不同工況下高原特長隧道洞口邊坡穩定性分析

張耀陽ZHANG Yao-yang；陳澤盟CHEN Ze-meng

（中交二公局第四工程有限公司，洛陽 471013）

0 引言

高原凍土地區隧道在施工中，難免會遇到各種復雜的施工問題如圍巖偏壓、軟弱圍巖等復雜地質條件，如不能有效處理這些地質問題會對后期隧道的開挖和使用留下安全隱患[1]。隧道洞口邊坡施工常常遇到不良地質構造需要對隧道洞口做針對性施工優化，同時根據洞口周圍山體走勢，圍巖特性需要具體進行邊坡防護及加固等施工措施[2]。

目前，國內學者主要以摩爾-庫倫理論為準則建立有限元模型模擬隧道圍巖力學特性、邊坡穩定性等問題[3-4]。李偉瀚等[5]提出以摩爾-庫倫準則在低應力狀態和以拉伸為主要破壞形式的工況。李偉利[6]等提出以Mohr-Coulomb屈服準則為基礎的Hoek-Brown 屈服準則，結果表明，低應力狀態下適應性較好。陳世剛[7]等采用有限元強度折減法, 對武黃城際鐵路談山隧道進口高邊坡進行穩定性分析。許紹輝[8]等以南平楊真隧道工程為例，運用Midas 有限元軟件，模擬分析了隧道開挖對鄰近高邊坡穩定性、邊坡變形以及滑坡的影響，結果表明：該隧道工程施工前后臨近高邊坡的整體穩定性、應力場、水平位移變化均較小，邊坡圍巖屈服區未發生明顯變化。由上可知，對不同工況下高原地區特長隧道洞口邊坡穩定性的研究還相對較少。因此，有必要對高原地區特長隧道洞口段邊坡穩定性進行研究。本文以西藏圭嘎拉特長隧道進洞口YK14+408-YK14+458 樁點邊坡防護治理工程為依托，對三種工況下隧道邊坡的穩定性進行了分析。

1 模型建立與材料選取

1.1 有限元模型

以洞口段YK14+408-YK14+458 為例，運用有限元分析軟件建立圭嘎拉隧道進洞口左線三種工況力學實體模型，在建模分析時，計算模型邊界建立至對隧道開挖影響最小的地方。根據洞口圍巖特性和部分邊界影響，X 軸方向取120m，Z 軸隧道洞口向下取40m，洞頂向上取到地表40m，Y 軸向開挖縱深方向取50m，邊坡坡長為50m。由整體結構中選取力學模型，其上下、左右四個面均為非自由面，施加位移約束。根據圭嘎拉隧道項目地質勘察報告得到每年10 月1 日至第二年2 月28 日共計150 天溫度變化曲線并設置溫度變化函數，模擬凍融循環。具體模型材料如表1 所示。

表1 圭嘎拉隧道左線實體模型材料表

1.2 材料參數選取

根據圭嘎拉隧道地質勘察報告，并參考《公路隧道施工技術規范》[9]，得出巖土和構件的數值模型參數，見表2。

2 塑性區與應力結果分析

2.1 邊坡塑性區結果分析

圖1給出了不同工況下邊坡塑性區分布云圖。對比圖1（a）和圖1（b）可以看出，邊坡塑性區主要分布在邊坡上層變截面處、左線進洞口處。通過模擬土層在經歷150 天凍融循環模擬后發現，塑性區分布明顯增加，并且在邊坡坡腳處塑性范圍明顯增大，在隧道左洞口上部圍巖區也產生較大塑性區。對比圖1（a）和圖1（b）的塑性值可以看出，經歷凍融循環后洞口邊坡塑性值從2.77×10-6增加至2.24×10-5，增大了7 倍，表明隧道邊坡隨時可能產生土層滑坡。對比圖1（a）和圖1（c）可以看出，在增加如錨桿、噴混、鋼筋網等邊坡防護結構后塑性值從2.77×10-6增加至3.68×10-5，增大32.85%。

2.2 邊坡應力

圖2給出了不同工況下邊坡豎向應力云圖。從圖2中可以看出三種工況均產生土體膨脹現象，容易引起邊坡結構面開裂，產生斷層等病害。延邊坡坡向向下應力值均為負值，工況2 豎向應力值為-112.38kN/m2、工況3為-109.64kN/m2，相比凍融循環前邊坡坡頂土層應力值為-95.56kN/m2分別增加了17.60%和14.73%，證明工況3 在進行針對性邊坡防護措施后有效降低了土層凍融循環的影響。

圖2 不同工況的邊坡豎向應力分布云圖

2.3 邊坡防護措施應力狀態

圖3給出了不同工況下邊坡噴混最大主應力云圖。由圖3 中可以看出，邊坡主應力主要集中在坡腳至隧道左線洞口變截面處，并在變截面出產生較大應力變化。對比圖3（a）與圖3（b）可以看出，經過凍融循環后邊坡的最大主應力值從747.91kN/m2增加至1239.55kN/m2，增加了65.74%。對比圖3（a）和圖3（c）可以看出，在經歷凍融循環后最大主應力僅增加190.42kN/m2，增加了25.46%，最大主應力變化量有效降低，同時應力分布范圍縮小。

圖3 不同工況的噴混最大主應力云圖

3 位移結果分析

根據邊坡土層與噴混內力變化比較分析，在實際施工中會在邊坡防護結構產生可以觀測的變形位移，對這些實際變形位移量進行分析比較，更能直觀感受土層凍融對邊坡防護結構層的影響。在進行隧道邊坡施工時，分別在邊坡坡腳、坡頂及邊坡坡線中點平均布置3 個測點，測點樁號分別為YK14+358、YK14+383、YK14+408。

3.1 邊坡豎向沉降結果分析

通過計算三種工況下隧道洞口邊坡豎向位移沉降，如表3 所示。對比表3 中工況2 相比工況1 邊坡沉降值，工況2 的豎向坡頂沉降值最大增加34.96%、中點處最大增加39.14%、坡腳處最大增加48.55%。對比工況3 與工況1邊坡沉降值可以看出，工況3 的坡頂豎向沉降值最大增加13.12%、中點處最大增加17.41%、坡腳處最大增加25.58%。根據對比可以看出工況3 在增加自進式錨桿、鋪設鋼筋網并噴射C25 水下防凍混凝土后，有效降低土層凍融循環對邊坡防護結構層的影響，進一步增加邊坡防護結構的穩定性，提高隧道洞口段施工與行車安全性。

表3 邊坡豎向沉降

3.2 邊坡水平位移結果分析

隧道邊坡水平位移計算結果如表4 所示。對比工況2和工況1 位移值可以看出，坡頂位移最大增加223.74%、中點位移最大增加23.30%、坡腳位移最大增加16.90%。對比工況3 與工況1 的水平位移值可以看出，坡頂最大增加76.71%、中點最大增加6.01%、坡腳最大增加5.24%。

表4 邊坡水平位移

4 結論

①工況3 相比工況2 邊坡塑性區分布范圍降低；相比工況1 塑性值僅增大32.85%、水平應力增加18.82%，僅有少量增加，抵抗凍土病害影響效果顯著。

②根據有限元計算結果，邊坡噴混最大主應力工況3相比工況1 增加25.46%，最大主應力變化量有效降低，應力分布范圍縮小，提升了隧道洞口安全性。

③工況3 在土層經歷凍融循環后邊坡從坡頂至坡腳水平位移增加76.71%-5.24%，這表明在坡頂處的水平位移仍然處于風險范圍之內，在施工時需做針對性防護加固措施，以降低坡頂側向坍塌風險。