某隧道邊坡穩定性研究

周業萍 常 嘉

(武漢地鐵集團有限公司，湖北武漢 430030)

0 引言

邊坡問題無論是在施工過程中還是在工程建成后，邊坡失穩問題一直威脅著工程的質量。因此對邊坡穩定性的研究，歷來是工程技術人員非常關心的課題。而目前運用剛體極限平衡法能夠比較容易地處理各種復雜的幾何形狀和各種類型的邊界條件，解決難以用解析法求解的力學問題。因此，它成為解決復雜巖土體力學問題的有力工具。

本文圍繞某隧道邊坡穩定性，在工程地質調查的基礎上，進行邊坡地質模型概化與試驗參數研究，運用剛體極限平衡法對邊坡在不同工況下的穩定性進行計算，最終對該隧道邊坡穩定性進行綜合分析與評價，并為進一步探討該隧道邊坡的加固方案提出了合理建議。

1 工程概況

在建的某隧道是某高速公路重要控制工程之一，隧道上方邊坡工程主要為巖質挖方路塹邊坡，該邊坡巖石力學性質較差。隨著隧道的開挖可能導致其上方邊坡發生嚴重變形甚至破壞。因此有必要對其進行系統性的穩定性研究。

1.1 區域地質背景

邊坡區內構造形跡以NNE向為主。工程場區位于養長河背斜北西翼，其周邊5 km2范圍內沒有大的斷層出露，巖層產狀總體穩定，約330°∠40°。在橋址周圍發育眾多不同形態的結構面(包括裂隙面和層面)，這些結構面對橋頭邊坡穩定性起控制作用。

研究區主要出露三疊系下統大冶組碳酸鹽巖地層，另外在河床底部出露有一定厚度的沖洪積層。

1.2 氣象與水文地質

研究區屬潮濕氣候溫暖區，春早、夏熱、秋雨綿綿，冬暖而多霧，無霜期長，氣候溫暖濕潤，雨量充沛。地下水主要為巖溶裂隙水和松散堆積體孔隙水。地下水補給主要靠大氣降水，且大多以地表徑流的方式向河谷區排泄。

2 邊坡變形破壞現狀

目前，邊坡巖體受構造、侵蝕、風化、卸荷及人類工程活動影響，局部地段有明顯的變形破壞跡象，隨著裂隙面規模逐漸擴大，力學特性逐漸開始弱化，并逐步形成裂隙帶、軟弱層面、層間軟弱帶。

同時，因20世紀70年代修建水電站而開挖的引水渠，致使在坡腳帶形成了高3 m～8 m不等的臨空面，臨空面以上塊體不能自穩，進而發生順層面或裂隙面的滑動破壞，其中部分巖體的失穩又會帶動周邊塊體的漸進性失穩、破壞。而隨著隧道施工的進行，坡體將可能由于坡腳的破壞、坡體自重、動水壓力及其他荷載共同作用下發生進一步的失穩。

3 邊坡穩定性分析

為了對邊坡穩定性進行合理分析與評價，考慮邊坡的潛在變形破壞以順層破壞為主，故選取走向與巖層傾向一致的工程地質剖面，按最不利組合模式，剖面中共有3個代表性潛在滑移體，其位置形態如圖1所示。

3.1 計算參數選擇

控制性結構面的抗剪強度參數是邊坡穩定性計算的關鍵指標之一，滑動面的剪切強度參數通常依據以下三種數據來確定，即試驗數據、極限狀態下的反算數據和經驗數據。

本文根據現場采集代表性結構面樣和巖塊樣，基于室內試驗，分析這些樣本在天然和飽水狀態下的物理力學參數，并確定飽水參數和天然參數之間的相關關系。由于室內試驗存在尺度效應和時間效應等問題，其成果往往難以直接應用到工程穩定性評價及治理設計中，所以在本次研究中還開展了反演分析，并參照了現有規程規范給出的經驗參數，以及以往的工程經驗，最后綜合確定了控制性結構面抗剪強度參數取值。

3.2 穩定性計算與評價

根據前期勘察資料與地質模型，可以概化出如圖2所示的極限平衡分析計算模型。其中圖2a)～圖2c)為剖面1中的潛在滑移體，編號分別為1-1，1-2和1-3。

由于傳遞系數法適用于滑面為任意形狀的滑體，并可考慮坡體自重、暴雨和地震等荷載及各個滑塊不同抗剪強度參數的影響。因此，本文針對兩種工況對潛在滑移體穩定性系數進行計算，兩種工況如下:

工況1:當前天然狀態;工況2:坡腳開挖+暴雨+地震工況(最不利工況)。

經計算，最終得到穩定性系數計算結果，如表1所示。從表1可以看出，邊坡目前條件下整體穩定性較好，同時該邊坡在暴雨狀態下穩定性較差，需要采取相應的防護措施。

表1 邊坡穩定性系數計算結果表

4 結語

本文通過對某隧道順層邊坡巖體變形模式分析，并基于剛體極限平衡法計算了不同工況條件下的安全系數，得出如下結論和建議:

1)邊坡的潛在變形破壞模式有兩種:

其一是單純的順層面向臨空面的滑移破壞;

其二是部分順層面、部分剪切巖體的組合破壞。

2)通過宏觀地質調查和數值計算結果表明:自重荷載作用下，隧道邊坡變形相對均勻，變形主要以沉降為主，邊坡整體穩定性較好，隧道的開挖會導致邊坡穩定性一定程度降低，而暴雨工況會進一步導致邊坡穩定性顯著降低。基于以上情況，建議消除邊坡的臨空面，加強邊坡的截排水工程以增加邊坡穩定。

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