基于強(qiáng)度折減法的河漫灘軟土淺埋偏壓連拱隧道洞口邊坡穩(wěn)定性研究*

祝 歡,吳 濤,周小涵,張吉祿,劉瀚之,張馨元

(1.南京市公共工程建設(shè)中心,江蘇 南京 210019; 2.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶 400045;3.重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400045)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,以“十縱十橫”為背景的綜合交通運(yùn)輸體系正日趨完善,其中隧道工程因?yàn)榫邆淇s短行車距離、克服高程差、利于環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)成為交通網(wǎng)絡(luò)中極為重要的一環(huán)[1]。然而,由于我國山地、丘陵面積占比較高,在工程選址選線條件約束下,淺埋偏壓連拱隧道逐漸成為隧道建設(shè)中較為常見的類型之一[2]。通常來說,淺埋偏壓隧道的上覆土層較薄、圍巖強(qiáng)度較低,其開挖會(huì)對(duì)邊坡產(chǎn)生很大影響,特別是在軟弱地層背景下,洞口處坡體與隧道的整體穩(wěn)定性難以得到保障[3]。

目前,國內(nèi)外學(xué)者就隧道洞口處的邊坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行了大量研究。蔣楚生[4]利用反分析法確定了邊坡的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面,并對(duì)二郎山隧道的安全系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算分析;劉小兵等[5]根據(jù)不同地層條件,將多種土質(zhì)的圓弧破壞面轉(zhuǎn)動(dòng)平衡分析方法應(yīng)用到隧道洞口處邊仰坡的穩(wěn)定性分析中,從而判斷出最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面;趙金等[6]以我國西部地區(qū)大量公路隧道為背景,將隧道與洞口滑坡體系分為與滑面相交和下穿滑體2種模式,并指出與滑面相交的隧道會(huì)直接受到剩余滑坡推力作用,而下穿滑體的隧道則主要承受附加荷載影響,并在附加荷載作用下易產(chǎn)生拉張裂縫,進(jìn)而發(fā)生壓饋破壞;柳墩利[7]運(yùn)用模型試驗(yàn)的方法對(duì)隧道掌子面推進(jìn)工程中邊坡與隧道圍巖和應(yīng)力變化情況進(jìn)行了研究,得出當(dāng)隧道開挖完成后拱頂處于臨空狀態(tài)時(shí)邊坡穩(wěn)定性受到的影響最大這一結(jié)論,從而提出先治坡后進(jìn)洞的施工建議;李榮建等[8]利用一種側(cè)向加載模型箱,對(duì)隧道是否被邊坡潛在滑動(dòng)面貫穿的2種工況下坡體的受力及變形情況進(jìn)行了分析,指出邊坡潛在滑動(dòng)面會(huì)增大隧道臨近坡面?zhèn)裙澳_處的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。而在數(shù)值模擬方面,張永興等[9]利用FLAC3D軟件對(duì)某淺埋偏壓隧道進(jìn)口段進(jìn)行了動(dòng)態(tài)施工分析,得出洞口處邊仰坡變形規(guī)律,并提出及時(shí)施作仰拱和二次襯砌的工程建議;王軍等[10]采用改進(jìn)的黏彈塑性模型,利用有限差分法對(duì)山區(qū)邊坡和坡頂隧道進(jìn)行聯(lián)合穩(wěn)定性分析,確定了邊坡潛在滑動(dòng)帶和隧道影響區(qū);張偉等[11]采用非線性有限元法對(duì)寶雞天水高速公路碼頭隧道洞口邊坡進(jìn)行了分析,探討了該坡段的變形和塑性區(qū)分布特征,從而得到了滑動(dòng)面;邵珠山等[12]分析了不同坡角、不同隧道開挖位置條件下邊坡的穩(wěn)定性情況,并指出隧道開挖距坡面越遠(yuǎn),邊坡受到擾動(dòng)越小;陳沖等[13]、黎慧珊等[14]、鄭明新等[15]、郭義飛[16]分別探討了錨桿、抗滑樁、注漿及生物護(hù)坡等措施對(duì)邊坡的加固效果。

