基于GeoStudio的海螺峪隧道邊坡穩定性影響因素的分析

以海螺峪隧道為背景，通過對海螺峪地區巖性進行分析，確定軟質巖采用拱部環形開挖留核心土法，硬質巖采用三臺階法。開挖后通過所得數據進行內力計算，根據所得參數導入GeoStudio軟件。根據對粘聚力和內摩擦角的分析確定安全系數，來決定使用相應的支護措施，從而解決海螺峪地區隧道的穩定性問題。

拱部環形開挖留核心土法； 三臺階法； GeoStudio軟件； 支護措施

U451+.2A

工程結構工程結構

［定稿日期］2023-05-09

［作者簡介］解則斌（1989—），男，本科，工程師，從事土木工程橋隧施工工作；蘇子龍（1990—），男，本科，工程師，研究方向為巖土工程。

0" 引言

這些年，在中國經濟快速發展的同時，國家在隧道、高速公路等建設方面投入了大量的資金與精力。隨著隧道建設要求的高質量發展，對于隧道穩定性以及安全的分析就變得尤為重要。

隧道是否穩定關乎著施工人員的安全，以及通車后通行者的安全。如果穩定性分析不足，則會產生隧道坍塌等嚴重的后果。對于隧道穩定性的分析，專業人員也不斷地提出自己的看法和觀點。趙婷等［1］闡釋了以簡化 Bishop 法、Morgenstern－Price 法和通用條分法為代表的剛體極限平衡法和以有限元強度折減法為代表的數值計算方法等邊坡穩定分析方法的基本原理、主要特點和功能優勢。但有限元強度折減法方法還沒有統一的失穩判據；推廣隨機方法和模糊方法相結合的方法受不確定性地質因素影響較大。李麒麟等［2］以蘭州地區某黃土高填方邊坡為工程背景，提出對于高陡填方邊坡的穩定性計算可采取不同的方案，對于原邊坡的穩定性分析可采用規范中的算法; 對于邊坡的支擋設計可根據邊坡的坡度、填方量和邊坡部位等因素劃分斷面分別計算，該計算結果在保證安全的同時對支擋結構的設計及選取也具有較高的針對性。徐鵬等［3］采用解答更嚴密、求解更簡捷的極限分析法建立了含軟弱夾層邊坡的穩定性計算模型，并通過既有極限平衡法驗證了此方法的準確性。

本文基于Geostudio這個地質環境模擬計算的仿真軟件來分析海螺峪隧道的邊坡穩定性。通過Geostudio軟件強大的功能從而達到更精準的建模效果，更準確的對和海螺峪隧道的邊坡穩定性進行分析。

1" 工程概況

1.1" 地形地貌條件

海螺峪隧道位于山東省濟南市歷城區錦繡川鎮，主要通過的村落為海螺峪村。隧道現場地形起伏較大，地面高度60～670 m，相對高差410 m，左右線進口自然坡角約26.5°，左右線出口自然坡角約10.8°。隧道附近植被較為發育，主要有核桃樹、柿子樹、雜樹、雜草等。

1.2" 地層巖性

海螺峪隧道地層巖性簡單，上覆全風化花崗巖，局部覆有粉質黏土，下伏花崗、巖石灰巖及頁巖。

1.3" 場地巖土工程地質條件

工程區區域主體為較為簡單的地質構造，區域穩定性較好，地質構造比較穩定。

1.4" 水文地質條件

隧址有少量的巖溶潛水和中山間溝壑由于大氣降水匯集而成的臨時性水和小徑常流水。洞址區地下水主要為巖溶裂隙水。

1.5" 不良地質現象

海螺峪隧道左線進口為淺埋段，存在嚴重偏壓，土體邊坡穩定性會在開挖后受到較大的影響。巖體破碎，節理裂隙發育，常成為地下水的匯集通道。隧道為節理裂隙極多的風化砂巖、石灰巖地區隧道，有發生涌突水的地層特征，施工過程中可能會發生涌突水現象。

2" 穩定性分析方法的確定

本文中采用GeoStudio軟件來對海螺峪隧道進行邊坡穩定性的分析。GeoStudio軟件是一套專業、高效而且功能強大的適用于地質工程和地質環境模擬計算的仿真軟件。在隧道開挖的過程中，考慮海螺峪的巖質條件，以Ⅳ級和Ⅴ級圍巖為主體，考慮Ⅳ級和Ⅴ圍巖的巖性確定軟質巖采用拱部環形開挖留核心土法，硬質巖采用三臺階法。公路隧道建筑限界的規定來確定隧道的尺寸。通過內力計算公式對圍巖進行內力計算，獲得均布壓力、最大抗力等參數，通過GeoStudio中的slope/w軟件對海螺峪隧道進行邊坡的穩定性分析。

