新建黃土隧道洞口邊坡穩定性分析

孫孝敏

(中交公路養護工程技術有限公司 北京市 100089)

近些年，隨著我國中西部地區交通基礎設施建設的快速發展，出現了許多黃土隧道。由于黃土特殊的環境地質與地貌特征，在黃土地區修建隧道工程時，常會遇到黃土邊坡穩定性及變形問題[1-2]。隧道洞口坡體在施工過程中易發生滑塌等地質災害，坡體的穩定性直接關系到隧道能否安全順利進洞，如何治理由邊坡滑塌產生的災害問題成為一大難題[3-4]。

以某高速公路隧道為例，根據擬建隧道邊坡的工程地質條件及邊坡設計的實際情況，采用理正軟件分析隧道洞口邊坡在自然、暴雨、地震工況下的穩定性。結合邊坡設計支護情況，利用plaxis有限元軟件，分析邊坡在支護前后隧道邊坡應力分布及位移變化情況，驗證設計合理性，為今后類似工程提供設計借鑒。

1 自然地理概況

擬建隧道位于定西市團結鎮北側3km處，有鄉村便道相通，交通較為不便。

研究區屬于溫帶半干旱氣候區。總的氣候特點是：降水稀少，干燥寒冷，晝業溫差大，冬季較長。據多年氣象資料統計：多年平均降雨量約390mm。境內降水分布很不均勻，區域降水量從西向東遞減。

隧址區溝道內有地下水出露，但水量較小，形成小股流水，由于下滲和蒸發的原因，斷流較嚴重。擬建隧道區址主要河流是關川河，隧道出口位于東河的關門口溝內。

2 隧道洞口工程地質條件

擬建隧道屬黃土梁峁區，地勢西南高東北低。隧道穿越關川河東河與西河之間的賀家岔山梁，最高海拔為2220m，最低海拔2020m，相對高差200m。洞口為黃土斜坡，坡度6～15°，坡面走向與隧道走向大角度相交。

3 巖土體物理力學性質評價

隧道圍巖類型主要為上更新統黃土，上部為風積黃土，下部沖積黃土。

(1)風積黃土層厚在20～75m，天然含水率平均值14.93%，天然密度平均值1.71g/cm3，孔隙比平均值0.92，液限含水率平均值26.23%，塑限含水率平均值17.86%，塑性指數平均值8.37，液性指數平均值0.07，濕陷性平均值0.048，自重濕陷性系數平均值0.036，濕陷性等級Ⅳ級，粘聚力平均值26.70kPa，標準值21.91kPa，內摩擦角平均值25.84°，標準值23.50°。

(2)沖積黃土粘粒含量略高于上部風積黃土，孔隙也較小，下部孔隙很少，根據鉆孔揭露局部軟塑，發生縮孔。

總體上，沖積黃土含水率平均值21.41%，天然密度平均值2.0g/cm3，孔隙比平均值0.65，液限含水率平均值29.09%，塑限含水率平均值18.03%，塑性指數平均值11.06，屬粉質粘土夾粉土，液性指數平均值0.38，可塑。壓縮系數平均值0.26MPa-1，標準值0.31MPa-1，壓縮模量平均值7.88MPa，壓縮模量標準值7.23MPa，中壓縮性土。粘聚力平均值25.43kPa，標準值23.33kPa，內摩擦角平均值23.80°，標準值22.65°。

4 隧道邊坡穩定性評價

4.1 參數的確定

本次所分析邊坡位置處共布設3個鉆孔，根據勘察及鉆孔資料分析，該隧道出口邊坡的物質組成主要為風積黃土和沖積黃土，計算參數的選取結合邊坡的穩定狀態，類比同類工程經驗的基礎上，采用綜合取值法進行確定，具體取值見表1所示。

表1 各土層參數取值表

4.2 邊坡穩定分析計算

隧道邊坡穩定性分析分三種工況進行計算，即天然工況、暴雨工況和地震工況[5-9]。為保證勘察工作的有效性，以及保證治理設計工程的安全可行性，結合該邊坡的實際情況，采用理正軟件進行計算，具體結果見表2所示。

表2 理正軟件邊坡穩定性計算結果

根據《建筑邊坡工程技術規范》(GB 50330-2013)[10]規定，經計算，該隧道出口左線邊坡在天然工況下欠穩定，安全系數為1.25，最終剩余下滑力為168.8kN；在暴雨工況和地震工況下不穩定：在暴雨工況下，安全系數為1.15，最終剩余下滑力為354.7kN；在地震工況下，安全系數為1.10，最終剩余下滑力為405.2kN。

