強降雨作用下軟土隧道仰坡穩定性分析

熊 齊 歡，袁 青，于 錦，楊 林

(1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430048； 2.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430048)

0 引 言

隨著中國經濟的迅速發展，特別是經濟內循環概念的提出和逐步實施，各區域的資源、能源和人員的流通量勢必將提升至一個新臺階，這將對交通基礎設施的發展提出更高要求。隧道工程因為可以克服高差、縮短連接距離、有利環保等優點被廣泛運用到公路鐵路建設中[1]，但是不同區域地質條件迥異，在隧道施工和運營過程中經常會遇見各類地質病害，其中，洞口仰坡失穩現象是隧道建設和運維過程中常見的地質病害之一[2]。

國內外學者對洞口邊坡的穩定性研究做了大量工作。王軍等[3]采用改進的黏彈塑性模型，利用有限差分法對山區邊坡和坡頂隧道進行聯合穩定性分析，確定了潛在滑動區和隧道影響區；魏綱等[4]針對隧道洞口涌砂、涌水地質災害進行了分析，闡明了涌水、涌砂的地質原因；周曉軍等[5]以一個具體項目為例，分析了洞口仰坡的加固效果和加固參數間的關系，并對隧洞邊坡加固結構參數進行了調整與優化。

降雨入滲對非飽和土邊坡的安全穩定有較大影響。雷小芹等[6]以土體內部細小顆粒隨雨水入滲粗顆粒土骨架空隙為研究切入點，對降雨作用下非飽和堆積土邊坡中坡體及孔隙尺寸的細顆粒遷移現象進行了分析概化，并基于多孔介質力學及混合物理論構建了描述非飽和堆積土中細顆粒侵蝕-運移-沉積全過程的滲流潛蝕模型。結合該模型，采用有限元方法分析了細顆粒遷移引發的土體滲透性、持水性及強度演化對非飽和堆積土邊坡降雨入滲過程及穩定性的影響。劉楊等[7]為探究緩傾軟弱夾層對礦山高陡邊坡降雨滲流特性影響，以實際工程為例，結合水文地質、工程地質分析，建立了含緩傾夾層礦山高邊坡的降雨滲流模型并進行了模擬分析。結果表明，緩傾軟弱夾層改變了滲流路徑，夾層上表面孔隙水壓力先增大后減小，相對降雨時間具有變化滯后性。肖景紅等[8]針對含優勢滲流層邊坡降雨入滲下的可靠度問題，通過將應力分析中的點估計-有限元法引入到邊坡滲流-穩定性分析中，提出了考慮優勢滲流層滲透特性不確定性的滲流概率分析和邊坡可靠度分析方法。張娜等[9]采用Geo-Studio軟件對某露天采礦邊坡進行了降雨滲流分析，結果顯示，降雨強度明顯增強的情況下，邊坡內部滲流場發生明顯變化，邊坡穩定性系數與降雨強度呈負相關的變化規律。從上述研究可知，降雨滲流是影響邊坡安全穩定的重要因素。

除了降雨入滲會改變坡體的含水量和土力學性質外，隧道明洞、暗洞開挖也會改變土體的力學性質和邊坡穩定性狀態。本文針對軟土地區隧道明洞、暗洞交接期間的降雨問題，通過干濕狀態下土體力學強度指標變化分析，探討了隧道開挖和大氣降雨作用下邊坡穩定性的變化情況。

1 降雨條件下土體的特性

降雨是諸多巖土工程失效的重要誘因[10]。在隧洞開挖過程中，勢必碰到不同強度、不同時長的降雨，在降雨過程中，土體的諸多物理力學指標均會發生變化。其中，巖土體的含水量變化是最常見、最明顯的。根據土水特性曲線，當含水量變化時土體內部的基質吸力和滲透性系數均會發生變化，從而引起土體強度參數改變和地下水滲透特性變化。與此同時，對于黏性土等細顆粒土體，含水量的變化改變了黏粒周圍的弱結合水和自由水的厚度，從而改變了土顆粒間的黏結作用、摩擦阻力和土體軟塑狀態。

1.1 土水特性關系

在穩定滲流場中，飽和土體的滲透性系數是一個與地下水情況無關的常數，但是在非飽和土體內，非穩定滲流過程中土體的滲透性系數不再是常數，而是一個與飽和滲透性系數和顆粒間基質吸力有關的函數[11]：

