考慮滲透力和動載時的隧道邊坡穩定性分析

張 恒

(貴州省公路局，貴州 貴陽 550003)

考慮滲透力和動載時的隧道邊坡穩定性分析

張 恒

(貴州省公路局，貴州 貴陽 550003)

結合某隧道工程實例，根據工程現場實測地質參數建立了數值模型，基于強度折減法，計算了考慮動態荷載下隧道邊坡的安全系數，同時針對該邊坡問題提出了加固措施，指出邊坡加固后穩定性顯著提高。

隧道邊坡，安全系數，動態荷載，滲透力

0 引言

隧道與邊坡是鐵路與公路工程中重要的路基設備，隧道邊坡結合了隧道與邊坡的特性，應成為重點關注的對象。鄒金鋒等計算出各種條件下隧道開挖的圍巖應力位移解析解與數值解，為隧道分析提供參考[1-4]。對于邊坡問題，趙建軍[5]研究了邊坡的快速評價方法，陳國慶等[6]采用強度折減法分析了邊坡穩定性，馬建勛等[7]使用有限元軟件分析了邊坡的穩定性。但關于隧道與邊坡結合的情況分析較少。基于此，本文結合實例工程建立數值模型，對考慮動態荷載下隧道邊坡穩定性做了研究，通過計算安全系數評價邊坡穩定性，并且針對該實例邊坡問題提出了建議和加固措施。

1 工程概況

某鐵路路基設備為隧道仰坡，總長72 m。隧道進口和出口寬5 m，高7.5 m。坡體處于中低山區丘嶺地貌區，隧道進出口坡面植被茂盛，多草本植物和青竹。隧道進口混凝土平臺以上為二級塹坡，第一級巖質邊坡高7.2 m，傾角35°；第二級自然土質邊坡高3.8 m，傾角33°。坡面植被茂盛，多蕨類植物和小型樹木，大量落葉堆積。隧道出口漿砌片石護坡以上與隧道進口相似也為二級塹坡，第一級巖質邊坡高8.7 m，傾角38°；第二級自然土質邊坡高2.4 m，傾角19°。坡面植被茂盛，多草本植物和小型樹木，大量落葉堆積(見圖1)。

該地區廣泛分布著白堊系礫巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖等軟質巖石，具有成巖差，易風化、崩解等特殊性質。該邊坡為巖質邊坡，圍巖產狀31°和42°，裸露圍巖有剝落現象，整體圍巖強度較高，節理發育較好。

2 穩定性分析

2.1 地質參數評估

通過集思寶-MG858S對邊坡進行實地量測，并將測量結果導入CAD軟件繪制三維地形圖。綜合以實地勘測資料，并參考水利水電出版社《巖石力學參數手冊》(1991)，對該路塹邊坡地質參數進行取值，結果如表1所示。

表1 邊坡地質參數

2.2 模型建立

數值模擬軟件可以對相對復雜的巖土構筑物進行分析，并可綜合考慮多個復雜因素的影響，計算結果具有較好的參考價值。本研究假定同一層土體為滿足Mohr-Coulomb準則的各向同性體且計算時不考慮土體剪脹角，認為土體降雨入滲為飽和滲流問題，片石擋墻及護坡為彈性材料。參考地形實測結果，建立該邊坡有限元模型，該計算模型取邊坡長度為176 m(沿線路方向長度)，坡頂距路面最大距離18 m，自坡腳向下取10 m，坡腳外側各取10 m，擋墻高為8 m，入口處一級邊坡坡角為48°，二級邊坡坡角35°，三級邊坡坡角為33°；出口處一級邊坡坡角為48°，二級邊坡坡角為38°，三級邊坡坡角為19°。考慮邊坡滲水作用，假設僅有路塹邊坡頂部為自由排水邊界，坡體共劃分11 168個孔壓單元，13 524個單元節點。計算采用的地質參數取表1中參數。考慮滲透力和動態荷載作用，建立該邊坡有限元模型如圖2所示。

2.3 數值計算結果與分析

實際邊坡在長期自重作用下已經達到自身平衡。在數值模擬計算中，由于重力作用會對邊坡產生豎向沉降，給滑動面觀察造成困難，因此首先需要進行地應力平衡計算以消除重力的影響。自重應力作用下的應力云圖與最終位移云圖如圖3所示。邊坡在片石擋墻及護坡處存在應力集中現象，邊坡潛在滑動面自坡腳開始向上延伸貫通。

