暴雨對隧道仰坡穩定性的影響研究

段緒彬,潘夏瑋,莫千南,潘旭晨,楊志鋼

(廣西路建工程集團有限公司,廣西 南寧 530001)

0 引言

隧道洞口的施工是隧道得以安全貫通的關鍵,其直接影響整個工期的長短及工程造價的多少,然而在實際施工過程中常會發生洞口段仰坡的失穩破壞,進而導致仰坡滑動、坍塌等一系列工程問題[1-3]。出現此類工程問題的原因多為洞口段地質條件差、加固措施不合理及暴雨極端天氣等,隧道的進洞會對仰坡產生擾動,導致其安全系數降低,在暴雨天氣下仰坡的安全系數進一步降低,若采取的加固措施不合理,則會導致仰坡出現坍塌,造成經濟損失及不良的社會影響[4-6]。關于仰坡的穩定性,已有學者進行了研究,張運良[7]以太真隧道為工程背景,研究了隧道進洞的仰坡破壞機理,并對隧道的二次進洞進行了相應研究,給出了相應的仰坡坍塌處理方法。邵珠山[8]以貴州一隧道為工程背景,研究了多種因素對邊坡穩定性的影響,這些因素包括坡角大小、隧道開挖及降雨程度,并進一步研究了采取不同加固措施下的邊坡穩定性。此外還有不少學者研究了仰坡的穩定性及相應的治理措施[9-10],研究的結論雖可為類似工程提供相應參考,然而由于不同工程所對應的地質條件及氣候等存在差異,若僅依靠相似工況下的研究成果,可能無法避免由于多種因素造成的邊坡失穩,由此造成巨大的工程損失?；诖?本文以水口—崇左—愛店公路觀音山隧道為工程依托對仰坡的穩定性進行研究,通過Bishop法及數值模擬對仰坡多種工況下的安全系數進行計算,進一步分析暴雨條件下采取加固措施前后的仰坡穩定性,為現場施工提供指導,并以期為類似工程提供一定參考。

1 工程概況

觀音山隧道位于寧明縣,受海洋季風氣候影響,雨量較多,且在每年的6～8月夏季風極盛,常受臺風影響,多大雨、暴雨天氣。隧址區屬剝蝕-侵蝕低山地貌區,山體陡峭且植被發育,擬建隧道軸線通過路段地面標高為193～541 m,相對高差約348 m,地形坡度為15°～60°。

根據工程地質調繪和鉆孔揭露,觀音山隧道區地層山坡表層存在0.5 m左右的黏土層。洞口段表層即為1 m左右的第四系殘坡積黏土層,下為強風化砂巖泥巖互層,厚度25～30 m,在其下為中風化砂巖泥巖互層。一方面隧道進口段山體陡峭且地質條件差,另一方面所處地區多大雨、暴雨天氣,為保證隧道在暴雨條件下隧道進洞的安全性,有必要對仰坡的穩定性進行研究。

2 隧道洞口仰坡極限平衡分析

2.1 分析方法

極限平衡法的原理如圖1所示,其基本原理為對邊坡土體進行一系列劃分,使其呈現為多個豎直條狀塊體,接著對每個塊體進行靜力分析,得到一系列力的平衡方程及力矩的平衡方程,進而得到相關的邊坡安全系數。目前在實際工程中用得較多的分析方法為瑞典法[11]、Bishop法[12]。

(a)二維滑動土體圖

(b)單元土條圖

相較于瑞典條分法,Bishop法計入了條間水平力的影響,其得到的結果相較于瑞典條分法更為準確,更能契合工程實際,因而應用更為廣泛[13]。故而本文采用GEO.5軟件,基于Bishop法對隧道洞口仰坡進行計算。

2.2 計算參數及工況

根據室內試驗結果并參考相應規范及類似工程,得到各土層的力學參數如表1所示。因洞口段表層的黏土層厚度僅為1 m左右,為方便建模及計算,在該模型中不予考慮。

表1 觀音山隧道洞口仰坡巖土體參數表

采用GEO.5軟件并基于Bishop法分別計算天然狀態及暴雨狀態下觀音山隧道開挖前后的邊坡安全系數,根據《公路路基設計規范》(JTG D30-2004)[14]中的相關規定,隧道仰坡安全系數正常工況下取為1.3,非正常工況下取為1.2。四種工況及其對應的參數取值如表2所示。

表2 分析工況設計及參數選取表

對應的模型尺寸如圖2所示。

圖2 計算模型尺寸示意圖

2.3 結果分析

圖3～6為四種工況下的計算結果圖,圖中安全系數最小值對應弧線為最危險的潛在滑動面。

圖3 工況1計算結果云圖

圖5 工況3計算結果云圖

圖6 工況4計算結果云圖

將4種工況的安全系數進行匯總,如表3所示。

表3 觀音山隧道洞口仰坡安全系數極小值統計表

從表3可知:在未開挖狀態下,暴雨的仰坡安全系數極小值較天然狀態降低34.9%;在未發生暴雨時隧道仰坡開挖并施加錨桿后安全系數極小值較天然狀態降低56.6%,處于基本穩定狀態;在發生暴雨時隧道仰坡開挖并施作錨桿后安全系數極小值較天然狀態降低72.9%,處于不穩定狀態。由此可見,仰坡開挖及暴雨條件對洞口仰坡穩定性影響較大,盡管施加錨桿,暴雨狀態下開挖后的仰坡仍然處于不穩定狀態,為實現安全進洞,需要對仰坡進行其他的加固措施。

