新建黃土隧道洞口邊坡穩(wěn)定性分析

孫孝敏

(中交公路養(yǎng)護(hù)工程技術(shù)有限公司 北京市 100089)

近些年，隨著我國(guó)中西部地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了許多黃土隧道。由于黃土特殊的環(huán)境地質(zhì)與地貌特征，在黃土地區(qū)修建隧道工程時(shí)，常會(huì)遇到黃土邊坡穩(wěn)定性及變形問(wèn)題[1-2]。隧道洞口坡體在施工過(guò)程中易發(fā)生滑塌等地質(zhì)災(zāi)害，坡體的穩(wěn)定性直接關(guān)系到隧道能否安全順利進(jìn)洞，如何治理由邊坡滑塌產(chǎn)生的災(zāi)害問(wèn)題成為一大難題[3-4]。

以某高速公路隧道為例，根據(jù)擬建隧道邊坡的工程地質(zhì)條件及邊坡設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，采用理正軟件分析隧道洞口邊坡在自然、暴雨、地震工況下的穩(wěn)定性。結(jié)合邊坡設(shè)計(jì)支護(hù)情況，利用plaxis有限元軟件，分析邊坡在支護(hù)前后隧道邊坡應(yīng)力分布及位移變化情況，驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性，為今后類(lèi)似工程提供設(shè)計(jì)借鑒。

1 自然地理概況

擬建隧道位于定西市團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)北側(cè)3km處，有鄉(xiāng)村便道相通，交通較為不便。

研究區(qū)屬于溫帶半干旱氣候區(qū)。總的氣候特點(diǎn)是：降水稀少，干燥寒冷，晝業(yè)溫差大，冬季較長(zhǎng)。據(jù)多年氣象資料統(tǒng)計(jì)：多年平均降雨量約390mm。境內(nèi)降水分布很不均勻，區(qū)域降水量從西向東遞減。

隧址區(qū)溝道內(nèi)有地下水出露，但水量較小，形成小股流水，由于下滲和蒸發(fā)的原因，斷流較嚴(yán)重。擬建隧道區(qū)址主要河流是關(guān)川河，隧道出口位于東河的關(guān)門(mén)口溝內(nèi)。

2 隧道洞口工程地質(zhì)條件

擬建隧道屬黃土梁峁區(qū)，地勢(shì)西南高東北低。隧道穿越關(guān)川河?xùn)|河與西河之間的賀家岔山梁，最高海拔為2220m，最低海拔2020m，相對(duì)高差200m。洞口為黃土斜坡，坡度6～15°，坡面走向與隧道走向大角度相交。

3 巖土體物理力學(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)

隧道圍巖類(lèi)型主要為上更新統(tǒng)黃土，上部為風(fēng)積黃土，下部沖積黃土。

(1)風(fēng)積黃土層厚在20～75m，天然含水率平均值14.93%，天然密度平均值1.71g/cm3，孔隙比平均值0.92，液限含水率平均值26.23%，塑限含水率平均值17.86%，塑性指數(shù)平均值8.37，液性指數(shù)平均值0.07，濕陷性平均值0.048，自重濕陷性系數(shù)平均值0.036，濕陷性等級(jí)Ⅳ級(jí)，粘聚力平均值26.70kPa，標(biāo)準(zhǔn)值21.91kPa，內(nèi)摩擦角平均值25.84°，標(biāo)準(zhǔn)值23.50°。

(2)沖積黃土粘粒含量略高于上部風(fēng)積黃土，孔隙也較小，下部孔隙很少，根據(jù)鉆孔揭露局部軟塑，發(fā)生縮孔。

總體上，沖積黃土含水率平均值21.41%，天然密度平均值2.0g/cm3，孔隙比平均值0.65，液限含水率平均值29.09%，塑限含水率平均值18.03%，塑性指數(shù)平均值11.06，屬粉質(zhì)粘土夾粉土，液性指數(shù)平均值0.38，可塑。壓縮系數(shù)平均值0.26MPa-1，標(biāo)準(zhǔn)值0.31MPa-1，壓縮模量平均值7.88MPa，壓縮模量標(biāo)準(zhǔn)值7.23MPa，中壓縮性土。粘聚力平均值25.43kPa，標(biāo)準(zhǔn)值23.33kPa，內(nèi)摩擦角平均值23.80°，標(biāo)準(zhǔn)值22.65°。

