暴雨條件下淺埋偏壓隧道開挖對相鄰邊坡的影響分析

2025-07-03 00:00:00衛新

西部交通科技 2025年1期

關鍵詞：影響

中圖分類號：U455.4文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.050

文章編號：1673-4874（2025）01-0170-04

0 引言

土建工程中對降雨入滲效應的研究仍集中于邊坡穩定性，由于大部分隧道處于深埋條件，降雨入滲僅影響地表附近巖土體，并未對施工或使用階段的深埋隧道穩定性造成明顯影響1。淺埋偏壓隧道采用的開挖方法主要分為臺階法、中隔側壁法、雙側壁導坑法、環形開挖法，較少使用全斷面開挖，應綜合隧道開挖穩定性、經濟成本等多方面因素確定開挖方法2]。隧道一邊坡協同安全性研究主要分為兩方面：（1）邊坡開挖對臨近運營隧道結構安全性的影響；（2）淺埋偏壓隧道開挖對既有路堤或路塹邊坡穩定性的影響[3-4]。在考慮到降雨滲流影響下，邊坡一隧道上覆圍巖物理力學參數弱化，其不僅加大了隧道開挖難度，邊坡穩定性也面臨著巨大挑戰，所以在淺埋偏壓隧道進行開挖的背景下，考慮降雨入滲對邊坡穩定性的影響是至關重要的。

邊坡一隧道協同安全穩定性研究從室內模型試驗、現場實測、數值解、解析解4個方面展開。崔正陽、武琳[5-6]于室內構建邊坡開挖或隧道開挖物理試驗模型，探究得出邊坡一隧道相互影響機理，判定邊坡、隧道、邊坡一隧道系統是否發生失穩。顏富宇利用規范與技術標準確定邊坡一隧道失穩判別依據，對現場監測數據與模擬數值開展對比論證，驗證數值模擬正確性，同時論述邊坡一隧道協同安全穩定性。楊耀、柳墩利[8-9]構建邊坡開挖或隧道開挖等數值模型，對邊坡一隧道變形、應力、安全系數進行分析，得出相關論點并總結出對應的加固維護措施。邊坡一隧道協同變形應力數值解應用較為廣泛，而以復變函數為基礎的解析解適用性有限，吳平[1]創新提出邊坡一孔洞彈性應力近似解析解，為邊坡一隧道工程設計提供有效參考。在以往已有研究基礎上，本文對比分析了正常邊坡一隧道、暴雨邊坡一隧道的邊坡穩定性，說明暴雨條件下隧道開挖對邊坡穩定性有著顯著影響，并構建不同暴雨強度數值模型，探究隧道采用環形預留核心土開挖后對邊坡穩定性的影響。

1工程簡介

某單洞公路隧道右側相鄰既有二級公路路塹邊坡，邊坡一隧道周邊巖土體巖性分類為：粉質黏土（上覆）、強風化泥質砂巖（中間層）中風化泥質砂巖（下臥）。隧道埋深約為 15m ，開挖輪廓線為三心圓，高度與寬度分別為8.8m、12.8m，采用直徑為 42m m 長度為3.5m的超前小導管進行超前加固（環向間隔，注漿孔直徑8m m ，注漿材料為水泥砂漿）。初期支護采用23cm厚的C25 噴射混凝土、環縱布設錨桿（長、 @20cm×20cm鋼筋網、I18鋼拱架；二次襯砌為35cm的C30鋼筋混凝土， 2.0m m 的PVC防水板布設于初支與二襯之間，采用環形預留核心土開挖。

2數值建模及工況設置

基于隧道開挖影響范圍及邊坡穩定性計算尺寸要求，采用有限元軟件GTSNX建立如圖1所示的邊坡一隧道系統有限元數值模型，監測點位于邊坡坡腳。左、右、下邊界固定約束位移，降雨強度為暴雨工況。根據地勘資料設置初始地下水位線（模型底部以上，下邊界為不滲水邊界，左右邊界添加節點水頭，地表添加曲面流量且為滲水邊界，隧道開挖掌子面為零水壓面，初支無止水且二襯不滲水。圍巖砌采用 M-C 彈塑性本構，襯砌采用本構。用接觸單元模擬防水層，代替初支與二襯接觸方式，鋼筋網等并入初支計算，超前導管與注漿錨桿的作用以提高 3.5m 范圍內巖土體力學參數。邊坡一隧道系統物理力學參數取值見表1，工況設置見表2。

