某隧道洞口邊坡的穩定性評價

溫廣軍， 李翻翻， 王昱博

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司；公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088；2.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著我國高速公路和鐵路的不斷建設，越來越多的工程建設涉及到邊坡治理[1]，邊坡的穩定性直接影響工程建設質量的好壞，常見的邊坡失穩因素主要有地震作用、暴雨及河流沖刷以及開挖擾動等。如何針對邊坡失穩機制采取有效的加固措施，是邊坡治理的熱點問題之一。

劉君[2]針對杜兒坪礦高邊坡的工程地質條件，采用Sarma法對該邊坡穩定性進行分析，并提出了相應的加固措施。陳曉平等[3]采用Bishop圓弧滑動法對某軟巖高邊坡在天然狀態、殘余強度狀態及濕化狀態下的穩定性進行了分析，其分析結果表明邊坡開挖后由于土體卸載導致邊坡土體強度降低，使得邊坡的穩定性降低，開挖后降雨入滲使得表層土體軟化，強變發生衰減，邊坡穩定性進一步降低，開挖后當邊坡表層土體達到殘余強度，或邊坡開挖后邊坡表層土體達到濕化強度，采用表層的噴錨支護措施無效。鞏留杰[4]在傳統極限平衡分析法的基礎上，借助有限元對邊坡整體穩定性進行了分析和研究，得出了加筋材料、加筋距離及加筋總量等因素對邊坡穩定性的影響。沈寶堂等[5]在邊坡破壞機制的研究中采用了離散元法，成功揭示了邊坡的破壞機制，并指出了塊體邊坡內應力分布不連續且存在應力核的現象。

目前針對露天礦、公路等高邊坡的分析結果已有很多[6-9]，但是針對隧道洞口的高邊坡的研究尚需進一步加強。本文將采用ANSYS等數值模擬軟件對某隧道洞口高邊坡進行三維建模，并對邊坡天然狀態下、暴雨狀態下及邊坡加固前后的穩定性進行分析，針對分析結果對邊坡的加固方案進行評價。

1 工程概況

某隧道洞口段軸線方向約204°，洞口位于斜坡地段，斜坡坡向約22°，自然坡度約35°，與地形等高線基本正交。該段第四系覆蓋層主要為碎石、塊石，下伏基巖為強風化泥灰巖等，節理裂隙發育，巖體破碎，巖層產狀為105°∠13°，主要發育兩組節理裂隙，即J1： 285°∠84°、J2：200°∠60°。洞口邊、仰坡坡體主要由第四系覆蓋層碎石、塊石組成。左、右線隧道洞口仰坡、左側邊坡及右側邊坡為土質邊坡，土質類型為崩積成因中密-密實狀塊石、碎石，多為泥質充填，自穩能力差，抗沖刷能力弱，對邊坡、仰坡穩定不利，屬于不穩定型土質結構邊坡；在無坡面防護或無超前支護措施、不恰當的爆破施工、坡比較陡、地表水沖刷等情況下，邊坡巖土體易產生滑塌、坍塌、碎落。

2 計算模型與方案設計

2.1 模型建立

針對ANSYS等數值模擬軟件的特性，選擇利用ANSYS軟件強大簡單的建模功能進行模型的建立，利用ANSYS智能劃分網格功能對模型進行合理的網格劃分。隧道洞口邊坡三維計算模型如圖1所示，離散后的計算模型四面體單元數為637 988個，節點數109 732個。計算模型的邊界效應已考慮，故模型四周及底部均采用位移約束，地表為自由面，應力場由巖體自重引起。

圖1 隧道洞口邊坡三維計算模型

2.2 計算方案設計

本隧道洞口巖堆邊坡穩定性數值計算采用ANSYS分析軟件，通過顯式積分算法對網格中的節點進行隨時步的進代計算，該程序能較好地模擬地質材料在達到強度極限或屈服極限時發生的破壞或塑性流動的力學行為，特別適用于分析漸進破壞和失穩以及模擬大變形。

在自然狀態、暴雨狀態和地震狀態3種工況下，為模擬隧道洞口邊坡自然邊坡、開挖過程及工后地震狀態下的洞口邊坡穩定性情況，共31種工況開展模擬分析，其中左、右隧洞泥灰巖、碎石層分別分兩層開挖及加固，上下層及左右洞間分別錯開40 m左右，并根據設計要求，隧洞自昭通端向麻柳灣端單向開挖，左隧洞超前右隧洞40 m以上，工后地震條件下的洞口邊坡穩定性按地震+暴雨條件的最不利狀態下模擬。

2.3 計算參數選取

根據《公路工程地質勘察規范》和其他邊坡、滑坡規范，在反算邊坡強度參數時：①對于基本穩定邊坡，安全系數應該高于1.05～1.10；②對于臨滑狀態的邊坡，取安全系數為0.95～1.05；③對于欠穩定的邊坡，安全系數為0.90～0.95；④對于不穩定的邊坡，安全系數低于0.90。結合定性分析和現場情況，通過參數反演，參照《工程地質勘察說明書》，參數的選取見表1、表2。

