側方隧道開挖對公路路塹高邊坡穩定性的影響

■王晨韜 夏立翔 李軍紅

（新疆交通規劃勘察設計研究院有限公司，烏魯木齊 830006）

山區公路隧道的進出口一般處于淺埋偏壓區域，在隧道施工開挖過程中相鄰邊坡時常發生局部掉塊、塌方等危險，因此如何控制臨近邊坡的穩定性尤為重要[1-4]。 近年來，國內學者對此進行了一些研究，如劉春波[5]結合實際實例開展隧道開挖對邊坡穩定性影響研究，采用有限元數值法分析開挖不同深度對邊坡穩定性的影響；劉志偉[6]利用有限元分析法建立邊坡隧道平面應變模型，對隧道不同開挖位置對邊坡穩定性的影響進行解剖分析；陳思陽等[7]以邊坡穩定性為計算核心，將抗拉、抗剪強度指標引入強度折減法中，設計短臺階、CD 與CRD 等3 種施工方法3D 仿真模型，分析其中對邊坡穩定性影響程度。 本研究以某公路隧道特征斷面為研究背景，通過采用MIDAS GTS NX 有限元軟件建立隧道-邊坡模型，研究了隧道采用CD 法開挖對隧道-邊坡有效塑性應變、 位移變形與安全系數的影響規律，旨在為同類工程的設計與施工提供技術支撐。

1 工程概況

該邊坡及隧道所處區域位于丘陵地帶，隧道開挖范圍位于巖性較差的全風化巖土層，需進行加固設計，據工程地勘資料判定區域圍巖分級為IV～V級。 其中邊坡高度為31.5 m，最大坡度約為60 ，上覆圍巖巖性為全風化花崗巖，中間層為強風化花崗巖，基巖層為弱風化花崗巖，預測滑動區位于全風化花崗巖區域。 地下水主要分為孔隙潛水、基巖裂隙水，地下水主要來源為自然降雨，區域最大自然降雨強度為50 mm/h， 設置有效防排水措施減小地下水、地表水等因素對隧道與邊坡施工整體穩定性的影響。 隧道采用CD 法分階段進行開挖并及時支護，有效保證施工順利進行。

2 仿真模型與計算參數

根據圣維南影響范圍相關規定，利用有限元軟件設置了2D 隧道-邊坡系統模型[8]，構建了隧道-邊坡邊界尺寸（圖1）。 左右與下邊界采用法向位移限制，頂面為無約束邊界（free），巖土體（實體單元）、初期支護（板單元）、錨桿（桁架單元）等材料分別采用MC、彈性、彈性等本構模型，隧道-邊坡數值模型材料參數取值見表1。路塹邊坡設置6 個監測點，對隧道分階段開挖工況下的邊坡穩定性指標進行監測，整理分析對應模擬數據對邊坡穩定性進行評價。

表1 公路隧道-邊坡相關材料參數取值

圖1 隧道-邊坡網格劃分、邊界尺寸與測點設置

3 隧道開挖對邊坡穩定性的影響

邊坡失穩破壞的判定依據主要由模擬計算迭代不收斂、特征位移及應變發生突變、塑性區貫通組成[9]。 常采用強度折減法（SRM）對邊坡安全系數（FOS）進行求解，借助安全系數對邊坡是否發生失穩進行判別。 邊坡穩定性相關指標會于隧道開挖前后會發生顯著變化，本研究通過分析隧道分階段開挖工況下的邊坡有效塑性應變、位移變形與安全系數等變化規律，借助邊坡穩定判據對邊坡穩定性進行評價。