3單邊坡穩定性分析

不激活隧道網格，構建正常未降雨、暴雨）工況的單邊坡數值模型，利用SRM求解邊坡安全系數，得出邊坡坡腳水平、豎向位移以及潛在滑動面（等效塑性應變）情況。繪制常態、暴雨工況的等效塑性應變云圖（見圖2），兩種工況的邊坡坡腳位移與安全系數見表3。

分析圖2及表3相關數據可知，暴雨條件下的邊坡最大等效塑性應變大于常態工況，說明暴雨對邊坡潛在滑動面有著明顯影響；暴雨1d后，邊坡坡腳向左位移4.9m m ，向下沉降了，表明邊坡位移場受降雨滲流嚴重影響，高邊坡巖土體向坡腳匯聚且失水發生固結；暴雨工況的邊坡安全系數相對于常態下降 32.9% ，據《公路路基設計規范》（JTGD30—2015）[11]相關規定得出常態、暴雨工況的二級公路路塹邊坡安全系數安全值分別為1.15、1.05，因此可判別正常和暴雨1d條件下，該邊坡仍處于穩定狀態，但暴雨影響下的邊坡安全性無富余，考慮到環境因素影響，應采取擋土墻或抗滑樁加固坡腳處并優化泄水孔設計。

4隧道開挖對邊坡穩定性的影響

已知暴雨條件下的邊坡會發生降雨入滲，若隧道在雨季開挖施工難免對邊坡穩定性造成影響。鑒于此，在考慮暴雨）影響下，隧道每日循環進尺1m，提取隧道開挖每一階段的邊坡坡腳的水平、豎向位移以及邊坡安全系數進行分析，并根據規范評價邊坡穩定性。

如圖3所示為暴雨工況下隧道開挖各階段的邊坡水平位移、豎向位移以及安全系數變化規律曲線。從圖3可以看出：淺埋偏壓隧道開挖對地表邊坡穩定性有著巨大影響，受降雨入滲的影響，邊坡坡腳發生向左水平位移、向下沉降；隧道采用環形預留核心土開挖，在開挖[1][2]階段的水平、豎向位移變化速率明顯快于[3][4]階段，表明隧道[1][2]部分開挖應力釋放程度較大，及時進行初支、防水層施作能有效減小對巖土體位移場、滲流場、應力場的影響，側面驗證隧道采用環形預留核心土開挖是合理的；暴雨工況下邊坡坡腳水平、豎向位移速率經歷急速增大（[1][2]階段）、緩慢增大[3][4]階段）、穩定（二襯施作），而邊坡安全系數速率經歷快速降低[1][2]階段）緩慢降低（[3][4]階段）趨于穩定（二襯施作）。以暴雨工況邊坡安全系數1.05作為判定標準，得出暴雨）后，邊坡在隧道施工過程中一直處于穩定狀態。

5不同暴雨強度的邊坡穩定性

在隧道開挖背景下，邊坡穩定性會隨著暴雨強度變化而變化，基于前文分析，得知暴雨以及隧道開挖施工均對邊坡穩定性有著顯著影響。由此，建立不同暴雨強度（降雨1d）的邊坡一隧道系統數值模型，暴雨強度分別為。如圖4所示為隧道開挖完成后，不同暴雨強度的邊坡坡腳處水平位移、豎向位移、等效塑性應變、邊坡安全系數變化規律曲線。

分析圖4可知，當從常態變為暴雨狀態時，經隧道開挖完成后邊坡坡腳處水平位移、豎向位移及最大等效塑性應變均驟增，而邊坡安全系數驟降，再次驗證了暴雨對邊坡穩定性具有一定的影響；隨著暴雨強度逐漸增加，坡腳逐漸向左發生水平移動和向下沉降，貫穿坡腳的潛在滑動面越發明顯，邊坡安全系數進一步下降，表明在隧道開挖與暴雨強度雙重影響下，邊坡穩定性顯著下降；除常態變為暴雨狀態時各項指標發生突變的情況外，當暴雨強度由C 變化為0. 過程中，坡腳水平位移、豎向位移、最大等效塑性應變以及邊坡安全系數再次發生突變，且安全系數 lt;1.05 ，表明在降雨強度為時，受暴雨及隧道開挖擾動影響，邊坡失穩且可能發生滑坡。綜合不同暴雨強度的邊坡穩定性分析，隧道應采取措施減少對邊坡的干擾，優化邊坡防護工程，在暴雨等不利因素影響下保證邊坡穩定性。