5 隧道邊坡設計參數

根據隧道設計資料要求，進洞前，應嚴格按圖紙及施工規范要求施作邊、仰坡的錨、噴、網支護，應從上到下分級開挖、支護，明洞及明洞回填應及時施作；及時完成明洞、明洞回填及洞門結構后，方可進行暗挖進洞作業。團結隧道出口邊坡采用削坡處置，分三級坡，從上至下分級開挖，采用噴、錨、掛網防護，3.5m錨桿，20cm×20cmΦ6鋼筋網，噴混凝土采用C20混凝土。厚8cm，隧道拱頂預留變形量30cm。

6 設計邊坡變形特征分析

6.1 有限元網格劃分

根據隧道邊坡設計特征，運用Plaxis巖土有限元分析軟件建立計算模型，采用自動劃分網格法對模型進行網格劃分，網格類型為15節點三角形單元，進行網格劃分時，對設計邊坡的坡腳及錨桿加固區域進行局部細化，以提高計算精度，計算模型共劃分572個單元，1986個節點，網格劃分結果見圖1所示。

6.2 邊界條件定義

根據邊坡實際情況對邊界條件進行定義。在本模型中，假定豎直方向深度10m范圍以外，在重力作用下，邊坡產生的位移變形為零，因此，對模型底部進行固定；假定水平方向左側10m范圍以外，水平位移為零，故模型左側固定；模型右側為隧道出口明暗洞交接處，隧道掌子面未開挖時，通常采用錨桿及噴射混凝土做封閉處理，故假定水平位移為零，因此模型右側固定。

6.3 計算參數的選取

土體材料的物理力學參數主要根據巖土工程勘察資料并查閱相關參考文獻進行取值，其具體取用的參數，如表3所示。

表3 各層土體物理力學參數取值

在Plaxis有限元軟件中，錨桿自由端采用點對點錨桿模擬，錨固端采用土工格柵單元模擬。

采用Plaxis中的分步施工模擬錨桿未加固時初始設計邊坡的穩定狀況，此時錨桿顯示為灰色；模擬錨桿加固后邊坡穩定狀況，施加錨桿作用力，此時錨桿呈黃色，具體見圖2及圖3所示。

6.4 計算結果分析

(1)土體應力特征分析

土體應力特征分析采用Plaxis軟件中的塑性分析方法，在重力作用下，土體的應力發生變化。圖2及圖4分別為錨桿為未支護時隧道邊坡土體應力變化及錨桿支護加固后隧道邊坡土體應力變化。根據圖2可知，隨著深度的增加，土體應力隨深度呈逐漸增大的趨勢，在邊坡底部應力達到最大值，應力最大值達857.95kN/m2。通過對比錨桿支護前后土體應力可知，錨桿未支護時，邊坡坡腳處表現為應力集中，并且有向隧道洞口擴散趨勢；錨桿支護加固后，隧道邊坡坡腳處應力明顯減小，說明錨桿對邊坡穩定起到了良好的加固效果。

(2)最大水平及豎向位移

在土體重力作用下，錨桿未加固時的水平位移云圖如圖4所示，豎向位移云圖如圖5所示；錨桿加固后的水平位移云圖如圖6所示，豎向位移云圖如圖7所示。

根據plaxis有限元計算結果可知，錨桿未加固時，隧道邊坡水平位移達68.70mm，垂直位移達42.70mm。錨桿加固后，隧道邊坡水平位移達13.33mm，垂直位移達12.79mm。從位移云圖上看，錨桿未加固時，水平位移最大值主要集中在邊坡坡面處，沿軟弱滑動面橫向擠出，最大達到68.70mm。錨桿加固后，水平位移明顯減小，尤其在錨桿加固區范圍內起到了良好的加固效果，能夠滿足設計要求，水平位移最大值僅有13.33mm；錨桿未加固時，豎向位移最大值達68.70mm，主要集中在上部土層。錨桿加固后，豎向位移明顯減小，豎向位移最大值僅有12.79mm；隨著隧道掌子面開挖，錨桿支護能夠起到很好的加固作用，豎向位移遠小于隧道設計預留變形量，驗證了設計合理性。

7 結論

(1)根據理正軟件計算結果可知，原始坡面在天然工況下欠穩定，在暴雨工況和地震工況下不穩定。

(2)運用plaxis有限元分析錨桿支護前后隧道邊坡應力變化可知，錨桿未支護時，邊坡坡腳處表現為應力集中，并且有向隧道洞口擴散趨勢；錨桿加固后，隧道邊坡坡腳處應力明顯減小。

(3)錨桿支護后，隧道洞口邊坡的水平位移和豎向位移均減小，能夠滿足隧道設計預留變形量要求，起到良好的加固效果，同時，驗證了設計的合理性。