表1 某隧道洞口邊坡巖體基本力學參數(天然工況)

表2 某隧道洞口邊坡巖體基本力學參數(暴雨工況)

3 穩定性分析評價

根據設計計算方案，對隧道邊坡在天然狀態、暴雨狀態、地震狀態下不同工況的巖堆邊坡體穩定性進行了數值模擬計算。根據不同工況計算結果，分析巖堆體在天然狀態、暴雨狀態、地震狀態下位移、應力、安全系數等主要參量變化規律，揭示巖堆體不同工況下內在變形破壞特征，為合理做出巖堆體中掘進公路隧洞巖體穩定性評價、指導工程設計與施工、降低生產安全風險提供參考。

3.1 巖堆體變形破壞特征

計算過程中，根據設計監測點位置，對關鍵點進行了監測數據的計算機自動采集，包括位移與速率監測。結果表明，自然狀態和暴雨狀態下各工況巖堆體最危險位置監控點位移與速率具有如下變化特征：

(1)左隧洞口邊坡巖堆體開挖但不及時支護情況下，最大位移位于左隧洞口左上側，自然狀態下最大位移達到67.01 mm；左隧洞口邊坡巖堆體開挖后及時噴錨加固坡面，并施工好擋土墻情況下，最大位移僅6.285 mm，最大位移減小到了十分之一以下。由此說明，開挖對巖堆體變形有較大影響，施工時應根據工程實際情況，實行分步開挖，每步開挖后應盡量做到及時支護、加固等處理，最大限度地降低工程對原有巖堆體的擾動。

(2)巖堆體圍巖軟弱，通常處于淺埋地段，施工期間早期壓力大，圍巖變形快，自穩時間短。在泥灰巖(基巖)中掘進隧洞時，位移變化較平緩；左隧洞開挖進入到碎石巖堆層后，巖移速率明顯加快，位移增大；到右隧洞貫通后，位移達到了11.72 mm，周邊點位移同樣有所增大。因此，在巖堆體中掘進隧道，施工過程中應加強前期支護，并做好施工監測工作。

(3)暴雨(飽水)狀態下，各工況監控點位移及速率大大提高。左右隧洞均貫通后，最大位移位于左隧洞口左上側，在暴雨狀態下最大位移達到了885.9 mm，位移增大了80倍。可以認為，暴雨(飽水)對巖堆體穩定性具有巨大影響，應避免暴雨期間或暴雨剛過后即進行工程施工，隧洞附近的施工更是如此。

3.2 安全系數分析

依據三維模型對各工況安全系數進行了計算，結果表面自然狀態下安全系數介于1.05～1.08，屬于基本穩定邊坡；暴雨狀態下各工況安全系數介于1.0～1.05，處于臨滑狀態；對于暴雨+地震狀態下，安全系數小于1.0，為欠穩定坡體。

3.3 注漿錨桿軸力分析

為進一步研究注漿錨桿對隧道洞口邊坡巖堆體的加固效果，對各工況錨桿軸力進行了計算。由計算結果可知，工后自然狀態和暴雨狀態下，注漿錨桿分別提供了11.98 kN和105.78 kN的錨固力，對巖堆坡體的穩定性具有一定的改善作用。

3.4 地震時程分析

為進一步研究工后巖堆路塹邊坡工程體在地震荷載作用下的穩定性情況，本隧道邊坡所處區域地震動峰值加速度大致相當于地震烈度為七度(峰值加速度0.15g)時的特定地震波，對本段工后邊坡體開展了暴雨+地震情形下的地震時程模擬計算。

計算結果表明，地震對隧道洞口巖堆體的穩定性有較大影響，工程設計中應根據當地地震歷史情況加以地震因素考慮，工程施工過程中更應嚴格控制施工質量，確保工程在極端環境下的整體穩定性。

4 結論與建議

(1)開挖對巖堆體變形有較大影響，施工時應根據工程實際情況，實行分步開挖，每步開挖后應盡量做到及時支護、加固等處理。

(2)防坍塌是巖堆體隧道施工的重點，巖堆體宜固不宜清，并應先支后挖，強支護，開挖斷面要變大為小，步步為營，施工前應做好穩固掌子面的工程措施，防止頂部巨石下坍危險。

(3)地質體復雜，影響因素眾多，在勘查成果偏少情況下，數值模擬結果僅限于定性評價，在實際工程施工過程中，應加強現場的施工監測，并根據監測結果，及時按需調整施工方案。

(4)工程設計中應根據當地地震歷史情況加以地震因素考慮，工程施工過程中更應嚴格控制施工質量，確保工程在極端環境下的整體穩定性。