3" 邊坡穩定性的分析

隧道的進口處設置在半山坡上的部位，左右兩條線路間的相距36.5 m。其中山坡的自然斜度約為26.5°，坡面的斜度約326°。隧道出入口端的仰坡巖土體由全高強風化的花崗巖組成，石質地貌呈沙礫土狀的原巖結構、構造和礦物質成分已經發生了巨大的變化，松散，自穩定性較弱;加之這一部分的節理方式與坡向同向，在施工時開挖容易產生深層工程的滑塌或倒斜等現象。

3.1" 邊坡模型建立

由于本章是對于海螺峪隧道邊坡穩定性影響因素的分析，考慮主要因素有：粘聚力c，內摩擦角φ。首先建立參考于海螺峪隧道的邊坡模型，具體模型見圖1。

3.2" 粘聚力c的研究

首先取四組土體，在保證其他物理力學指標相等的情況下，改變其粘聚力c。將不同的參數代入起初建立的邊坡模型中，經軟件求解后見圖2。將這4組安全系數統一歸納后，各組的數值見表1。

工程結構解則斌， 蘇子龍： 基于GeoStudio的海螺峪隧道邊坡穩定性影響因素的分析

從表1可看出，在其他物理力學指標不變的情況下，隨著粘聚力c的增加，安全系數也隨著增大，說明安全系數與粘聚力呈正比關系。

3.3" 內摩擦角φ的研究

同樣的參照上面對于粘聚力的研究，取4組土體，在其他參數不變的情況下，改變內摩擦角φ，代入起初建立的邊坡模型中，經軟件求解后，得出不同的安全系數，軟件求解見圖3。將4組安全系數統一歸納后，各組的數值見表2。

從表2可看出，在其他物理力學指標不變的情況下，隨著內摩擦角φ的增加，安全系數也隨著增大，說明安全系數與內摩擦角呈正比關系。

綜上所述，邊坡的安全系數與土體的物理力學指標關系密切，粘聚力c和內摩擦角φ對于邊坡的穩定均呈正相關。

海螺峪隧道洞口處邊坡在自然條件下自穩性較良好，但由于隧道的開挖，其本身的巖體必然會滑落，故需要對其進行相應的支護。

4" 支護措施

4.1" 超前錨桿設計

開挖前，在開挖面拱部一定范圍內，沿隧道斷面周邊打入一排縱向錨桿（或小鋼管）進入底層。通過錨桿對圍巖的加固作用，在工作面前方形成圍巖加固棚，在棚的保護下進行開挖。一個進尺開挖后，打入一排縱向錨桿，然后進行開挖，前后推進，如圖4所示，拱頂1-1斷面如圖5所示。

斷面超前錨桿主要作用在砂土地層、膨脹性地層、裂隙巖體和斷層破碎帶。設計參數見表3。

4.2" 截水溝施工

截水溝根據實際情況設置在洞口仰坡和地面交接線5 m以外；溝渠采用人工配合機械開挖，基底夯實整平，最后進行C25混凝土澆筑施工。在截水溝處 ，每隔10 m設一道伸縮縫，伸縮縫用瀝青麻條填塞。截水溝出口附近鋪設漿砌片石，防止沖刷。截水溝斷面尺寸見圖6。

4.3" 三維土工網墊植草防護施工

三維土工網墊植草護坡施工流程為：平整坡面—鋪網—覆土—播種—前期養護。施工時按網寬方向與路線方向一致布置，并用U型釘固定于坡面上，U型釘水平間距1.30 m，順坡間距1.0 m，相鄰兩幅土工格網搭接處必須用U型釘連接固定。布置時相鄰兩土工網之間應重疊0.75 m，并向上鋪過開挖線頂部＞1.0 m。土工網鋪好后開始進行草皮平鋪。

平地草皮對邊坡的防護效果與草地相同，但相比之下效果更佳，可用于高陡邊坡。為了防止地表水侵蝕造成的溝壑泥石流，在植草成活率低、附近草皮來源容易的情況下，可采用平整的草皮進行防護。鋪草皮前，應將坡面開挖平整并澆水。草皮應澆水養護，直至成活。草皮可以從坡腳釘起，也可以從上到下釘起。護坡頂部和兩端的草皮應埋入邊坡內，護坡邊緣與邊坡的連接處應平整，以防草皮與邊坡之間的縫隙堵水和雨水滲入，造成草皮滑落。

5" 總結

本文是以海螺峪隧道為研究對象，通過本地區圍巖的分級來確定軟質巖采用拱部環形開挖留核心土法，硬質巖采用三臺階法。根據內力計算所得數據帶入GeoStudio軟件中，通過對粘聚力c、內摩擦角的研究通過軟件的功能得出土體的安全系數，所得結論：

（1）在其他物理力學指標不變的情況下，隨著粘聚力c的增加，安全系數也隨著增大，說明安全系數與粘聚力呈正比關系。

（2）在其他物理力學指標不變的情況下，隨著內摩擦角φ的增加，安全系數也隨著增大，說明安全系數與內摩擦角呈正比關系。

根據所得結論來確定海螺峪地區的支護措施包括超前錨桿設計、截水溝施工、三維土工網墊植草防護施工，從而解決海螺峪隧道穩定性問題。

參考文獻

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