3 隧道洞口仰坡有限元分析

為對Bishop法分析得到的仰坡穩定性結果進行驗證,采用數值模擬軟件Midas GTS/NX建立二維有限元模型,對開挖后的仰坡穩定性進行研究。

3.1 模型的建立

觀音山隧道洞口仰坡巖土體采用摩爾-庫侖本構模型,參數如表1所示,尺寸如圖2所示,計算模型及網格劃分見圖7,共劃分節點1 712個、單元1 681個。

圖7 計算模型及網格劃分示意圖

3.2 結果分析

根據數值模擬結果得到自然狀態下仰坡開挖后的水平及豎向位移云圖如圖8～9所示。由圖8可知水平位移主要分布在坡面,尤其在坡腳位置極為明顯,最大值約為12.4 cm,這是由于坡體開挖后剩余坡體的坡面產生應力重分布現象,導致坡面出現應力集中現象,進而引發較大的位移;由圖9可知豎向位移主要發生于開挖部位的地表,地表呈現明顯的隆起狀態,最大值約為14.9 cm,這是因為坡體開挖的卸載作用。將圖9與圖5進行對比可知,Bishop法得到的最危險潛在滑動面的出口位置在開挖后的坡腳附近土體隆起值較大的區域內,且出口位置基本處于隆起值最大處。

圖8 天然狀態下仰坡開挖后的水平位移云圖

圖9 天然狀態下仰坡開挖后的豎向位移云圖

根據數值模擬結果得到暴雨狀態下仰坡開挖后的水平及豎向位移云圖如圖10～11所示。由圖10可知暴雨條件下坡面的水平位移發生很大變化,最大值高達10 m,可知該工況下已發生顯著滑動,另外由圖11可知仰坡坡體上方土體的豎向位移最大值約為4 m,已處于明顯失穩狀態。

圖10 暴雨狀態下仰坡開挖后的水平位移云圖

進一步提取兩種工況下的安全系數,并將其與Bishop法得到的安全系數對比,如表4所示。

由表4可知兩種分析方法得到的安全系數值相差不大,總體上有限元法得到的安全系數稍大于Bishop法。在天然狀態下仰坡開挖后的坡體安全系數均在1.3左右,處于穩定或基本穩定狀態,而在暴雨條件下,兩種計算方法得到的安全系數值分別為0.9及0.8,均處于不穩定狀態。由此可知,暴雨條件下,仰坡土體受雨水入滲的影響,導致其物理力學性質發生較大改變,從而導致仰坡的安全系數大大降低,因而必須采取加固措施保證仰坡的穩定性,使隧道得以安全進洞。

4 加固分析

為保證暴雨狀態下仰坡的穩定性,采取地表注漿的加固方式對強風化砂巖泥巖互層進行加固,建立的模型與圖7一致,區別在于強風化砂巖泥巖互層的物理力學參數的變化,以此體現地表注漿的加固效果,地表注漿加固區及錨桿對應參數如表5所示,錨桿長度取3 m,前文中的錨桿參數與長度與此處一致。

表5 注漿區及錨桿參數表

提取暴雨狀態下加固前后的安全系數如圖12～13所示,同時采用GEO.5軟件得到加固前后的安全系數極小值為1.53,將兩種計算方法下加固后暴雨狀態下的仰坡安全系數進行對比,如表6所示。

圖12 暴雨狀態下加固前仰坡安全系數云圖

圖13 暴雨狀態下加固后仰坡安全系數云圖

表6 加固前后暴雨狀態下的仰坡安全系數對比表

由圖13～14及表6可知,地表注漿能顯著提升坡體在暴雨狀態下的安全系數,其中通過有限元法計算得到的結果得到暴雨狀態下注漿后的安全系數較注漿前提升80.0%,而Bishop法對應提升91.3%,且兩者計算得到的仰坡安全系數結果均>1.3,邊坡處于穩定狀態。由此可見,在采取錨桿支護并輔以地表注漿的方法能保證觀音山隧道洞口仰坡開挖后的坡體穩定性,進而實現安全進洞的目的。

5 結語

(1)Bishop法計算得到仰坡未開挖時天然狀態及暴雨狀態下的邊坡安全系數分別為2.95、1.92,仰坡開挖后的天然狀態及暴雨狀態下的安全系數分別為1.28、0.80;在未開挖狀態下,暴雨時的仰坡安全系數極小值較天然狀態降低34.9%;在未發生暴雨時隧道仰坡開挖并施作錨桿后安全系數極小值較天然狀態降低56.6%,處于基本穩定狀態;在發生暴雨時隧道仰坡開挖并施作錨桿后安全系數極小值較天然狀態降低72.9%,處于不穩定狀態。

(2)數值模擬得到仰坡開挖后天然狀態及暴雨狀態下安全系數分別為1.34、0.90,有限元法得到的安全系數稍大于Bishop法;Bishop法得到的最危險潛在滑動面的出口位置基本處于數值模擬結果隆起值最大處所在位置;暴雨條件下仰坡的安全系數大大降低,必須采取加固措施保證仰坡的穩定性,使隧道得以安全進洞。

(3)在采取地表注漿加固后,Bishop法及數值模擬得到的暴雨狀態下仰坡的安全系數分別提升至1.53、1.62,較未加固分別提升91.3%、80.0%,均大于安全值1.3,邊坡處于穩定狀態。由此可見,在采取錨桿支護并輔以地表注漿的方法能保證觀音山隧道洞口仰坡開挖后的坡體穩定性,進而實現安全進洞的目的。