然而,目前對(duì)長江中下游地區(qū)河漫灘軟弱土層地質(zhì)背景下,大跨淺埋偏壓連拱隧道的洞口段變形規(guī)律研究不足,尚未探明不同邊坡角度和隧道埋深條件下坡體的穩(wěn)定性情況及邊坡-隧道的破壞模式隨隧道開挖的發(fā)展規(guī)律,難以采取針對(duì)性加固措施保證工程安全。基于此,本文以南京市烏龍山雙連拱隧道為背景,采用ABAQUS有限元軟件建立數(shù)值模型,模擬分析了不同邊坡角度和隧道埋深條件下隧道施工過程中進(jìn)洞口處邊坡的安全系數(shù)變化特征及潛在破壞面發(fā)展規(guī)律,并提出相應(yīng)的施工建議,研究成果可為類似工程建設(shè)提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

烏龍山隧道位于南京市仙新路過江通道南岸、疏港大道北側(cè),為過江通道中十分重要的節(jié)點(diǎn)工程。根據(jù)現(xiàn)場鉆孔探測結(jié)果及區(qū)域地質(zhì)資料顯示,隧道施工區(qū)域的地勢起伏很大,主體由走向?yàn)闁|北～西南分布的一級(jí)隆起帶和沉降帶組成,為構(gòu)造剝蝕殘丘地貌。隧道開挖范圍內(nèi)填土成分包括道路路基及建筑垃圾,工程性質(zhì)差,填土下主要為軟塑～硬塑狀粉質(zhì)黏土,厚度在5～30m,粉質(zhì)黏土多為中等壓縮性土,透水性較弱。下伏基巖主要包括白堊系葛村組礫巖及泥質(zhì)粉砂巖,全、強(qiáng)風(fēng)化帶發(fā)育,隧道圍巖級(jí)別以V級(jí)為主,局部地區(qū)為Ⅳ級(jí)。隧址區(qū)地貌特征如圖1所示。

圖1 隧道地質(zhì)縱斷面示意

1.2 工程設(shè)計(jì)概況

烏龍山隧道總體呈南北走向,起止樁號(hào)為K5+890—K6+137,設(shè)計(jì)為雙向6車道連拱隧道。隧道總長為247m,跨度為33.3m,凈高為10.9m,最大埋深僅35m。隧道洞口段位于滑坡體上,其進(jìn)出口50～70m 范圍均為淺埋偏壓段,地形橫坡陡峭且存在結(jié)構(gòu)局部外露現(xiàn)象。尤其對(duì)于K5+920—K5+960段而言,其最淺埋深<4m,若貿(mào)然對(duì)洞口段進(jìn)行開挖易發(fā)生隧道圍巖失穩(wěn)及坡體滑移現(xiàn)象。隧道洞口段地形如圖2所示。

圖2 隧道洞口段施工

2 有限元模型建立

2.1 模擬工況設(shè)計(jì)

為了研究長江中下游河漫灘軟弱土層地質(zhì)背景下,淺埋偏壓連拱隧道開挖時(shí)進(jìn)洞口段的安全穩(wěn)定性特征,本文分別建立邊坡角度為30°,45°,60°及隧道埋深為0.5h,h,1.5h(h為隧道洞高)條件下的二維數(shù)值模型,計(jì)算分析其邊坡安全系數(shù)與潛在破壞模式,并與無隧道開挖時(shí)的天然邊坡進(jìn)行比較。隧道開挖過程簡化為全斷面開挖,施工工序主要包括:①隧道淺埋側(cè)(左洞)開挖;②隧道淺埋側(cè)(左洞)施作襯砌;③隧道深埋側(cè)(右洞)開挖;④隧道深埋側(cè)(右洞)施作襯砌,共計(jì)12種工況,各工況類型具體如表1所示。

表1 模擬方案工況

2.2 模型參數(shù)選取

本計(jì)算模型圍巖材料采用Mohr-Column準(zhǔn)則,隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置為彈性材料。土體及支護(hù)參數(shù)根據(jù)相關(guān)地質(zhì)勘察資料及JTG/T D70—2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》[17]確定,具體如表2所示。

表2 土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

2.3 強(qiáng)度折減方案

有限元強(qiáng)度折減法的基本原理是將邊坡土體的重力加速度視為常數(shù),將土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c和tanφ除以相同的折減系數(shù)Fs,從而折減得到1組新的參數(shù)c1和φ1,并把折減后的土體參數(shù)作為新的計(jì)算參數(shù)代入有限元模型中重新計(jì)算,經(jīng)過多次循環(huán)后使得邊坡土體達(dá)到極限平衡狀態(tài),而后失穩(wěn)破壞,破壞時(shí)所對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)Fs和破壞面可被認(rèn)定為邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)與失穩(wěn)滑動(dòng)面[18-19]。

