隧道穿越崩塌高風險高陡邊坡的穩定性分析

郭永福

(吉林省高速公路管理局，吉林長春 130021)

隨著我國經濟及工程建設的高速發展，隧道建設規模前所未有，技術也越來越成熟［1-2］。但在現階段的隧道建設工程實踐中所面臨的困難仍然非常多，如在較為特殊地質條件下修建分離式隧道、小凈距隧道和連拱隧道等，將會給工程技術人員帶來極大挑戰。

雅礱江卡拉—楊房溝水電站交通專用公路起點位于錦屏一級8#公路通往左岸纜機平臺的隧道進口附近，工程區沿雅礱江左岸展布，沿線地表多為裸露弱風化巖，地形變化較大，山體坡度以40°～60°為主。草坪子特長隧道出口位于草坪子滑坡體，在雨季非常容易形成泥石流，故在隧道掘進施工時必須充分認識到不良工程地質條件對隧道圍巖的特殊影響，并需對邊坡穩定、圍巖與結構安全進行專題研究。進而對隧道穿越崩塌風險邊坡的圍巖力學行為進行分析，為隧道施工提供一定的安全保障。

1 不良地質及邊坡條件分析

1)隧道突水問題:隧址區的地下水主要為基巖裂隙水，基巖裂隙水流量較豐富，有可能存在深大的封閉裂隙，儲存一定量的靜儲水，施工時易造成一定程度的涌水危害。

2)偏壓問題:隧道進、出口局部存在偏壓問題，導致圍巖應力分布條件較差。另外，局部變質砂巖洞身段可能發生輕度巖爆，需引起注意。

3)軟巖變形:隧道穿越地層巖石為砂巖、板巖、絹云板巖，絹云板巖強度較低，具有性軟及風化強的特性，隧道穿越該層時可能發生掉塊、坍塌、滑移、剝落等輕度～中度變形。

4)泥石流:草坪子特長隧道出口位于草坪子滑坡體，在雨季容易形成泥石流。

5)邊坡條件分析:據實地調查結果，工程區主要巖石為砂巖、板巖、絹云板巖，密度1.6～1.8 g/cm3，孔隙率35.8%，天然含水量3.16%。根據大剪試驗，廢石的內摩擦角 22°～26°，黏聚力 8.8～10.7 kPa。

2 隧道施工前邊坡穩定性計算與分析

2.1 邊坡穩定性計算與分析

邊坡穩定計算通常采用整體的極限平衡方法來進行分析［3］，根據邊坡不同破裂面形狀采用不同的分析模式。邊坡失穩的破裂面形狀按土質和成因不同而不同，粗粒土或砂性土的破裂面多呈直線形;細粒土或黏性土的破裂面多為圓弧形;滑動面為不規則的折線或圓弧狀。在此，采用4.5H法確定破裂面，并依據邊坡理論確定 β1=27.1°，β2=36.2°，得出的潛在滑面圓心位置見圖1。

按圖1得到的圓心點及破裂面計算可得Fs=1.15，由此可知Fs＜［Fs］=1.25。因此，現有工程邊坡不穩定，有下滑的可能，必須進行邊坡加固。從現場實際情況看，工程所處位置區域的邊坡有局部出現滑坡并有進一步加劇趨勢。

圖1 4.5H法確定潛在滑面及其圓心位置

2.2 隧道施工前邊坡模擬分析

1)計算模型

［4-5］，選擇40°的斜坡、切割深度50 m建立數值模型。邊坡巖體參數取值:γ=21 kN/m3，c=20 kPa，φ =35°。

2)計算結果及分析

最大橫向位移發生在邊坡坡腳位置，約為7 cm，此時沒有明顯的滑坡跡象。但邊坡表面及一定深度的土體呈現出整體移動的現象，邊坡已經處于較為危險狀態，如果遇上降水或者其他使條件惡化的情況，非常有可能形成滑坡。

3 隧道施工對邊坡穩定性影響

3.1 隧道開挖空間布設

為了能夠更好地通過數值模擬下穿隧道施工與邊坡山體的相互影響，在邊坡中段設置了兩個可能的隧道位置。一是隧道洞口稍微靠近邊坡外側，即隧道偏壓穿越邊坡，二是隧道不存在偏壓即正常穿越邊坡，具體如圖2所示。結合邊坡實際情況，分別對在不同位置進行隧道開挖過程的安全性作比較分析。

