巖石山坡經(jīng)過物理、化學(xué)作用、形成的巖石碎塊、巖屑，通過重力作用或冰川、雨水作用搬運(yùn)至山坡上或山坡腳下的松散堆積物體，主要存在于第四系坡積層、崩積層、殘積層、冰川堆積層等地層中，屬于典型不良工程地質(zhì)。

同樣，在西部地區(qū)由于山地地形陡峻，很多隧道洞口段處于大型松散堆積體邊坡上。松散堆積體對隧道開挖施工的影響較大，施工中往往出現(xiàn)部分洞口邊坡滑動失穩(wěn)或者強(qiáng)度不足、難以施工等工程技術(shù)難題。松散堆積體區(qū)隧道開挖問題已成為山區(qū)高速公路、鐵路面臨的重大隧道工程問題之一。

邊坡穩(wěn)定性分析發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)有100多年的歷史，長期以來，在隧道設(shè)計和施工中多采用極限平衡理論去分析隧道洞門邊坡的穩(wěn)定性。馮樹仁等[1]對邊坡穩(wěn)定性的三維極限平衡方法進(jìn)行了探討，提出了計算方法、程序和算例。尚岳全，孫紅月等[2]提出了分析滑坡的變形趨勢及影響因素的作用方式。汪衛(wèi)明，徐明毅等[3]采用三維剛體對小灣水電站穩(wěn)定安全度進(jìn)行了分析，計算了邊坡開挖成型后加固和不加固兩種情況下的穩(wěn)定安全系數(shù)。蔣楚生[4]對二郎山隧道坡體穩(wěn)定性進(jìn)行了計算分析，運(yùn)用反算分析法確定了其最不利滑動面。劉小兵[5]采用瑞典條分法和簡化畢肖普法進(jìn)行土坡穩(wěn)定分析，并以掛榜嶺隧道和案山關(guān)隧道為實(shí)例，為確定洞口段工程措施提供了依據(jù)。

20世紀(jì)70年代以來，隨著隧道斷面越來越大，地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，同時計算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，數(shù)值模擬越來越多的應(yīng)用于隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中。鄒啟新等[6]對黃土高邊坡穩(wěn)定靜力進(jìn)行了二維有限元分析，又對邙山段隧洞進(jìn)口高邊坡靜力有限元計算模型進(jìn)行了建立，得出了黃土邊坡的變形特征與應(yīng)力特征變化規(guī)律。沈春勇等[7]對江西柘林水電站進(jìn)水口邊坡進(jìn)行了三維有限元的計算分析，并與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比，結(jié)果基本一致。朱合華[8]以思小高速公路麻地河1號連拱隧道為例 ,建立了三維彈塑性有限元模型,動態(tài)模擬了隧道在施工過程中邊坡的穩(wěn)定性情況。陳敏林[9]應(yīng)用三維非線性彈粘塑性有限元分析方法,模擬了水布埡工程導(dǎo)流隧洞的洞臉開挖方式和運(yùn)行方式。徐衛(wèi)亞等[10]10]應(yīng)用FLAC3D對洞口邊坡在各種工況下的變形狀況和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。由于隧道洞口段邊坡的穩(wěn)定性與眾多因素有關(guān)，如洞門的形式，開挖方式、地層巖性等，而傳統(tǒng)的極限平衡計算方式對某些因素就顯得無能為力了，所以數(shù)值模擬法將越來越多的應(yīng)用于隧道洞口段的邊坡穩(wěn)定性研究中，同時隨著數(shù)值模擬的不斷發(fā)展，其結(jié)果也越來越精確。

目前，我國公路建設(shè)中對松散堆積體的研究較少，特別是當(dāng)隧道處于厚層堆積體的情況下，采用哪種開挖方式以及怎樣對邊坡穩(wěn)定性評價，都還缺少其判定標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。本文在綜合調(diào)研國內(nèi)外隧道洞口段散巖堆積體邊坡防護(hù)的基礎(chǔ)上，基于火鳳山隧道擁有小凈距、超淺埋、偏壓等特性，在開挖施工條件下會對邊坡和圍巖的穩(wěn)定性造成影響。結(jié)合隧道斷面大小及形狀、考慮火鳳山隧道洞口段圍巖力學(xué)特征基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)值計算軟件進(jìn)行建模，以此分析散巖堆積體的預(yù)加固方式，以及對隧道和坡體穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。