通常而言,當(dāng)有限元程序計(jì)算不收斂且坡體中出現(xiàn)塑性貫通區(qū)時(shí)[20],可認(rèn)為邊坡達(dá)到破壞狀態(tài)。而在本工程中,為了考慮隧道開挖的效應(yīng),將隧道臨時(shí)支護(hù)強(qiáng)度和邊坡土體的強(qiáng)度參數(shù)同時(shí)進(jìn)行折減,折減公式如式(1)、式(2)所示,具體折減參數(shù)如表3所示。

(1)

表3 土體及臨時(shí)支護(hù)折減參數(shù)

(2)

2.4 模型建立

本文采用ABAQUS有限元軟件對(duì)烏龍山隧道洞口段進(jìn)行建模分析。模型長140m、高66m,其中邊坡高度為36m,邊坡角度依次為30°,45°,60°,隧道拱腳處與坡腳平行,中導(dǎo)洞洞寬約5m,主洞洞跨約14m,埋置深度分別為洞高的0.5～1.5倍。隧道施工順序均為淺埋側(cè)(左洞)開挖—淺埋側(cè)(左洞)支護(hù)—深埋側(cè)(右洞)開挖—深埋側(cè)(右洞)支護(hù),具體設(shè)計(jì)參數(shù)及開挖過程如圖3,4所示。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型示意(單位:m)

圖4 隧道施工流程示意

模型左、右兩側(cè)施加水平約束,下邊界施加固定約束,上部考慮為自由面。模型網(wǎng)格劃分采用CPE4 四結(jié)點(diǎn)雙線性平面應(yīng)變四邊形單元,隧道開挖采用單元生死法。

3 淺埋偏壓連拱隧道洞口段開挖坡體穩(wěn)定性分析

3.1 30°坡角下邊坡安全系數(shù)

洞口段邊坡隨隧道開挖產(chǎn)生的安全系數(shù)發(fā)展曲線如圖5a所示,當(dāng)坡角為30°時(shí),邊坡在天然工況下的安全儲(chǔ)備較高,其穩(wěn)定性安全系數(shù)為2.422。而在隧道開挖階段,邊坡安全系數(shù)較開挖前呈現(xiàn)出先減小再增大趨勢,其中深埋側(cè)隧道(右洞)施工階段的安全系數(shù)比淺埋側(cè)隧道(左洞)更高。這主要是因?yàn)樗淼篱_挖時(shí),洞室周邊的圍巖及邊坡土體都受到較大擾動(dòng),此時(shí)邊坡穩(wěn)定性大幅度下降;而當(dāng)支護(hù)施作完成并封閉成環(huán)后,隧道圍巖受到的擾動(dòng)被有效減小,且襯砌結(jié)構(gòu)能有效阻斷坡體潛在滑移面的滑移路徑發(fā)展,進(jìn)而顯著提高邊坡穩(wěn)定性;等到隧道深埋側(cè)開挖時(shí),淺埋側(cè)已完成支護(hù),故該階段邊坡的安全系數(shù)更高。

當(dāng)洞口段邊坡角度為30°時(shí),隧道各埋深條件下淺埋側(cè)左洞開挖階段的坡體安全系數(shù)較接近,最小為1.874,較天然狀態(tài)下降低22.6%;而當(dāng)深埋側(cè)右洞支護(hù)完成后,邊坡安全系數(shù)開始產(chǎn)生一定差異,3種埋深下安全系數(shù)分別為2.604,2.544,2.374,較開挖階段分別提升39.0%,35.8%,26.7%,尤其對(duì)于埋深為0.5倍洞高和1倍洞高2種工況而言,其邊坡安全系數(shù)比天然狀態(tài)下更高。故由此可知,隧道埋深越淺,襯砌結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡的支護(hù)作用越明顯;且在30°坡角工況中,當(dāng)隧道洞頂埋深降低到1倍洞高以下時(shí),隧道支護(hù)后洞口段邊坡比天然階段更穩(wěn)定。