3.1 隧道-邊坡有效塑性應變分析

除圍巖材料本身發生破壞外，塑性區貫通是邊坡發生滑坡塌方災害的主要原因，塑性區也叫塑性應變，是應變（彈性、塑性應變）的一種類型，其中有效塑性應變是指永久應變（未恢復應變），因此為保障隧道施工安全與邊坡穩定性，有必要對隧道開挖進程中的隧道-邊坡有效塑性應變分布規律進行分析。 由圖2 可知，有效塑性應變于初始～I～II～III～IV等階段發生重新分布。（1）隧道未開挖前。塑性應變峰值位于測點3（邊坡危險點），其數值為4.0×10-3，邊坡滑動面主要位于測點1 與測點4 之間，邊坡下半部分塑性應變較小可評價為穩定狀態，隧道未開挖前應對上部邊坡進行防護設計，增加其在隧道施工進程中的穩定性，確保隧道施工穩定與邊坡安全性。 （2）隧道開挖I 階段。 塑性應變峰值發生轉移，其部位變為隧道拱頂，其數值達75.2×10-3，邊坡測點3（邊坡危險點）塑性應變值由初始4.0×10-3減小至1.1×10-3， 其余各測點塑性應變均有所減小，原因為隧道開挖形成臨空面，巖土體向深部收斂導致向外部滑移程度減弱，因此邊坡塑性應變呈現減小趨勢；開挖II～IV 階段，塑性應變峰值所處部位由底部變為拱頂，峰值從45.5×10-3變至67.8×10-3，再變化為94.2×10-3，測點3（邊坡危險點）塑性應變變化過程為：1.1×10-3～0.2×10-3～0.4×10-3～1.6×10-3。 （3）就隧道-邊坡整體塑性應變而言，隨著隧道施工的進行，測點3（邊坡危險點）塑性應變值呈現先減小再增大趨勢，整體塑性應變峰值經歷增大、減小再增大的變化過程，從應變突變判據分析得出：隧道危險節點位于開挖I 階段，隧道頂部應變突變量較大；測點3（邊坡危險點）應變突變現象發生于III～IV 階段，所以應于隧道開挖I、III、IV 階段加強隧道-邊坡支護設計。

圖2 開挖過程中的隧道-邊坡有效塑性應變分布

3.2 隧道-邊坡位移變形分析

無論隧道或邊坡，位移是最直觀反映結構物受力特征的指標。 隧道挖掘過程中，時常由于支護時機與強度偏差導致上部巖土體出現較大變形，嚴重威脅地表結構物安全穩定性，為清楚了解隧道開挖對地表邊坡穩定性的影響，就隧道開挖工況下的邊坡地表沉降、水平位移進行分析，圖3 為隧道-邊坡位移分布云圖（僅列出開挖I 與IV 階段），圖4 為隧道開挖過程中對應測點的位移變化規律。 隨著隧道開挖變形累積，邊坡位移也發生顯著變化，說明隧道-邊坡模型整體協調變形，兩者為相互制約、相互影響的關系， 通過分析相關數據得出下列結論：（1）由圖3 可知，開挖I 階段隧道-邊坡的沉降、鼓起、水平收斂峰值分別為5.5、0.16 與2.8 mm，說明開挖I 階段隧道位移量排序為沉降＞水平收斂＞鼓起； 隨隧道逐步開挖，3 種特征位移峰值的部位、大小均發生改變，開挖完成后的沉降、鼓起與水平收斂峰值分別為59.1、3.1 與33.1 mm。 從隧道位移角度分析得出：受偏壓影響，左半模型位移變化大于右半，特征位移以沉降、水平收斂為主。 以特征位移指標評價隧道穩定性，豎向位移超過28 mm 評價為不穩定， 研究表明隧道于開挖III 階段已處于不穩定狀態，應盡快封閉成環與加強支護設計，以防隧道-邊坡整體失穩。（2）由圖4 可知，隧道-邊坡水平位移峰值、最低值分別位于測點3、測點6，各測點水平位移均隨開挖進行呈現逐步增加趨勢，變化速率由快到慢排序為：測點3＞測點2＞測點4＞測點1＞測點5＞測點6， 水平位移突變發生于II～III 階段區間， 故從位移突變判據分析出隧道III 階段開挖可能導致邊坡失穩；邊坡沉降值大于水平位移，測點1表現為沉降位移峰值且數值高達4.8 mm，從沉降位移規律可看出僅測點1 于開挖III 階段發生突變，突變量約為0.5 mm， 其余測點位移變化不顯著，結合水平位移、 沉降位移綜合確定隧道開挖III 階段為危險階段，邊坡危險點為測點1。

