基于強度折減法的趙家沖隧道仰坡安全穩定性評價

孫寶志，黃胤超

（1.中交一公局第一工程有限公司，北京　102205； 2.湖南省高管局永吉高速公路建設開發有限公司，湖南吉首 416000）

基于強度折減法的趙家沖隧道仰坡安全穩定性評價

孫寶志1，黃胤超2

（1.中交一公局第一工程有限公司，北京102205； 2.湖南省高管局永吉高速公路建設開發有限公司，湖南吉首 416000）

結合已有資料與現場調查，通過原位測量得到趙家沖隧道仰坡幾何尺寸、土體性質等基本數據，據此建立有限元模型，通過數值計算得到隧道仰坡的安全系數及滑動面位置，并結合現場勘測情況給出加固意見和建議。

隧道；強度折減法；仰坡；加固建議；安全穩定性

隧道工程和邊坡密切相關，隧道洞口段極易受到偏壓地形及潛在滑坡、剝落、崩塌等邊坡破壞問題的威脅，如何確保隧道和洞口邊坡的穩定性一直是隧道施工中關注的重點。該文結合實例工程建立數值模型，對考慮動態荷載下隧道邊坡穩定性進行研究，通過計算安全系數評價邊坡的穩定性，據此提出加固措施。68°，傾角47°；第二級邊坡高1.75 m，傾角26°；第三級邊坡高1.15 m，傾角35°。仰坡上部設有漿砌片石截水溝，上寬1.65 m，下寬0.8 m，深0.5 m（見圖1）。

1　工程概況

某鐵路路基設備為隧道仰坡，總長為104 m。趙家沖隧道進口高9.0 m，隧道口寬5 m，高8.0 m。隧道口設有重力式擋墻，高7.0 m；兩側有砼吊溝， 寬0.5 m，深0.3 m；上有砼截水溝，寬0.7 m，深0.55 m。隧道口上部仰坡為二級邊坡，第一級邊坡高2.29 m，傾向266°，傾角35°；第二級邊坡高3.07 m，傾角26°。仰坡上部設有漿砌片石截水溝，上寬1.6 m，下寬0.8 m，深0.7 m。

趙家沖隧道出口高9.0～14.1 m，隧道口寬5 m，高8.0 m。隧道口設有重力式擋墻，高7.0 m；隧道口上有砼截水溝，寬0.8 m，深0.45 m。隧道口上部仰坡為三級邊坡，第一級邊坡高2.19 m，傾向

圖1　趙家沖隧道整體外觀

2　數值計算

2.1地質參數評估

通過SIBAO-MG858S對邊坡進行實地量測，并將測量結果導入CAD軟件繪制三維地形圖。綜合實地勘測資料和《巖石力學參數手冊》，對該邊坡巖土參數進行評估，結果見表1。

2.2數值計算模型

數值模擬軟件可對相對復雜的巖土構筑物進行計算分析，并可綜合考慮多個復雜因素的影響，因而其計算結果具有較好的參考價值。假定同一層土體為滿足Mohr-Coulomb準則的各向同性體且計算時不考慮土體剪脹角，認為土體降雨入滲為飽和滲流問題，片石擋墻及護坡為彈性材料。參考地形實測結果，運用ABAQUS建立該邊坡有限元模型（見圖2）。

該計算模型取邊坡長度為100 m（沿隧道方向長度），坡頂距路面最大距離23 m，自坡腳向下取5 m，坡腳外側各取5 m，擋墻高為8 m；進口處一級邊坡坡角約為35°，二級邊坡坡角約為26°；出口處一級邊坡坡角約為47°，二級邊坡坡角約為26°，三級邊坡坡角約為35°。考慮邊坡滲水作用，坡體單元采用三維四節點孔壓單元（C3D4P）。坡體共劃分82 505個孔壓單元、16 084個單元節點。計算時所采用的巖土體材料參數見表1。

表1　邊坡巖土材料計算參數

圖2　邊坡計算模型

2.3數值計算結果與分析

運用上述數值分析模型，采用強度折減法對該邊坡的穩定性進行評估，獲得其安全系數。強度折減法的基本原理為：材料的內摩擦角和粘聚力的逐漸降低導致單元的應力無法與強度配套或超出屈服面，不能承受的應力將逐漸轉移到周圍土體單元中，出現連續滑動面（屈服點連成貫通面）后，土體將失穩。當假定邊坡內所有土體抗剪強度的發揮程度相同時，抗剪強度折減系數相當于邊坡整體穩定安全系數。ABAQUS沒有內置強度折減法的分析方法，但通過定義變化的材料參數，并通過ABAQUS場變量的設置可計算出滑動面出現時的安全系數。滑動面貫通時對應的場變量（折減系數）即為邊坡的穩定性安全系數。