2 數(shù)值模擬

以曾家?guī)r二標(biāo)段火鳳山隧道為對象，采用數(shù)值模擬分析手段，應(yīng)用FLAC3D有限差分軟件，對隧道洞口段坡體的合理預(yù)加固手段進(jìn)行研究。將分別對自重應(yīng)力下、坡體不支護(hù)開挖、地表注漿加固以及地表注漿+底部抗滑樁支護(hù)四種工況下邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。通過對比各種工況下的圍巖剪力、圍巖位移以及剪應(yīng)變增量、邊坡穩(wěn)定系數(shù)，提出適用于該地層條件下的隧道洞口段坡體處理技術(shù)。

2.1 邊坡計算模型

根據(jù)火鳳山隧道縱斷面地質(zhì)資料，建立三維網(wǎng)格模型，山體范圍延隧道縱向取60 m，橫向?qū)挾葹樗淼乐行木€向邊側(cè)取70 m，底部取到隧道底部以下35 m處，頂部至自然坡面。管棚和小導(dǎo)管的模擬采用提高加固區(qū)參數(shù)的形式來模擬，依據(jù)管棚和小導(dǎo)管的打入角度以及漿液擴(kuò)散半徑，加固區(qū)厚度設(shè)置為1 m。模型的邊界條件設(shè)置為左、右、后三個邊界面限制垂直于平面方向的位移，底面限制垂直于平面和平行于平面方向的位移，前邊界面隧道開挖處采用自由界面，周圍噴射的混凝土采用shell單元模擬，上邊界面坡體采用種草護(hù)坡，也采用shell單元進(jìn)行模擬。隧道圍巖特性按彈塑性材料，采用Mohr—Coulomb準(zhǔn)則，圍巖采用實(shí)體單元，錨桿使用cable單元，噴射混凝土層和鋼筋網(wǎng)根據(jù)抗壓強(qiáng)度等效準(zhǔn)則合并使用shell單元，鋼拱架使用beam單元。計算模型如圖1所示，地表注漿模型如圖2所示，抗滑樁模型如圖3所示。

圖1 數(shù)值計算模型

圖2 地表注漿模型

圖3 抗滑樁模型

地表注漿在地表隧道洞口上方25 m的范圍內(nèi)布設(shè)，注漿小導(dǎo)管φ42 mm，布設(shè)間距為1.5 m×1.5 m，長度為6 m，采用梅花型布置。噴射混凝土平均厚度8 cm，配合20 cm×20 cm的φ8 mm鋼筋網(wǎng)?？够瑯稙?.5 m×2.5 m的方形樁，布置在坡腳處，長度為10 m，間距為5 m。地表注漿小導(dǎo)管采用Cable單元模擬，抗滑樁采用實(shí)體單元模擬，噴射混凝土采用Shell單元模擬。

2.2 計算參數(shù)選取

具體計算參數(shù)如表1所示。

表1 計算材料力學(xué)參數(shù)

隧道圍巖按彈塑性體考慮，其參數(shù)主要依據(jù)火鳳山隧道地層土工試驗(yàn)物理力學(xué)參數(shù)。數(shù)值計算中土層參數(shù)取值還要通過經(jīng)驗(yàn)類比進(jìn)行確定。對于設(shè)計中管棚法及小導(dǎo)管錨桿超前加固，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)資料，擬對加固區(qū)采用提高圍巖材料參數(shù)的方法來進(jìn)行模擬。

3 計算結(jié)果及分析

本節(jié)對自重應(yīng)力下、坡體不支護(hù)開挖、地表注漿加固以及地表注漿+底部抗滑樁支護(hù)四種工況下邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。通過對比各種工況下的圍巖剪力、邊坡穩(wěn)定系數(shù)，提出適用于該地層條件下的隧道洞口段坡體處理技術(shù)。

3.1 圍巖位移分析

邊坡在自重應(yīng)力作用下，從圖4可以看出，坡體整體向下發(fā)生沉降，其中距左線隧道20 m處沉降較大，最大值達(dá)32.17 m，在兩洞開挖斷面之間也存在較大沉降，最大可達(dá)11.40 m，可能出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象。坡面沉降范圍大致在0.22 m到1.6 m間，變形較大，開挖斷面上部沉降范圍大致為0.23 m到2.01 m。從圖5可以看出，坡體最大水平位移發(fā)生在最低坡體處，最大可達(dá)1.32 m，變形較大整個坡體存在向右運(yùn)動趨勢。綜合垂直位移和水平位移分析，邊坡存在潛在滑動面，可能由坡頂發(fā)生拉裂局部變形增大，大致與坡腳處貫通形成整體滑動破壞，開挖斷面極其危險，有冒頂?shù)嫩E象。