當(dāng)隧道埋深達(dá)到洞高的1.5倍時(shí),隧道深埋側(cè)開挖時(shí)的坡體安全系數(shù)與淺埋側(cè)十分接近,兩者均在1.85～1.9;且隧道支護(hù)完成后邊坡的安全系數(shù)較天然狀態(tài)有所降低。故由此可知,襯砌結(jié)構(gòu)對(duì)坡體的支護(hù)作用影響范圍約為隧道洞高的1.5倍。

3.2 45°坡角下邊坡安全系數(shù)

45°坡角下隧道洞口段邊坡的安全系數(shù)曲線如圖5b所示,當(dāng)隧道未開挖時(shí),其穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.744。當(dāng)隧道施工時(shí),坡體在開挖階段的安全系數(shù)較小,支護(hù)階段安全系數(shù)較大,而與坡角為30°時(shí)相比,各工況的安全系數(shù)均明顯減小。由此可知,坡角增大時(shí),隧道洞口段的邊坡穩(wěn)定性會(huì)相對(duì)降低。

在不同埋深下隧道開挖的3個(gè)工況中,淺埋側(cè)左洞開挖階段的邊坡安全系數(shù)分別為1.155,1.236,1.307,與天然狀態(tài)相比最高降低33.8%;深埋側(cè)右洞開挖時(shí)的安全系數(shù)可達(dá)1.6以上,較淺埋側(cè)開挖時(shí)可提高40%以上。故由此可知,45°坡角條件下淺埋偏壓連拱隧道的開挖對(duì)邊坡的擾動(dòng)效果比30°時(shí)更明顯,左、右洞開挖階段的安全系數(shù)差距也比30°時(shí)更大,并且當(dāng)隧道埋深增大時(shí),開挖階段的邊坡穩(wěn)定性會(huì)相應(yīng)提高;但在支護(hù)階段,隧道埋深越淺時(shí),安全系數(shù)反而越高,且安全系數(shù)最高為2.076,比未開挖時(shí)高19%,達(dá)到左洞開挖階段的1.8倍。故由此可知,及時(shí)施作襯砌對(duì)提高洞口段邊坡穩(wěn)定性有良好效果,且45°坡角條件下該支護(hù)效果比30°時(shí)更優(yōu)。

當(dāng)隧道埋深為洞高的1.5倍時(shí),深埋側(cè)施工階段的洞口段邊坡安全系數(shù)比淺埋側(cè)更低,故由此可知此時(shí)隧道襯砌對(duì)坡體支護(hù)作用已明顯弱化。此外,在深埋側(cè)右洞開挖這一施工步中,邊坡安全系數(shù)為曲線中的最小值,僅為1.107,施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)邊坡位移的監(jiān)測以預(yù)防坡體失穩(wěn)。

3.3 60°坡角下邊坡安全系數(shù)

60°坡角下隧道洞口段坡體的安全系數(shù)變化曲線如圖5c所示,當(dāng)隧道未開挖時(shí),自然邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.33,其已不滿足GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[21]中對(duì)一級(jí)永久性邊坡穩(wěn)定安全性系數(shù)應(yīng)>1.35的要求,因此對(duì)于烏龍山隧道工程背景,60°邊坡的穩(wěn)定性不高。而在隧道施工階段,坡體穩(wěn)定性安全系數(shù)的變化規(guī)律整體與前述2種坡角的工況類似,即開挖階段安全系數(shù)較小,支護(hù)階段安全系數(shù)大幅度提高。

在3種埋深條件下隧道淺埋側(cè)左洞開挖時(shí),其坡體安全系數(shù)分別為0.656,0.773,0.931,其中0.5倍埋深條件下的邊坡安全系數(shù)最低,比未開挖時(shí)降低50.7%,降低程度比坡角為30°和45°時(shí)都嚴(yán)重;而深埋側(cè)右洞開挖階段的安全系數(shù)分別為1.322,1.213,0.861,與左洞施工時(shí)相比提升幅度最大可達(dá)1倍。由此可見,隧道開挖會(huì)大幅度降低邊坡穩(wěn)定性,當(dāng)坡角越大時(shí),隧道開挖后坡體的安全系數(shù)降低越嚴(yán)重,且左、右洞開挖階段的安全系數(shù)差距越大;而隨著開挖隧道埋深的增加,坡體穩(wěn)定性會(huì)得到一定修復(fù)。此外,3種埋深下邊坡在隧道開挖階段的安全系數(shù)均<1.0,即按規(guī)范應(yīng)被判定為不穩(wěn)定邊坡,因此施工時(shí)必須采取施作抗滑樁、錨桿等措施以約束邊坡位移,保證坡體穩(wěn)定性。