1)安全系數。采用強度折減法，當強度折減到某一數值時，計算過程中將會出現位移拐點。將計算過程中邊坡頂點出現位移突變視為邊坡失穩，繪制安全系數—位移曲線(如圖4所示)，并且得出該邊坡安全系數為1.031。強度折減系數在0～1.031前邊坡頂點位移變化不大，大于1.031后邊坡位移急劇增加。從塑性區的發展也可看出，路塹邊坡折減系數為1.031時，路塹邊坡塑性區貫通，與數值模擬結果中的位移結果一致，如圖5所示。

2)滑動面。在邊坡穩定性分析中，需要確定滑動面的位置。從位移等值線云圖可以清楚地判斷滑動面的位置。從中可看出，滑動面大致呈圓弧狀，通過邊坡坡腳點。滑動面圓弧半徑為30.25 m左右。滑動面到坡面最大垂直深度約為6.87 m。

3 加固措施

該實例工程中邊坡存在裂縫和滑坡跡象，具有一定的危險性，且該邊坡排水性能不佳，因此提出如下預加固方案：1)清除隧道進口和出口截水溝后面片石護坡表面的青苔和雜草，建議對片石表面出現的裂縫進行重新修復和加固，第一級邊坡進行網格梁護坡或掛網噴漿處理，網格梁之間采用漿砌片石砌筑，加強邊坡的整體性；2)疏浚隧道口上漿砌片石截水溝里面過水口，清除溝內落葉，對漿砌片石表面存在的裂縫和孔洞進行重新修復和加固，加強其排水功能；尤其是在降雨的天氣，要進行雨中重點巡查；3)對隧道出口裸露圍巖剝落較嚴重的地方進行掛網噴漿，保證行車安全；隧道洞口出現的開裂處著重修復，防止隧道襯砌滲水。

4 結語

結合工程實例分析考慮了動態載荷和強度折減法對隧道邊坡安全系數的影響。根據現場實測地形數據建立的數值模型計算，得到邊坡的安全系數，滑動面圓弧半徑，和滑動面到坡面最大垂直深度分別為1.031 m，30.25 m和6.87 m。

最后考慮到該邊坡地質參數離散性及強降雨等不利因素，和該實例工程中邊坡存在裂縫和滑坡跡象，具有一定的危險性，針對該邊坡提出了合理的建議和加固方案，并且在加固后的邊坡穩定性顯著提高。

[1] Zou Jinfeng, Su Yu. Theoretical Solutions of a Circular Tunnel with the Influence of the Out-of-Plane Stress based on the Generalized Hoek-Brown Failure Criterion.International Journal of Geomechanics(ASCE),2015(DOI:10.1061/(ASCE) GM.1943-5622.0000547).

[2] Zou Jinfeng, Li Shuaishuai. Theoretical solution for displacement and stress in strain-softening surrounding rock under hydraulic-mechanical coupling. Science China Technological Sciences,2015,58(8):1401-1413(DOI:10.1007/s11431-015-5885-1).

[3] 鄒金鋒，李帥帥，張 勇，等.考慮軸向力和滲透力時軟化圍巖隧道解析.力學學報，2014,46(5):747-755.

[4] Zou Jinfeng, Li Shuaishuai, Xu Yuan, et al. Theoretical Solutions for a Circular Opening in an Elastic-brittle-plastic Rock Mass Incorporating the Out-of-plane Stress and Seepage Force.KSCE Journal of Civil Engineering,2015(DOI:10.1007/s12205-015-0789-y).

[5] 趙建軍.公路邊坡穩定性快速評價方法及應用研究.成都：成都理工大學,2007.

[6] 陳國慶,黃潤秋,石豫川,等.基于動態和整體強度折減法的邊坡穩定性分析.巖石力學與工程學報,2014(2):243-256.

[7] 馬建勛,賴志生,蔡慶娥,等.基于強度折減法的邊坡穩定性三維有限元分析.巖石力學與工程學報,2004(16):2690-2693.

Analysis on tunnel slope stability considering the permeability and dynamic load

Zhang Heng

(GuizhouHighwayBureau,Guiyang550003,China)

Combining with a tunnel engineering example, this paper established the numerical simulation according to the engineering site measured geological parameters, based on the strength subtraction method, calculated the tunnel slope safety factor considering dynamic load, aimed at the slope problem put forward the reinforcement measures at the same time, pointed out that the slope stability increased significantly after reinforcement.

tunnel slope, safety coefficient, dynamic load, permeability

2015-09-17

張 恒(1975- )，男，高級工程師

1009-6825(2015)33-0167-02

U455.5

A