(1)

式中：kw為非飽和土滲透性系數，cm/s；ks為飽和土滲透性系數，cm/s；Ψ(t)為基質吸力，kPa；a、m、n為曲線參數，a的單位為kPa-1，m、n無量綱。

在降雨入滲過程中，基質吸力的大小隨著含水量的變化而改變，而含水量的大小則受到降雨強度、降雨持續時間、所在位置的影響，因此基質吸力和滲透性系數均是時間和空間的函數。根據van Genuchten模型[12]，土水特性關系可以描述為

(2)

式中：Θw為任意時刻土體體積含水量，cm3/cm3；Θr為殘余含水量，cm3/cm3；Θs為飽和含水量，cm3/cm3，其大小與土體孔隙率相等。

式(2)反映了降雨過程中非飽和土體含水量的變化情況，任意時刻的含水量大小除了與最大含水量和殘余含水量有關以外，還與土體內部的負孔隙水壓力大小有關。

1.2 非飽和土力學試驗結果

地下水使得土體各點產生了不同性質(正孔壓和負孔壓)和大小的孔隙水壓力，在浸潤線以下土體處于飽和狀態，各點孔隙水壓力為正值，而浸潤線以上土體則處于非飽和狀態，各點的孔隙水壓力小于0。根據有效應力原理[13]：

σ′=σ-uw

(3)

σ′=σ-uaσ+χ(ua-uw)

(4)

式中：σ′為有效應力，kPa；σ為總應力，kPa；uw為孔隙水壓力，kPa；ua為孔隙氣壓力，kPa；χ為有效應力系數，取1。式(3)為飽和土體的有效應力原理，式(4)為Bishop提出的非飽和土體有效應力強度原理。以上兩個公式表明，在非飽和土中，負的孔隙水壓使得土體的有效應力大于總應力，而土體的抗剪強度與有效應力呈正相關性，從而負孔壓增加了土體的抗剪強度，有利于土質邊坡的自穩；在浸潤線以下土中，孔隙水壓力為正值，使得有效應力小于總應力，削弱了土體的抗剪強度，不利于土質邊坡的自穩。

從微觀角度分析，地下水在土顆粒間有潤滑的效果，使得相鄰土顆粒的滑移更加容易；從宏觀上分析，水的作用使得土體結構發生變化，表現為軟化現象。一些學者[3，14]對該問題進行了深入研究，并得到了非飽和土的土體強度指標與飽和度的關系。

文獻[14]通過非飽和土直剪試驗，發現非飽和土體的抗剪強度試驗結果與土水特性曲線的分析結果完全吻合，表明非飽和土力學試驗結果與土水特性關系的分析結果具有一致性。文獻[15]甚至采用非飽和土強度指標反演土水特性關系曲線，因此在非飽和土的模擬分析中，同時考慮強度參數與飽和度關系、土水特性曲線是對同一個問題的重復性考慮。本文采用土水特性關系分析降雨入滲所形成的飽和與非飽和區，得到邊坡內部基質吸力的大小。但注意到由于土體基質吸力的最大值與土性、土體組成結構有關，顆粒越細小，基質吸力最大值也會增大。由于缺少全風化凝灰熔巖、坡積粉質黏土的基質吸力研究成果，本文在飽和、非飽和區域基礎上，分別采用不同的強度參數對飽和、非飽和區進行賦值，來模擬不同降雨時間洞口仰坡的安全性變化過程。

2 工程案例

董奉山隧道口位于福州市長樂區，是一座4洞分離式公路隧道，隧道平均長度約4 059 m，屬于特長隧道(公路隧道大于3 km)。隧道地質以坡積粉質黏土和全風化凝灰熔巖為主，巖土體強度較低，遇水后巖土軟化，而且隨著含水量(飽和度)的增加強度指標逐漸降低，如表1所列。由于隧址屬于亞熱帶季風氣候，離海岸較近，因此該區域降雨十分充沛，同時，隧道洞口處于董奉山山腳處，隧道開挖前屬于山腳匯水區，因此隧址的工程地質與水文地質條件復雜。