4 隧道邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

4.1 參數(shù)的確定

本次所分析邊坡位置處共布設(shè)3個(gè)鉆孔，根據(jù)勘察及鉆孔資料分析，該隧道出口邊坡的物質(zhì)組成主要為風(fēng)積黃土和沖積黃土，計(jì)算參數(shù)的選取結(jié)合邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，類(lèi)比同類(lèi)工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用綜合取值法進(jìn)行確定，具體取值見(jiàn)表1所示。

表1 各土層參數(shù)取值表

4.2 邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算

隧道邊坡穩(wěn)定性分析分三種工況進(jìn)行計(jì)算，即天然工況、暴雨工況和地震工況[5-9]。為保證勘察工作的有效性，以及保證治理設(shè)計(jì)工程的安全可行性，結(jié)合該邊坡的實(shí)際情況，采用理正軟件進(jìn)行計(jì)算，具體結(jié)果見(jiàn)表2所示。

表2 理正軟件邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330-2013)[10]規(guī)定，經(jīng)計(jì)算，該隧道出口左線邊坡在天然工況下欠穩(wěn)定，安全系數(shù)為1.25，最終剩余下滑力為168.8kN；在暴雨工況和地震工況下不穩(wěn)定：在暴雨工況下，安全系數(shù)為1.15，最終剩余下滑力為354.7kN；在地震工況下，安全系數(shù)為1.10，最終剩余下滑力為405.2kN。

5 隧道邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)隧道設(shè)計(jì)資料要求，進(jìn)洞前，應(yīng)嚴(yán)格按圖紙及施工規(guī)范要求施作邊、仰坡的錨、噴、網(wǎng)支護(hù)，應(yīng)從上到下分級(jí)開(kāi)挖、支護(hù)，明洞及明洞回填應(yīng)及時(shí)施作；及時(shí)完成明洞、明洞回填及洞門(mén)結(jié)構(gòu)后，方可進(jìn)行暗挖進(jìn)洞作業(yè)。團(tuán)結(jié)隧道出口邊坡采用削坡處置，分三級(jí)坡，從上至下分級(jí)開(kāi)挖，采用噴、錨、掛網(wǎng)防護(hù)，3.5m錨桿，20cm×20cmΦ6鋼筋網(wǎng)，噴混凝土采用C20混凝土。厚8cm，隧道拱頂預(yù)留變形量30cm。

6 設(shè)計(jì)邊坡變形特征分析

6.1 有限元網(wǎng)格劃分

根據(jù)隧道邊坡設(shè)計(jì)特征，運(yùn)用Plaxis巖土有限元分析軟件建立計(jì)算模型，采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格法對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類(lèi)型為15節(jié)點(diǎn)三角形單元，進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)邊坡的坡腳及錨桿加固區(qū)域進(jìn)行局部細(xì)化，以提高計(jì)算精度，計(jì)算模型共劃分572個(gè)單元，1986個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格劃分結(jié)果見(jiàn)圖1所示。

6.2 邊界條件定義

根據(jù)邊坡實(shí)際情況對(duì)邊界條件進(jìn)行定義。在本模型中，假定豎直方向深度10m范圍以外，在重力作用下，邊坡產(chǎn)生的位移變形為零，因此，對(duì)模型底部進(jìn)行固定；假定水平方向左側(cè)10m范圍以外，水平位移為零，故模型左側(cè)固定；模型右側(cè)為隧道出口明暗洞交接處，隧道掌子面未開(kāi)挖時(shí)，通常采用錨桿及噴射混凝土做封閉處理，故假定水平位移為零，因此模型右側(cè)固定。