在隧道支護(hù)階段,隧道埋深越小時(shí),邊坡安全系數(shù)整體越高。當(dāng)隧道埋深為洞高的0.5倍時(shí),隧道深埋側(cè)襯砌支護(hù)階段邊坡安全系數(shù)為1.582,比天然狀態(tài)下高出18.9%,約為淺埋側(cè)開挖階段的2.4倍,支護(hù)階段較開挖階段安全系數(shù)的提高幅度遠(yuǎn)高于坡角為30°和45°時(shí)的工況。由此可知,對(duì)于淺埋偏壓連拱隧道,及時(shí)完成襯砌結(jié)構(gòu)的施作可有效提高洞口段邊坡穩(wěn)定性,且襯砌對(duì)邊坡的加固效果會(huì)隨坡角的增加而提高。而在隧道埋深為洞高的1.5倍時(shí),其深埋側(cè)施工階段的邊坡安全系數(shù)比淺埋側(cè)更低,施工完成后安全系數(shù)為1.244,較天然狀態(tài)低6.5%,故再次驗(yàn)證,當(dāng)隧道埋深為洞高的1.5倍及以上時(shí),襯砌對(duì)邊坡的支護(hù)效果相對(duì)有限。

4 淺埋偏壓連拱隧道-邊坡破壞模式

4.1 不同坡角下隧道-邊坡破壞模式

不同邊坡角度下隧道開挖過程中邊坡破壞時(shí)的土體塑性區(qū)分布如圖6所示,因篇幅有限,本小節(jié)僅以1倍洞高埋深的工況為例進(jìn)行分析,其余埋深條件下所得的規(guī)律與分析工況相對(duì)類似。由圖6a可知,當(dāng)隧道并未開挖時(shí),天然邊坡的塑性貫通區(qū)均從邊坡上部延伸至坡腳處,即坡體在自然條件下會(huì)發(fā)生土體剪切破壞,從而沿坡腳處發(fā)生滑移。

圖6 不同坡角下邊坡塑性區(qū)分布

而由圖6b,6c,6d 來看,不同坡角下隧道開挖以來,洞口段邊坡-隧道的潛在破壞模式會(huì)隨施工而產(chǎn)生顯著變化,但破壞模式相對(duì)類似,具體表現(xiàn)為:邊坡坡腳剪切滑移及淺埋側(cè)隧道冒頂塌陷破壞(淺埋側(cè)開挖階段)→邊坡及淺埋側(cè)隧道拱頂剪切滑移破壞(淺埋側(cè)支護(hù)階段)→邊坡中上段土體剪切破壞、淺埋側(cè)隧道拱頂剪切及深埋側(cè)隧道冒頂塌陷破壞(深埋側(cè)開挖階段)→邊坡及淺埋側(cè)隧道拱頂剪切滑移破壞(深埋側(cè)支護(hù)階段)。待隧道施工完成后,坡體滑動(dòng)面會(huì)隨著邊坡角度的增大而向坡段上部轉(zhuǎn)移,尤其當(dāng)邊坡角度達(dá)到60°時(shí),坡體剪切滑動(dòng)破壞面不再抵達(dá)坡腳,而是從隧道淺埋側(cè)拱頂附近滑出,且滑動(dòng)面寬度明顯比30°和45°坡角情況下更大,安全性更低。

故綜合以上分析可知,對(duì)于淺埋偏壓連拱隧道而言,隧道施工將會(huì)明顯影響洞口段邊坡的破壞模式發(fā)展,在隧道開挖階段,邊坡滑動(dòng)破壞面普遍會(huì)穿過隧洞拱肩,隧道存在冒頂塌陷風(fēng)險(xiǎn);而當(dāng)支護(hù)完成后,滑動(dòng)面不再貫穿隧洞,而是從淺埋側(cè)拱頂周圍經(jīng)過。此外,邊坡角度越大,坡體破壞面分布位置越靠上。