表1 力學指標試驗結果

該區域地貌上屬于戴云山東北段的丘陵地貌。大地構造位置上屬于閩東火山斷坳帶中部，出露的地層主要為晚侏羅世南園組第二段和第三段(J3n2和J3n3)。根據鉆孔揭露，隧址區上部為第四系殘坡積層，下伏基巖為侏羅系南園組凝灰熔巖及其風化層。

圖1 工程地質剖面

暗洞施工采用新奧法施工原理，堅持“短進尺、強支護、勤量測、快封閉”的原則。董奉山隧道設計上采用4洞并行方案，在洞口段每相鄰兩洞之間凈距為12.9～17.0 m，屬于小凈距結構形式，在考慮施工安全，保證施工質量及施工組織有效協調的情況下，輔路隧道左右洞應先行進洞施工，較主路隧道形成先行洞。

根據區域氣象資料，該區域24 h最大降雨量為242 mm，為了分析隧洞邊坡的最不利工況，將該降雨量作為模擬的邊界條件，分析不同時刻隧洞內地下水位的變化情況，從而計算不同時間、空間土體的孔隙水壓和孔隙氣壓大小。按照非飽和土體的有效應力原理，得到了土體在不同時刻的抗剪強度，進而得到了不同時刻隧洞邊坡的穩定性情況。

2.1 隧址區非飽和土力學指標

采用室內直剪試驗方法，測得董奉山隧址區坡積粉質黏土和全風化凝灰熔巖飽和度分別為0.3，0.6和1.0，如表1所列。

根據表1強度指標，結合文獻[3，10]中的曲線類型，擬合得到了董奉山隧址區兩種主要土的內摩擦角和黏聚力隨飽和度的關系曲線。

坡積粉質黏土：

(5)

(6)

全風化凝灰熔巖：

(7)

(8)

2.2 明洞段開挖

根據勘察地質資料，隧址邊坡主要有全風化凝灰熔巖和坡積粉質黏土，兩種土體的滲透性系數低，土體排水速度慢。隧洞明洞段開挖深度小、開挖作業面多、施工速度快。

當明洞開挖速度較快時，土體內部的水來不及排出或者排出量不足以改變整個地下水的分布情況，因此忽略該階段土體內的排水和地下水位的變化，開挖后土體內的浸潤線與開挖前相同。

采用三維有限元分析方法分析明洞段開挖后地下水滲流場，地面以下2 m為穩定區域，取初始地下水位，明洞段開挖坡腳為開挖區域出水點。

圖2 明洞開挖后浸潤線-孔隙水壓力分布

根據水位線位置，將坡積粉質黏土層分為兩層，浸潤線以上部分按照干土處理，其飽和度為Sr=0；浸潤線以下土體視為飽和狀態，其飽和度Sr=1，按照式(5)～(8)的函數關系，得到各土層浸潤線上下的強度參數?；诓牧夏獱?庫侖強度破壞理論，采用強度折減法得出開挖后邊坡穩定性情況如圖3所示。

圖3 明洞開挖后隧洞仰坡穩定性情況(FS=0.993)

圖3分析結果表明，在坡積粉質黏土和全風化凝灰巖中快速開挖時，隧道洞頂邊坡穩定性為0.993，小于1.0，屬于不穩狀態，邊坡容易出現失穩破壞。因此當快速進行坡積粉質黏土段開挖時，應及時采取一些工程措施，或者控制好施工速度，及時將邊坡地下水排出。分析結果表明，當施工速度緩慢，讓坡體內部水及時排出或者引出來后，其邊坡穩定性系數最大可以提升至1.366，達到安全的標準。具體施工速度尚應結合土體的滲透特性進行深入的分析。

2.3 隧洞暗挖洞口仰坡地下水的變化情況

暗洞段隧道施工工序復雜，施工速度緩慢，故認為在隧道開挖過程中，土體內部水可以通過隧道側面和徑向導水孔排出來。周邊土體可以得到有效的排水固結，開挖后浸潤線如圖4所示。

模擬結果表明(見圖5)，隨著隧道掌子面的向前推進，隧道二襯與圍巖間預留的徑向和軸向導水孔成為了地下水排泄通道。由于該隧道屬于淺埋隧道，洞頂范圍內的地下水被有效引流，洞口邊坡處于較干狀態，此時邊坡最小安全系數為1.366。