圖3 開挖過程中隧道-邊坡位移分布云圖

圖4 開挖過程中邊坡測點位移變化規律

3.3 隧道-邊坡安全系數分析

GTS NX 有限軟件內置SRM 求解器，可運用強度折減法求解邊坡各階段安全系數，隨著隧道開挖逐步進行，深部巖土體逐漸缺失，邊坡穩定性受隧道開挖擾動呈現逐步下降趨勢，因此求解不同隧道開挖階段工況下的邊坡安全系數，借此評價邊坡穩定性是可行的，隧道未開挖前、開挖完成后的邊坡安全系數分別為1.78 與1.23，邊坡安全系數規范臨界值[11]見表2，公路等級為I 級，為確保隧道-邊坡整體穩定性，安全系數應取較大值，其邊坡安全系數變化過程見圖5。

表2 路塹邊坡穩定安全系數

圖5 開挖過程中邊坡安全系數變化規律

由圖5 可知，邊坡安全系數變化規律可得出以下結論：（1）隧道未開挖前，邊坡處于安全穩定狀態且安全系數有明顯富余，隧道各階段開挖后的邊坡安全系數均發生突變， 由初始1.78 逐步下降至1.60、1.43、1.30 與1.23，下降速率逐步減小，說明隧道開挖對邊坡穩定性有著非常明顯影響，鑒于此在類似隧道工程施工中，應注意附近路塹邊坡是否存在失穩風險，必要時采取措施進行加固，防止人員傷亡與財產損失。 （2）邊坡安全系數隨著隧道逐步開挖呈現逐漸降低趨勢，開挖III 階段的邊坡安全系數已達臨界值，說明若不采取措施進行支護加固，在進行第IV 階段開挖時， 邊坡失穩并有可能產生塌方滑坡事故；開挖完成后的邊坡穩定性為1.23，已低于規范規定臨界值，此刻從邊坡安全系數角度分析出隧道-邊坡處于不穩定狀態，應加強隧道開挖III 階段支護結構設計，避免邊坡安全系數過低。

4 結論

以某公路隧道進口斷面為背景，研究了隧道開挖過程中隧道-邊坡的有效塑性應變、位移變形、安全系數等變化規律，得出以下結論：（1）從隧道-邊坡有效塑性應變層面分析。邊坡危險點為測點3，滑動區位于測點1 與測點4 間；隨著隧道逐步開挖形成臨空面，使得邊坡有效塑性應變呈現逐漸減小趨勢，塑性應變峰值大小、部位均發生變化，從應變突變判據分析出：隧道施工危險節點在第I 階段的拱頂處，邊坡危險點應變突變發生于III-IV 階段，應于隧道開挖I、III、IV 階段加強隧道-邊坡聯合防護。（2）開挖I 階段的隧道特征位移量排序為：沉降＞水平收斂＞鼓起，從極限位移判據角度分析出隧道開挖III 階段已處于不穩定狀態，應盡快封閉成環、加強支護；邊坡水平位移隨隧道逐步開挖呈現增加趨勢，各測點變化速率存在差異，水平位移突變發生于II、III 階段，從水平位移突變判據分析出隧道開挖III 階段工況的邊坡可能失穩，邊坡局部沉降位移于隧道開挖III 階段發生突變，結合整體位移分析得出隧道開挖危險階段為III 階段，邊坡危險點為測點1。 （3）隧道各階段開挖完成后，邊坡安全系數發生降低且下降速率逐步減小，隧道開挖至第III階段的邊坡安全系數已達臨界值，IV 階段開挖完成后的邊坡已失穩，因此在隧道開挖過程中，應注意相鄰高邊坡是否存在失去穩定的風險，必要時應采取措施進行防護，保證隧道-邊坡整體穩定性。