圖2 兩個可能的隧道位置

3.2 隧道洞口偏壓時穿越邊坡

1)位移計算結果及分析

巖體位移計算結果見圖3。隧道上部拱圈靠近基巖側變形較大且對應側不對稱，這種不對稱的變形對于后續的隧道施工與加固可能產生不利影響，必須密切關注并采取合理的支護對策。

圖3 隧道偏壓時巖體位移(單位:)

2)應力計算結果及分析

巖體應力計算結果見圖4。隧道周圍的應力分布明顯受到邊坡的作用導致靠近坡面一側應力較小，土體較為松動，可能會導致滑坡現象。因此，在最好在隧道施工前對邊坡進行預加固。

按照蘇佩斯的看法，“公認觀點”并不盡然是錯誤的，只是因其高度概括性而過于簡單化，這種粗略性必然會導致理論的一些重要性質以及不同理論之間內在差別被省略。也就是說，“公認觀點”在形式計算的邏輯意義上語義學的缺失使得一個復雜理論僅僅從句法結構來加以闡釋，這通常很難對理論本性做出深入的理解。毋庸置疑，蘇佩斯對傳統“公認觀點”（簡單的句法觀）的反思為其探索形式計算的語義學的科學理論提供了必要的理論準備。與之相對，科學理論的語義觀則是以模型代替對應規則，主張模型作為一個非中介將理論與世界相聯系，即在語義觀看來，科學理論可以通過模型的集合從而得到描述。

圖4 隧道偏壓時巖體應力

3.3 隧道正常穿越邊坡

1)位移計算結果及分析

位移計算結果見圖5。

從圖5中可知，隧道上部拱圈變形較大，也即拱頂下沉最大，其規律與一般地質及山體條件下隧道施工時的圍巖變形特征相似，在施工中按正常進行加固即可。但要注意的是，因山體及邊坡本身穩定性較差，特別是邊坡表面的變形會有增大的可能，必須在正常段采取與隧道進口偏壓端類似的邊坡加固措施，以防因隧道開挖誘發邊坡災變。

2)應力計算結果及分析

巖體應力計算結果見圖6。

圖6 隧道正常穿越邊坡巖體應力

從圖6可以看出，隧道周圍的應力分布受邊坡影響不大，與正常地質條件下的隧道開挖圍巖應力規律基本相同，同時對邊坡也不會產生明顯影響。

4 結論

1)在高陡邊坡山體中修建隧道，一方面滑坡體的穩定與否對隧道施工過程的圍巖穩定和結構安全有極大影響;另一方面，隧道開挖同樣也對滑坡體有非常大的影響，如果處理不當則很可能加重滑坡甚至會出現災難性后果。因此，必須對滑坡體的穩定性及其加固措施進行研究，才能確保工程順利安全完工。

2)卡楊公路隧道在未開挖前，山體邊坡穩定性較差，如果遇上強降雨或者其他使條件惡化的情況，非常有可能形成滑坡。

3)隧道洞口偏壓穿越邊坡時，隧道圍巖及邊坡變形均比較大，必須結合邊坡具體情況提前加固，隧道正常穿越邊坡時，巖體應力及變形基本正常。

4)如發現隧道通過的斜坡存在滑坡可能，在選線時應根據實際情況采取改線繞避、深埋隧道從滑床下通過或先整治邊坡后修建隧道等辦法加以解決，不應將隧道修建于滑坡體中。

參考文獻

［1］宋勝武，鞏滿福，雷承弟.峽谷地區水電工程高邊坡的穩定性研究［J］.巖石力學與工程學報，2006，25(2):226-234.

［2］孫玉科，姚寶魁，許兵.礦山邊坡穩定性研究的回顧與展望［J］.工程地質學報，1998，6(4):34-37.

［3］張有天，周維垣.巖石高邊坡的變形與穩定［M］.北京:中國水利水電出版社，1999.

［4］潘曉馬，趙金銳.隧道偏壓地段開挖過程模擬分析［J］.四川建筑，2006，26(4):57-58.

［5］劉祚秋，周翠英.邊坡穩定及加固分析的有限元強度折減法［J］.巖土力學，2005，26(4):557-559.