坡積土隧道洞口邊、仰坡穩定性分析與治理

賀小強 王子英

（中交一公局土木工程建筑研究院有限公司）

引文

在隧道建設過程中，因受到施工的影響，使得隧道頂部坡體厚度較薄，應力狀態較差，難以承受較大應力，從而引起隧道洞口邊仰坡穩定性變差，發生滑移破壞，既影響隧道工程的正常進行，又使施工人員人身安全受到威脅，因此對隧道洞口邊仰坡的穩定性分析及所采用隧道洞口施工方案合理性研究顯得尤為重要。

在隧道施工對隧道洞口邊仰坡穩定性影響方面，朱合華等模擬了上下臺階法施工過程對邊坡穩定性的影響規律[1]。在洞口邊仰坡穩定性的判斷方面，馮樹仁結合工程經驗通過三維極限平衡法對可能的滑移面進行判斷，并對邊坡穩定性進行分析[2]。張均鋒等將二維Janbu條分法進行拓展，利用三維極限平衡法分析坡體穩定性系數以及潛在滑動方向，從而對其穩定性進行分析[3]。本文依托麻竹高速公路香山隧道工程，采用MidasGTS有限元軟件分析隧道洞口邊、仰坡開挖以及隧道施工對邊仰坡最大剪應變的影響作用。

1 工程概況

麻竹高速公路香山隧道位于湖北省襄陽市保康縣，洞口段偏壓較大，坡積土覆蓋層較厚，隧道仰坡上部存在一個天然埡口，隧道進口邊坡覆蓋層主要為碎石土，邊、仰坡開挖及其隧道掘進中極易出現局部崩塌、滑坡體等地質災害。隧道準備進洞時，發現邊坡噴護混凝土出現裂縫，甚至出現滑坡現象。

2 有限元分析

2.1 計算模型的建立

根據地質勘查報告及隧址區地形圖，將巖土體由外向里劃分為三層，分別為坡積碎石土，V類圍巖，IV類圍巖，故有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

表1 模型材料計算參數表

模型選取理想彈塑性本構關系，參數如表1所示。上邊界取至地表，其余均取距離隧道5倍洞徑處。根據設計方案，模擬時分為32個開挖步，隧道每個開挖步進尺為2m，開挖采用鈍化單元，噴護襯砌則采用激活單元。

2.2 數值結果分析

當采用原設計方案開挖第四級邊坡時，如圖2所示。邊坡開始處于不穩定狀態，剪應變最大值產生于坡體前部，且有向坡體內部發展的趨勢。隨著第五級邊坡的開挖，其剪應變最大值已經出現在上部坡體。同時隨著隧道開挖，最大剪應變大小和范圍還有一定程度的增加。

圖2 原方案開挖第四級邊坡后最大剪應變

當仰坡開挖時，最大剪應變值較小，也沒有出現潛在的貫通滑移面。而隨著隧道開挖2m后，如圖3所示、剪應變值驟增，同時剪應變較大值的范圍也在增加。當隧道開挖10m后，出現明顯的貫通面，剪應變最大值加劇，說明坡體已經處于不穩定狀態。

圖3 原方案隧道掘進2m后最大剪應變

3 方案優化

為解決開挖坡度過大的問題，采用了左右洞邊坡分層開挖防護，總共分為6級臺階，每層臺階高度為8m，坡度為1：0.75。同時邊仰坡采用導管注漿，鋪設鋼筋網以及噴射厚為10cm的混凝土進行防護。采取優化后的方案，如圖4所示。邊坡未出現剪應變突變，隧道掘進中，剪應變增加較為緩慢，坡體仍處于安全狀態。

圖4 優化后方案隧道掘進10m后最大剪應變

4 對比分析

對比兩種邊、仰坡開挖施工方案的最大剪應變（如圖5、6所示）。根據原設計方案，第三級開挖邊坡時，最大剪應變為2.57e-3，第六級開挖邊坡時，最大剪應變達到了6.70e-3。采用優化后的開挖方案，第六級邊坡開挖時，比原方案最大剪應變值減少了40.2%。同時由兩種方案下最大剪應變增長趨勢可以看出：邊坡穩定性主要受邊坡開挖影響，隧道掘進影響不大。

圖5 不同開挖方案邊坡最大剪應變對比

圖6 不同開挖方案仰坡最大剪應變對比

根據原設計方案進行仰坡開挖時，仰坡的初始剪應變值約為1.73e-3。隧道僅開挖2m時，剪應變值驟增，隧道開挖20m后，剪應變值為5e-3。采用優化后的方案進行仰坡開挖時，在仰坡開挖和隧道掘進過程中仰坡的最大剪應變值都減小，隧道掘進20m后，最大剪應變僅為4.22e-3。同時也可以看出：仰坡穩定性主要受隧道掘進影響，仰坡開挖影響不大。

為了進一步驗證優化設計方案的合理性，利用有限元強度折減法分別計算了兩種施工方案情況下的安全系數（如圖7所示）。根據《建筑邊坡工程技術規范》（GB50330-2013），選取1.30為邊、仰坡穩定安全系數臨界值，由此反映了優化后的方案確實能較好的改善其隧道洞口施工。

5 工程應用及現場監測

實際工程中采用了優化后的開挖方案，對隧道右洞洞內拱頂沉降以及周邊收斂做了現場監測（如圖8、9所示）。

圖7 不同開挖方案安全系數對比

圖8 右洞斷面拱頂沉降

圖9 右洞周邊收斂

由圖可知，拱頂沉降位移和周邊收斂在斷面剛開挖后增加速率最大，然后隨著隧道時間推移，增加速率逐漸變緩，最終達到基本穩定。右洞距洞口5m斷面拱頂沉降最大值為12.37mm，周邊收斂最大值為29.76mm；右洞距洞口10m斷面拱頂沉降最大值16.45mm，周邊收斂最大值28.05mm，未超過Ⅳ、Ⅴ級圍巖位移三級警戒線40mm，因此均處于安全范圍內。

6 結論

通過對香山隧道洞口在原設計開挖方案下邊、仰坡進行穩定性分析，得到了隧道洞口邊、仰坡開挖和隧道掘進過程中的最大剪應變變化趨勢，驗證了優化方案的有效性，為同類型隧道采取合理有效的進洞施工方案提供了技術支撐。

[1]朱合華，李新星，蔡永昌，等.隧道施工中洞口邊仰坡穩定性三維有限元分析[J].公路交通科技，2005.

[2]馮樹仁，豐定祥，葛修潤，等.邊坡穩定性的三維極限平衡分析方法及應用[J].巖土工程學報，1999，21（6）：657～661.

[3]張均鋒，丁樺.邊坡穩定性分析的三維極限平衡法及應用[J].巖石力學與工程學報，2005，24（3）：365～370.