4.2 不同埋深下隧道-邊坡破壞模式

在30°,45°,60° 3種坡角條件下,邊坡破壞情況下塑性區(qū)分布在隧道埋深不同時(shí)的變化情況相對(duì)類似,故在本小節(jié)選取45°坡角所對(duì)應(yīng)的工況進(jìn)行邊坡-隧道破壞模式隨隧道開挖的演化規(guī)律分析。如圖7所示,隧道開挖主要被分為淺埋側(cè)(左洞)開挖、淺埋側(cè)(左洞)支護(hù)、深埋側(cè)(右洞)開挖、深埋側(cè)(右洞)支護(hù)4個(gè)施工步,各步驟下洞口段的潛在破壞模式具體如下。

圖7 不同埋深下邊坡塑性區(qū)分布

當(dāng)隧道埋深為洞高的0.5倍和1倍時(shí),邊坡-隧道破壞模式發(fā)展規(guī)律較類似,主要為:邊坡坡腳剪切滑移及淺埋側(cè)隧道冒頂塌陷破壞(淺埋側(cè)開挖階段)→邊坡及淺埋側(cè)隧道拱頂剪切滑移破壞(淺埋側(cè)支護(hù)階段)→邊坡中上段土體剪切破壞及深埋側(cè)隧道冒頂塌陷破壞(深埋側(cè)開挖階段)→邊坡及淺埋側(cè)隧道拱頂剪切滑移破壞(深埋側(cè)支護(hù)階段)。由此可知,當(dāng)隧道埋深較淺時(shí),隧道深埋側(cè)和淺埋側(cè)開挖對(duì)邊坡擾動(dòng)效應(yīng)均十分顯著,邊坡潛在滑動(dòng)面將分別貫穿左、右隧洞拱肩,隧道頂部有冒頂塌陷風(fēng)險(xiǎn),及時(shí)施作襯砌可起到明顯支護(hù)作用,大幅度提升洞頂安全性。

當(dāng)隧道埋深為洞高的1.5倍時(shí),隧道在淺埋側(cè)開挖階段,邊坡潛在破壞面仍會(huì)貫穿隧洞,但邊坡滑出位置從坡腳轉(zhuǎn)移到坡中處,且當(dāng)隧道襯砌支護(hù)完成后,邊坡剪切滑動(dòng)面不再經(jīng)過隧道,而是分布于淺埋側(cè)拱頂上方。

4.3 隧道-邊坡加固措施

淺埋偏壓連拱隧道洞口段破壞模式主要包括邊坡剪切滑動(dòng)破壞和隧道冒頂塌陷破壞。盡管施作襯砌后可明顯降低隧道拱頂塌陷風(fēng)險(xiǎn),但在隧道開挖階段,洞口段邊坡-隧道安全性仍較差,因此需采用坡表注漿等方式對(duì)隧道開挖影響范圍內(nèi)的邊坡土體進(jìn)行加固處理,防止坡體大變形產(chǎn)生。由前述小節(jié)分析可知,邊坡角度與隧道埋深不同時(shí),洞口段邊坡-隧道破壞模式或滑出位置會(huì)發(fā)生變化,因此注漿加固區(qū)域及強(qiáng)度也應(yīng)做出改變。本小節(jié)針對(duì)不同工況分別討論相應(yīng)的加固方案,具體如下。

1)不同坡角的加固 對(duì)于30°和45°的邊坡而言,邊坡的滑動(dòng)面較長,針對(duì)淺埋側(cè)隧道應(yīng)采取坡表注漿方式將隧道周圍土體進(jìn)行加固,其注漿范圍應(yīng)自坡腳至中隔墻上部,注漿深度應(yīng)達(dá)到淺埋側(cè)拱腰位置;而深埋側(cè)隧道施工主要產(chǎn)生拱頂大變形,影響隧道自身穩(wěn)定性,因此需加強(qiáng)隧道圍巖注漿;當(dāng)坡角為60°時(shí),無論淺埋側(cè)還是深埋側(cè)隧道施工,邊坡均在淺埋側(cè)隧道拱頂-拱腰處產(chǎn)生剪切滑移,其中當(dāng)深埋側(cè)施工時(shí)還將產(chǎn)生拱頂大變形,因此深埋與淺埋側(cè)隧道均需采取地表注漿方式進(jìn)行加固,注漿深度應(yīng)不低于隧道拱腰位置。此外,施工時(shí)應(yīng)采取減小水泥粒徑、摻加復(fù)合改性材料和外加劑等方式提高注漿強(qiáng)度,保證注漿加固效果。

