運(yùn)營(yíng)隧道及其臨近邊坡的穩(wěn)定性分析研究

袁子義

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

隨著我國(guó)公路隧道數(shù)量和總里程不斷增多，運(yùn)營(yíng)期間受各種因素作用下，可能會(huì)出現(xiàn)不同程度的病害。維護(hù)管理方面存在的問(wèn)題逐漸凸顯，對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道的安全穩(wěn)定監(jiān)測(cè)提出了更高的要求。如果能夠探明隧道安全監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)和運(yùn)營(yíng)隧道病害易發(fā)生的位置，不僅可為工程技術(shù)人員在隧道運(yùn)營(yíng)期間的安全監(jiān)測(cè)方案提供參考，也對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道的長(zhǎng)期安全性存在重要價(jià)值。有限元強(qiáng)度折減法在隧道及邊坡工程，得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。但在運(yùn)營(yíng)隧道的穩(wěn)定性分析的聯(lián)系尚有不足。因此隧道工程可以嘗試引入強(qiáng)度折減法展開(kāi)隧道及邊坡的穩(wěn)定性研究。

1 工程概況

重慶某公路隧道采用上、下行分離式雙洞，為雙向六車(chē)道。隧道軸間距52.25 m，隧道標(biāo)準(zhǔn)凈跨14.286 m，車(chē)行道凈寬12.25 m，兩側(cè)各設(shè)0.75 m檢修通道，洞高10.713 m。隧道進(jìn)口段圍巖分級(jí)為Ⅳ級(jí)。隧道位于嘉陵江北岸構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，地勢(shì)總體中部高，兩側(cè)低，沿線經(jīng)過(guò)區(qū)域多為山地和丘陵，地形起伏大，地勢(shì)較為開(kāi)闊。于2010年11月29日正式運(yùn)營(yíng)，隧道進(jìn)口的邊坡所切割的斜坡坡角25°左右，坡面覆蓋0.5～14.3 m崩坡積亞黏土夾塊碎石，下伏巖體較完整的砂質(zhì)、泥巖、夾砂巖，在經(jīng)過(guò)暴雨等氣候影響下，隧道的臨近邊坡開(kāi)始出現(xiàn)局部變形及表土滑塌現(xiàn)象。隧道進(jìn)口實(shí)景如圖1所示。

圖1 隧道進(jìn)口實(shí)景

2 基于強(qiáng)度折減法的數(shù)值模擬計(jì)算

在實(shí)際工程中巖土體發(fā)生劣化，強(qiáng)度參數(shù)(粘聚力c、內(nèi)摩擦角θ)將會(huì)產(chǎn)生明顯降低，到達(dá)極限塑性剪應(yīng)變時(shí)，自承能力逐漸失效。當(dāng)巖土體的失穩(wěn)區(qū)域貫穿或較大時(shí)，會(huì)發(fā)生隧道及邊坡工程的失穩(wěn)。本文采用強(qiáng)度折減法，以巖土層達(dá)到極限剪應(yīng)變的部分貫通為工程失穩(wěn)的判據(jù)[3]。

2.1 計(jì)算模型

本文計(jì)算利用Flac3D建立分析計(jì)算模型，建立兩隧道和邊坡二維計(jì)算模型，厚度為1 m，隧道洞高d1為10.713 m，隧道凈跨d2為14.286 m，兩隧道軸間距D2為52.25 m，最大埋深D1為15 m，邊坡的坡角為25°。其中圍巖及邊坡涉及劣化后影響安全穩(wěn)定的問(wèn)題，作為研究的重點(diǎn)，均為摩爾-庫(kù)倫模型；初支、二襯等不作為本文的研究重點(diǎn)。二維計(jì)算模型邊界條件設(shè)置為兩側(cè)面水平位移約束，正面及背面水平位移約束，頂面為自由面，隧道和邊坡的二維模型如圖2所示。

圖2 Flac3D計(jì)算模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

由于地層和邊坡上覆破碎土層厚度不規(guī)則，且在進(jìn)口段厚度較淺，該土層較差主要影響邊坡的穩(wěn)定性和安全性。為簡(jiǎn)化模型計(jì)算，在邊坡穩(wěn)定性分析中，只考慮上覆破碎土層巖參數(shù)。計(jì)算所采用的物理力學(xué)參數(shù)具體如表1所示。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)[4]中公示的推導(dǎo)計(jì)算出對(duì)應(yīng)所選巖土體極限塑性剪應(yīng)變。各巖土體的極限塑性剪應(yīng)變值如表2所示。

表2 各巖土體極限塑性剪應(yīng)變值

2.3 基于強(qiáng)度折減法的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算過(guò)程不斷對(duì)強(qiáng)度參數(shù)(c、θ)進(jìn)行折減，分別研究隧道和邊坡的安全性。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)兩隧道及邊坡進(jìn)行安全性分析，并能顯示出破壞面的趨勢(shì)形態(tài)與范圍。折減過(guò)程中各折減系數(shù)條件下對(duì)應(yīng)的云圖如圖3～圖6所示，其中極限剪應(yīng)變?cè)茍D中僅顯示大于該巖土體極限剪應(yīng)變的部分。

2.3.1 兩隧道無(wú)支護(hù)條件下的穩(wěn)定性分析

由圖3可見(jiàn)，當(dāng)折減系數(shù)K=1.99時(shí)，兩隧道圍巖達(dá)到極限剪應(yīng)變區(qū)域發(fā)生貫通，貫通區(qū)域是從兩隧道的拱腰及邊墻處貫通至圍巖頂部，認(rèn)為此時(shí)兩隧道在無(wú)支護(hù)毛洞條件下的安全系數(shù)為1.99。

圖3 隧道破壞狀態(tài)下極限剪應(yīng)變?cè)茍D

2.3.2 邊坡無(wú)支護(hù)條件下的穩(wěn)定性分析

由圖4可見(jiàn)，當(dāng)折減系數(shù)K=1.87時(shí)，邊坡上覆土層發(fā)生極限剪應(yīng)變區(qū)域發(fā)生貫通，貫通區(qū)域是從坡底處貫通至坡頂部，認(rèn)為邊坡無(wú)支護(hù)條件下的安全系數(shù)為1.87。

2.3.3 隧道進(jìn)口段病害突變點(diǎn)分析

由圖5、圖6可見(jiàn)，破壞狀態(tài)下兩隧道凈空側(cè)的位移突變主要發(fā)生在拱頂和拱腰處；破壞狀態(tài)下邊坡的位移突變主要集中于坡底部。

圖4 邊坡破壞狀態(tài)下極限剪應(yīng)變?cè)茍D

圖5 隧道破壞狀態(tài)下位移矢量云圖

圖6 邊坡破壞狀態(tài)下位移矢量云圖

3 結(jié)論

(1)圍巖劣化進(jìn)程中，隧道邊墻處圍巖發(fā)生破壞的可能性較大，需關(guān)注因邊墻處圍巖破壞發(fā)生的隧道病害。

(2)邊坡破壞形式是整體滑坡，邊坡可能發(fā)生的滑塌是自下而上的；邊坡相對(duì)于隧道，在無(wú)支護(hù)條件下更容易發(fā)生病害和破壞，在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，也應(yīng)加密邊坡的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集。

(3)隧道進(jìn)口段位移監(jiān)測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)布置在拱頂、拱腰位置；邊坡位移突變點(diǎn)易出現(xiàn)在邊坡底部，應(yīng)在邊坡破頂、坡中、坡底均布置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，設(shè)置相應(yīng)的預(yù)警閥值。并在邊坡設(shè)擋土墻防范表土滑塌。