2.4 降雨入滲與地下滲流場分析

實際過程中洞頂邊坡并非處于完全干涸狀態，在長期的施工過程中，大氣降雨是洞頂邊坡的主要給水來源。根據福州市氣象資料，該區域最大日降雨量為242 mm/d，將該雨量平均加載到模型邊界上，則為2.8×10-6m/s。

隨著降雨的持續，大氣降雨逐步滲入地下，邊坡表面土體由干涸狀態向非飽和狀態、飽和逐步過渡，整個過程中其體積含水量和基質吸力是存在一定的關聯。根據非飽和土滲透特性，按照van Genuchten模型[6]，得到了邊坡在降雨過程中地下水的變化情況，如圖6～7所示。

圖6 降雨過程中地下滲流場

圖6是降雨持續20 h邊坡內各點地下水的入滲情況，該圖顯示在距離地表、坡面一定距離的地方，大量的降水入滲到地面以下成為地下水。由于原地下水埋深較淺，因此遠離隧道區域的地下水和地表降雨已經形成了水力聯系，但是洞頂邊坡上只是形成了一定厚度的飽水層。隨著降雨時間的持續，飽水層的厚度不斷增加，同時飽水帶內的負孔隙水壓力也逐漸減小，如圖7所示。

圖7 洞口一定范圍內孔隙水壓力-降雨時程曲線

2.5 邊坡動態穩定性分析結果

根據式(3)～(4)，隨著土體負孔隙水壓力逐漸降低，土體有效應力也逐漸下降，其有效抗剪強度呈下降趨勢。與此同時，隨著飽水區域的不斷擴大與延伸，邊坡坡面附近的軟化區域逐漸增加，不利于坡面的自穩。根據2.3節中地下水的分析結果，結合軟化區域巖體強度參數變化規律，分別計算邊坡在持續降雨2～20 h時，洞頂邊坡的最小安全系數如圖8所示。

圖8 最小安全系數-降雨時間關系曲線

當降雨時間持續2 h時，洞頂邊坡的最小安全系數為1.254，仍滿足規范的要求；當降雨持續時間為8 h時，邊坡的最小安全系數為1.110，此時仍然處于穩定狀態，但其安全儲備已經小于規范要求；當降雨持續時間為10 h時，邊坡的最小安全系數為1.049，邊坡進入極限平衡狀態；當持續降雨時間為18 h時，邊坡最小安全系數為0.994，邊坡進入不穩定狀態。

隧址區位于董奉山山腳位置，雖然洞口附近地形平坦，但是受到山脊分水嶺范圍的匯水影響，除了洞口仰坡范圍內直接大氣補給外，還受到山體匯水的影響，由于該部分內容不容易量化分析，在模擬過程中忽略了地表匯水對邊坡的影響，因此實際過程中邊坡所處的環境比模擬情況更加復雜、承受的安全風險也更大。

3 結 論

洞口邊坡的失穩是軟土地區隧道開挖時常見的地質災害之一。本文針對軟土地區隧道開挖時地下水的變化特征、土體力學特性關系，考慮了施工影響和大氣降雨兩種因素，分別得到了不同狀態下洞口邊坡的穩定性情況，具體結論如下：

(1)軟黏土的強度參數隨飽和度(含水量)增加近似成反比例降低。通過室內試驗，確立了坡積粉質黏土、全風化凝灰熔巖的強度指標與飽和度之間的數學的關系。關系曲線表明，隨著飽和度(含水量)的增加，土體的強度指標呈負相關性。

(2)軟黏土明洞段快速開挖不利于隧洞洞口邊坡的自穩。該隧道軟黏土的滲透系數很小，當明洞開挖速度過快時，土體內部的滲流場來不及調整，此時洞口邊坡的最小安全系數為0.993，邊坡處于不穩狀態。

(3)暗洞段的隧道開挖有利于洞頂土層的排滲和邊坡穩定。在隧道洞口附近，通過預設徑向和軸向導水孔，可以明顯降低洞頂土層的含水量從而提高邊坡的穩定性。

(4)長時間的大氣降雨不利于洞口邊坡的自穩。強降雨小于2 h時，董奉山隧道洞口邊坡能夠維持穩定狀態，當達到10 h時址體進入極限平衡狀態，超過18h時進入破壞狀態。