2)不同埋深的加固 當(dāng)隧道洞頂埋深為洞高的0.5倍和1倍時(shí),洞口段邊坡-隧道破壞模式相對(duì)類似,淺埋側(cè)隧道施工階段宜對(duì)坡腳以上的坡體進(jìn)行坡表注漿加固;深埋側(cè)隧道施工階段重點(diǎn)對(duì)深埋側(cè)拱頂附近圍巖進(jìn)行加固。當(dāng)埋深為洞高的1.5倍時(shí),淺埋側(cè)隧道開挖階段的坡體滑動(dòng)面不再從坡腳滑出,隧道位于邊坡潛在滑動(dòng)面以下。此時(shí)深埋側(cè)與淺埋側(cè)隧道施工階段均只需加強(qiáng)對(duì)隧道圍巖的加固,不再需要坡表注漿加固。

5 結(jié)語

1)軟弱土層淺埋偏壓連拱隧道洞口段邊坡的安全系數(shù)會(huì)隨邊坡角度的增加或隧道埋深的減小而降低,當(dāng)邊坡角度為60°時(shí),隧道各埋深下淺埋側(cè)開挖階段的邊坡安全系數(shù)均在1以下,不滿足相關(guān)規(guī)范要求,及時(shí)施作隧道的襯砌結(jié)構(gòu)能有效提高邊坡安全系數(shù),但坡角減小或隧道埋深增大時(shí),安全系數(shù)的提升幅度會(huì)有所降低,尤其是當(dāng)隧道洞頂埋深達(dá)到洞高的1.5倍以后,隧道深埋側(cè)施工期間的安全系數(shù)比淺埋側(cè)更低,此時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)對(duì)坡體穩(wěn)定性的提升效果相對(duì)有限。

2)洞口段隧道-邊坡破壞模式與隧道埋深有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性,當(dāng)隧道埋深為洞高的0.5倍和1倍時(shí),坡體與隧道相互間的擾動(dòng)效應(yīng)十分明顯,其開挖階段的破壞模式主要為邊坡滑動(dòng)破壞與隧道冒頂塌陷破壞,支護(hù)階段的破壞模式主要為邊坡及淺埋側(cè)隧道拱頂剪切滑移破壞;而待洞頂埋深達(dá)到洞高的1.5倍以上后,隧道施工后邊坡潛在滑移面位于隧道上方,隧道施工對(duì)坡體穩(wěn)定性影響較小。

3)不同邊坡角度下隧道洞口段的破壞模式發(fā)展規(guī)律相對(duì)類似,但邊坡破壞區(qū)域有所不同,整體而言,邊坡角度越大,坡體破壞面分布位置越靠近坡段上部。當(dāng)邊坡角度為30°和45°時(shí),隧道施工完成后坡體剪切滑動(dòng)面均從坡腳處滑出;而在坡角達(dá)到60°以上時(shí),邊坡滑動(dòng)面沿隧道淺埋側(cè)拱頂附近產(chǎn)生。

4)淺埋偏壓連拱隧道開挖期間洞口段邊坡-隧道安全穩(wěn)定性較差,應(yīng)根據(jù)不同的邊坡角度與隧道埋深采取相應(yīng)的注漿加固方案。當(dāng)邊坡角度<60°或隧道埋深<1.5倍洞徑時(shí),淺埋側(cè)隧道施工前應(yīng)進(jìn)行地表注漿加固,加固范圍為自坡腳至中隔墻,加固深度應(yīng)不小于隧道拱腰埋深,而深埋側(cè)隧道施工時(shí)僅需加強(qiáng)隧道圍巖加固;當(dāng)邊坡角度>60°時(shí),無論深埋側(cè)與淺埋側(cè)隧道,地表均需進(jìn)行注漿加固,加固深度不應(yīng)低于隧道拱腰位置;當(dāng)隧道埋深>1.5倍洞徑時(shí),隧道位于邊坡潛在滑裂面以下,僅需進(jìn)行圍巖注漿加固。