圖4 豎向位移

圖5 水平位移

坡體在不支護(hù)的情況下進(jìn)行開挖，采用三臺階七步法開挖，選取了當(dāng)開挖完成20 m時，整個坡體豎向位移云圖如圖6所示，水平位移云圖如圖7所示，位移矢量云圖如圖8所示。

圖6 豎向位移云圖

圖7 水平位移云圖

圖8 位移矢量云圖

由圖6當(dāng)隧道開挖完成20 m時，開挖導(dǎo)致隧道拱頂處的豎向位移最大，左線隧道最大可達(dá)34.1 cm，右線隧道最大可達(dá)35.4 cm，隧道拱底隆起，最大可達(dá)10.8 cm。隧道開挖部分上部整體下沉，隧道地表沉降最大可達(dá)39.5 cm，位移很大，開挖容易造成坍塌。由圖8水平位移可知，坡體整體向右移動，隧道開挖導(dǎo)致坡體水平位移較大，隧道內(nèi)水平位移最大值出現(xiàn)在右洞的右拱腳處，最大可達(dá)10.1 cm，地表的水平位移較大，有一定的滑坡跡象。由圖8位移矢量云圖可知，整個坡體沿坡面向右滑動，且距隧道左線開挖斷面左側(cè)20 m處豎向位移較大，可達(dá)39.5 cm，隨著隧道的向前開挖推進(jìn)，該位置的位移沉降越大，越有可能出現(xiàn)冒頂情況，因此隧道施工前必須先對洞前邊坡進(jìn)行預(yù)加固。

坡體在地表注漿加固進(jìn)行開挖，采用三臺階七步法開挖，選取了當(dāng)開挖完成20 m時，整個坡體豎向位移云圖、水平位移云圖分布和不支護(hù)開挖幾乎一致，但數(shù)值有所降低，位移矢量云圖如圖9所示。

圖9 位移矢量云圖

當(dāng)隧道開挖完成20 m時，開挖導(dǎo)致隧道拱頂處的豎向位移最大，左線隧道最大可達(dá)11.2 cm，右線隧道最大可達(dá)9.3 cm，隧道拱底隆起，最大可達(dá)4.4 cm。隧道開挖部分上部整體下沉，隧道地表沉降最大可達(dá)7.6 cm，位移在預(yù)留變形量之內(nèi)，開挖相對較安全。根據(jù)水平位移圖可知，坡體整體向右移動，隧道開挖導(dǎo)致坡體水平位移較大，隧道內(nèi)向左移動的水平位移最大值出現(xiàn)在右洞的右拱腳處，最大可達(dá)4.71 cm，隧道內(nèi)向右移動的水平位移最大值出現(xiàn)在左洞的右拱腰處，最大可達(dá)4.14 cm，距離左洞開挖斷面左側(cè)20 m處的地表的水平位移較大，可達(dá)2.3 cm，可能會出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象。由圖9位移矢量云圖可知，整個坡體沿坡面向右滑動，且距隧道左線開挖斷面左側(cè)20 m處豎向位移較大，可達(dá)2.3 cm。因此隧道施工前采用地表注漿對洞前邊坡進(jìn)行預(yù)加固，減小隧道開挖造成的坡體沉降及滑動，增加了坡體的整體穩(wěn)定性。

采用三臺階七步法開挖，采用地表注漿+底部抗滑樁，支護(hù)選取了當(dāng)開挖完成20 m時，整個坡體豎向位移云圖、水平位移云圖分布和不支護(hù)開挖同樣類似，位移矢量云圖如圖10所示。

圖10 位移矢量云圖

當(dāng)隧道開挖完成20 m時，開挖導(dǎo)致隧道拱頂處的豎向位移最大，左線隧道最大可達(dá)5.8 cm，右線隧道最大可達(dá)5.7 cm，隧道拱底隆起，最大可達(dá)4.4 cm。隧道開挖部分上部整體下沉，隧道地表沉降最大可達(dá)5.2 cm，位移在預(yù)留變形量之內(nèi)，開挖相對較安全。從水平位移來看，坡體整體向右移動，隧道開挖導(dǎo)致坡體水平位移較大，隧道內(nèi)向左移動的水平位移最大值出現(xiàn)在右洞的右拱腳處，最大可達(dá)1.51 cm，隧道內(nèi)向右移動的水平位移最大值出現(xiàn)在左洞的右拱腰處，最大可達(dá)1.72 cm，距離左洞開挖斷面左側(cè)20 m處的地表的水平位移為1.7 cm，位移較小。由圖10位移矢量云圖可知，整個坡體沿坡面向右滑動，但位移不大，較安全。因此隧道施工前采用地表注漿+抗滑樁對洞前邊坡進(jìn)行預(yù)加固，邊坡的位移有明顯的較小，隧道施工較為安全。