實際邊坡在長期自重作用下已經達到自身平衡。在ABAQUS中，由于重力作用會對邊坡產生豎向沉降，給滑動面觀察造成困難，首先進行地應力平衡計算以消除重力的影響。自重應力作用下的應力云圖見圖3。從中可見在片石擋墻及護坡處存在應力集中現象。

圖3　邊坡在重力作用下的應力云圖（單位：k Pa）

2.3.1安全系數

采用強度折減法，當強度折減到某一數值時，計算過程中將會出現位移拐點，將計算過程中邊坡頂點出現位移突變視為邊坡失穩。該邊坡安全系數-位移曲線見圖4。

從圖4可看出：該邊坡安全系數為1.238。強度折減系數為0～1.238時，邊坡頂點位移變化不大，大于1.238后邊坡位移急劇增加。

觀察塑性區在分析過程中的變化，了解邊坡失穩過程。截取邊坡坡腳出現塑性區直至塑性區貫通的過程，安全系數為1.238時的塑性區見圖5。

圖4　邊坡總位移隨強度折減系數的變化

圖5　折減系數為1.238時的塑性應變

從圖5可看出：折減系數為1.238時，邊坡塑性區貫通，與數值模擬結果中位移結果一致。

2.3.2滑動面

邊坡穩定性分析中需確定滑動面的位置。由于計算過程中第一步分析中進行了地應力平衡計算，消除了重力作用對邊坡位移的影響，從塑性應變圖即可清楚地判斷滑動面的位置。從圖5可以看出：滑動面大致呈圓弧狀通過邊坡坡腳點，圓弧半徑為20.75 m左右，滑動面到坡面最大垂直深度約為4.55 m。

3　加固建議

基于現場踏勘、巖土參數預估及數值分析獲得的滑坡體幾何特征，提出如下預加固建議：

（1）在隧道進口仰坡坡面采用漿砌片石護坡支護進行預加固。

（2）在隧道出口仰坡坡面采用錨桿+網格梁+噴漿的聯合支護形式進行加固。

（3）清除有植物根系發育的巖體，防止其崩落，并對坡面作噴漿處理，防止其進一步風化。

（4）清除隧道進、出口仰坡上部截水溝內雜草，并對片石破損部位進行修復。

4　結論

針對趙家沖隧道進、出口邊坡，通過ABAQUS建立三維有限元分析模型，考察邊坡在自重及孔隙水作用下的穩定性，得出以下主要結論：

（1）該段邊坡安全系數約為1.238，考慮到邊坡巖土參數離散性及強降雨等不利因素，建議對該邊坡進行定期監測，雨季加強監測，并及時采取加固措施進行加固處理。

（2）潛在滑動面圓弧半徑為20.75 m左右，滑動面到坡面最大垂直深度約為4.55 m。

［1］Jinfeng Zou，Shuaishuai Li.Theoretical solution for displacement and stress in strain-softening surrounding rock under hydraulic-mechanical coupling［J].Science China Technological Sciences，2015，58（8）.

［2］鄒金鋒，李帥帥，張勇，等.考慮軸向力和滲透力時軟化圍巖隧道解析［J].力學學報，2014，46（5）.

［3］Jinfeng Zou，Shuaishuai Li，Yuan Xu，et al.Theoretical solutions for a circular opening in an elastic-brittleplastic rock mass incorporating the out-of-plane stress and seepage force［J].KSCE Journal of Civil Engineering，2015（6）.

［4］JinFeng Zou，Yu Su.Theoretical solutions of a circular tunnel with the influence of the out-of-plane stress based on the generalized Hoek-Brown failure criterion ［J].International Journal of Geomechanics，2015（10）.

［5］賈明輝.隧道洞口邊坡穩定性與控制技術研究［D].上海：同濟大學，2007.

［6］連鎮營，韓國城，孔憲京.強度折減有限元法研究開挖邊坡的穩定性［J].巖土工程學報，2001，23（4）.

［7］李春忠，陳國興，樊有維.基于ABAQUS的強度折減有限元法邊坡穩定性分析［J].防災減災工程學報， 2006，26（2）.

［8］馬建勛，賴志生，蔡慶娥，等.基于強度折減法的邊坡穩定性三維有限元分析［J].巖石力學與工程學報，2004， 23（16）.

［9］張慶飛.黃土地區隧道洞口段邊坡穩定性研究［D].成都：西南交通大學，2005.

［10］劉小兵，彭立敏，王薇.隧道洞口邊仰坡的平衡穩定分析［J].中國公路學報，2001，14（4）.

［11］張優利，劉勝春，周朋，等.基于強度折減法的隧道洞口土質高仰坡開挖穩定性分析［J].北京交通大學學報，2013，37（3）.

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2015-12-07