運營隧道及其臨近邊坡的穩定性分析研究

袁子義

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

隨著我國公路隧道數量和總里程不斷增多，運營期間受各種因素作用下，可能會出現不同程度的病害。維護管理方面存在的問題逐漸凸顯，對運營隧道的安全穩定監測提出了更高的要求。如果能夠探明隧道安全監測的重點和運營隧道病害易發生的位置，不僅可為工程技術人員在隧道運營期間的安全監測方案提供參考，也對運營隧道的長期安全性存在重要價值。有限元強度折減法在隧道及邊坡工程，得到了廣泛應用[1-2]。但在運營隧道的穩定性分析的聯系尚有不足。因此隧道工程可以嘗試引入強度折減法展開隧道及邊坡的穩定性研究。

1 工程概況

重慶某公路隧道采用上、下行分離式雙洞，為雙向六車道。隧道軸間距52.25 m，隧道標準凈跨14.286 m，車行道凈寬12.25 m，兩側各設0.75 m檢修通道，洞高10.713 m。隧道進口段圍巖分級為Ⅳ級。隧道位于嘉陵江北岸構造剝蝕丘陵地貌，地勢總體中部高，兩側低，沿線經過區域多為山地和丘陵，地形起伏大，地勢較為開闊。于2010年11月29日正式運營，隧道進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、泥巖、夾砂巖，在經過暴雨等氣候影響下，隧道的臨近邊坡開始出現局部變形及表土滑塌現象。隧道進口實景如圖1所示。

圖1 隧道進口實景

2 基于強度折減法的數值模擬計算

在實際工程中巖土體發生劣化，強度參數(粘聚力c、內摩擦角θ)將會產生明顯降低，到達極限塑性剪應變時，自承能力逐漸失效。當巖土體的失穩區域貫穿或較大時，會發生隧道及邊坡工程的失穩。本文采用強度折減法，以巖土層達到極限剪應變的部分貫通為工程失穩的判據[3]。

2.1 計算模型

本文計算利用Flac3D建立分析計算模型，建立兩隧道和邊坡二維計算模型，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定的問題，作為研究的重點，均為摩爾-庫倫模型；初支、二襯等不作為本文的研究重點。二維計算模型邊界條件設置為兩側面水平位移約束，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計算模型

2.2 計算參數

由于地層和邊坡上覆破碎土層厚度不規則，且在進口段厚度較淺，該土層較差主要影響邊坡的穩定性和安全性。為簡化模型計算，在邊坡穩定性分析中，只考慮上覆破碎土層巖參數。計算所采用的物理力學參數具體如表1所示。

表1 物理力學參數

通過相關文獻[4]中公示的推導計算出對應所選巖土體極限塑性剪應變。各巖土體的極限塑性剪應變值如表2所示。

表2 各巖土體極限塑性剪應變值

2.3 基于強度折減法的數值模擬計算結果及分析

計算過程不斷對強度參數(c、θ)進行折減，分別研究隧道和邊坡的安全性。通過數值模擬計算對兩隧道及邊坡進行安全性分析，并能顯示出破壞面的趨勢形態與范圍。折減過程中各折減系數條件下對應的云圖如圖3～圖6所示，其中極限剪應變云圖中僅顯示大于該巖土體極限剪應變的部分。

2.3.1 兩隧道無支護條件下的穩定性分析

由圖3可見，當折減系數K=1.99時，兩隧道圍巖達到極限剪應變區域發生貫通，貫通區域是從兩隧道的拱腰及邊墻處貫通至圍巖頂部，認為此時兩隧道在無支護毛洞條件下的安全系數為1.99。

圖3 隧道破壞狀態下極限剪應變云圖

2.3.2 邊坡無支護條件下的穩定性分析

由圖4可見，當折減系數K=1.87時，邊坡上覆土層發生極限剪應變區域發生貫通，貫通區域是從坡底處貫通至坡頂部，認為邊坡無支護條件下的安全系數為1.87。

2.3.3 隧道進口段病害突變點分析

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

圖4 邊坡破壞狀態下極限剪應變云圖

圖5 隧道破壞狀態下位移矢量云圖

圖6 邊坡破壞狀態下位移矢量云圖

3 結論

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

(2)邊坡破壞形式是整體滑坡，邊坡可能發生的滑塌是自下而上的；邊坡相對于隧道，在無支護條件下更容易發生病害和破壞，在實際監測中，也應加密邊坡的監測數據采集。

(3)隧道進口段位移監測關鍵點應布置在拱頂、拱腰位置；邊坡位移突變點易出現在邊坡底部，應在邊坡破頂、坡中、坡底均布置位移監測點，設置相應的預警閥值。并在邊坡設擋土墻防范表土滑塌。