不同支護(hù)方法開挖工況位移對比如表2所示，從位移來看，在自重應(yīng)力作用下或不支護(hù)進(jìn)行隧道開挖，豎向位移與水平位移較大邊坡存在潛在滑動面，可能由坡頂發(fā)生拉裂局部變形增大，導(dǎo)致與坡腳處貫通形成整體滑動破壞，開挖斷面極其危險，有冒頂?shù)嫩E象。增加預(yù)加固支護(hù)之后，對沉降和水平位移都有很好的控制，提高了坡體的穩(wěn)定性。

表2 不同工況下的最大位移對比 cm

3.2 邊坡安全系數(shù)分析

邊坡穩(wěn)定性評價的關(guān)鍵是規(guī)定合理的安全系數(shù)，根據(jù)數(shù)值模擬計算，采用強(qiáng)度折減法，如果求得的最小安全系數(shù)小于或等于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)，那么所研究的邊坡不穩(wěn)定。采用 FLAC3D軟件自帶的有限元強(qiáng)度折減法對在坡體自重應(yīng)力下、未支護(hù)開挖、地表注漿加固以及地表注漿+抗滑樁加固四種工況下的巖體狀態(tài)進(jìn)行計算，求得邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)。邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)與預(yù)加固方式的關(guān)系見表3。

由表3可以看出，在自重應(yīng)力作用下，計算出的邊坡安全系數(shù)為1.16，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)不滿足GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[11]中規(guī)定一級邊坡(其安全系數(shù)為1.35)。對未支護(hù)開挖進(jìn)行安全系數(shù)計算，隨著開挖深度的增加，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)不斷減小，說明開挖深度對邊坡影響較大，開挖20 m時其安全系數(shù)為1.15，小于GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定一級邊坡(其安全系數(shù)為1.35)，坡體不安全，且在雨水、地震等不利作用下更容易發(fā)生災(zāi)害，加上施工擾動，極易滑坡。因此施工前必須對洞口段巖堆體邊坡進(jìn)行加固，建議采取地表注漿與邊坡處設(shè)置抗滑樁對整個坡體進(jìn)行加固處理。同時也應(yīng)加強(qiáng)坡體后沿的排水，減少滲入坡體水流量而加劇坡體滑動，也應(yīng)防止外力作用下在隧道施工開挖過程中邊坡發(fā)生破壞而影響洞口正常施工及其穩(wěn)定安全。采用地表注漿預(yù)加固后對開挖進(jìn)行了安全系數(shù)計算，其安全系數(shù)為1.28，說明地表注漿對坡體的安全系數(shù)有一定程度的提高，但是未達(dá)到一級邊坡系數(shù)要求。采用地表注漿與抗滑樁同時加固，采用強(qiáng)度折減法，計算出的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.58，滿足一級邊坡安全要求。因此建議火鳳山隧道洞口處采用地表注漿+抗滑樁進(jìn)行預(yù)加固。

表3 不同工況下的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)

4 結(jié)論

本文以曾家?guī)r火鳳山隧道為工程背景，采用FLAC3D有限元計算軟件，對隧道洞口段邊坡建立了三維彈塑性數(shù)值模型，并進(jìn)行了隧道開挖過程中邊坡力學(xué)特性的計算和分析。從計算結(jié)果中可以得到：

(1)針對曾家?guī)r火鳳山隧道的復(fù)雜地質(zhì)條件，建立了三維模型，利用FLAC3D軟件，對自重應(yīng)力下、坡體不支護(hù)開挖、地表注漿加固以及地表注漿+底部抗滑樁支護(hù)四種工況下，三臺階七步法開挖的施工過程進(jìn)行了三維動態(tài)數(shù)值模擬。

(2)從位移來看，在自重應(yīng)力作用下或不支護(hù)進(jìn)行隧道開挖，豎向位移與水平位移較大邊坡存在潛在滑動面，可能由坡頂發(fā)生拉裂局部變形增大，導(dǎo)致與坡腳處貫通形成整體滑動破壞，開挖斷面極其危險，有冒頂?shù)嫩E象。增加預(yù)加固支護(hù)之后，對沉降和水平位移都有很好的控制，提高了坡體的穩(wěn)定性。

(3)對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，隨著開挖深度的增加，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)不斷減小，說明開挖深度對邊坡影響較大，四種工況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.16、1.15、1.28、1.58，只有地表注漿+抗滑樁滿足GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定一級邊坡要求，故建議火鳳山隧道洞口處采用地表注漿+抗滑樁進(jìn)行預(yù)加固。