6.3 計(jì)算參數(shù)的選取

土體材料的物理力學(xué)參數(shù)主要根據(jù)巖土工程勘察資料并查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)進(jìn)行取值，其具體取用的參數(shù)，如表3所示。

表3 各層土體物理力學(xué)參數(shù)取值

在Plaxis有限元軟件中，錨桿自由端采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿模擬，錨固端采用土工格柵單元模擬。

采用Plaxis中的分步施工模擬錨桿未加固時(shí)初始設(shè)計(jì)邊坡的穩(wěn)定狀況，此時(shí)錨桿顯示為灰色；模擬錨桿加固后邊坡穩(wěn)定狀況，施加錨桿作用力，此時(shí)錨桿呈黃色，具體見(jiàn)圖2及圖3所示。

6.4 計(jì)算結(jié)果分析

(1)土體應(yīng)力特征分析

土體應(yīng)力特征分析采用Plaxis軟件中的塑性分析方法，在重力作用下，土體的應(yīng)力發(fā)生變化。圖2及圖4分別為錨桿為未支護(hù)時(shí)隧道邊坡土體應(yīng)力變化及錨桿支護(hù)加固后隧道邊坡土體應(yīng)力變化。根據(jù)圖2可知，隨著深度的增加，土體應(yīng)力隨深度呈逐漸增大的趨勢(shì)，在邊坡底部應(yīng)力達(dá)到最大值，應(yīng)力最大值達(dá)857.95kN/m2。通過(guò)對(duì)比錨桿支護(hù)前后土體應(yīng)力可知，錨桿未支護(hù)時(shí)，邊坡坡腳處表現(xiàn)為應(yīng)力集中，并且有向隧道洞口擴(kuò)散趨勢(shì)；錨桿支護(hù)加固后，隧道邊坡坡腳處應(yīng)力明顯減小，說(shuō)明錨桿對(duì)邊坡穩(wěn)定起到了良好的加固效果。

(2)最大水平及豎向位移

在土體重力作用下，錨桿未加固時(shí)的水平位移云圖如圖4所示，豎向位移云圖如圖5所示；錨桿加固后的水平位移云圖如圖6所示，豎向位移云圖如圖7所示。

根據(jù)plaxis有限元計(jì)算結(jié)果可知，錨桿未加固時(shí)，隧道邊坡水平位移達(dá)68.70mm，垂直位移達(dá)42.70mm。錨桿加固后，隧道邊坡水平位移達(dá)13.33mm，垂直位移達(dá)12.79mm。從位移云圖上看，錨桿未加固時(shí)，水平位移最大值主要集中在邊坡坡面處，沿軟弱滑動(dòng)面橫向擠出，最大達(dá)到68.70mm。錨桿加固后，水平位移明顯減小，尤其在錨桿加固區(qū)范圍內(nèi)起到了良好的加固效果，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，水平位移最大值僅有13.33mm；錨桿未加固時(shí)，豎向位移最大值達(dá)68.70mm，主要集中在上部土層。錨桿加固后，豎向位移明顯減小，豎向位移最大值僅有12.79mm；隨著隧道掌子面開(kāi)挖，錨桿支護(hù)能夠起到很好的加固作用，豎向位移遠(yuǎn)小于隧道設(shè)計(jì)預(yù)留變形量，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)合理性。

7 結(jié)論

(1)根據(jù)理正軟件計(jì)算結(jié)果可知，原始坡面在天然工況下欠穩(wěn)定，在暴雨工況和地震工況下不穩(wěn)定。

(2)運(yùn)用plaxis有限元分析錨桿支護(hù)前后隧道邊坡應(yīng)力變化可知，錨桿未支護(hù)時(shí)，邊坡坡腳處表現(xiàn)為應(yīng)力集中，并且有向隧道洞口擴(kuò)散趨勢(shì)；錨桿加固后，隧道邊坡坡腳處應(yīng)力明顯減小。

(3)錨桿支護(hù)后，隧道洞口邊坡的水平位移和豎向位移均減小，能夠滿足隧道設(shè)計(jì)預(yù)留變形量要求，起到良好的加固效果，同時(shí)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。