張 東, 張 熙, 劉大華, 李恩古, 陳先國(guó)

(1.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司二分公司，四川成都610200； 2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031； 3. 四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司公司，四川成都 610200)

隧道洞口段邊仰坡失穩(wěn)主要體現(xiàn)為巖土體滑坡。土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性一直是公路工程建設(shè)中的一個(gè)重要研究課題[1-2]。

國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始對(duì)穿越厚層堆積體淺埋偏壓隧道邊仰坡穩(wěn)定性進(jìn)行初步的研究，隧道洞口施工地表預(yù)加固技術(shù)也有了很大改進(jìn)。在洞口邊仰坡穩(wěn)定性的判斷方面，馮樹(shù)仁結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)通過(guò)三維極限平衡法對(duì)可能的滑移面進(jìn)行判斷，并對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析[3]。張均鋒等將二維Janbu條分法進(jìn)行拓展，利用三維極限平衡法分析坡體穩(wěn)定性系數(shù)以及潛在滑動(dòng)方向，從而對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析[4]。劉小兵等采用土坡平衡穩(wěn)定理論分析了影響邊仰坡穩(wěn)定性的因素，并采用圓弧破壞面轉(zhuǎn)動(dòng)平衡分析方法確定了邊仰坡的加固范圍[5-6]。在邊仰坡安全系數(shù)計(jì)算方法上面，鄭穎人等采用極限分析有限元法計(jì)算出邊仰坡的穩(wěn)定系數(shù)[7],朱合華等采用強(qiáng)度折減法分析了隧道開(kāi)挖對(duì)邊仰坡穩(wěn)定性的影響[8]。強(qiáng)度折減彈塑性有限元法將強(qiáng)度折減概念、彈塑性有限元計(jì)算原理與極限平衡原理相結(jié)合，利用強(qiáng)度折減法分析邊坡的穩(wěn)定性[9-10]。

目前雖然對(duì)于邊坡穩(wěn)定性以及加固研究已經(jīng)比較深入，但對(duì)于松散巖堆邊坡的研究卻比較少。本文運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)318國(guó)道飛仙關(guān)隧道雅安端洞口在不同埋深條件下邊仰坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并采用預(yù)加固技術(shù)確保邊仰坡安全穩(wěn)定，論文研究成果對(duì)同類邊坡安全穩(wěn)定性分析具有一定的參考價(jià)值。

1 工程背景

飛仙關(guān)隧道位于國(guó)道318線雅安至二郎山隧道段災(zāi)后恢復(fù)重建工程A1標(biāo)段，全長(zhǎng)1 608m，其中雅安端進(jìn)口明洞為單壓式明洞，長(zhǎng)49m。進(jìn)口段斜坡地表主要為稍密狀塊石土，斜坡坡度約為25～30 °，推測(cè)斜坡覆蓋層厚約10m，表層未見(jiàn)變形跡象。進(jìn)口段圍巖為殘坡積塊石土，以稍密狀為主，厚度約10m，進(jìn)口淺埋段易出現(xiàn)地表下沉過(guò)大或冒頂現(xiàn)象。雅安端洞口段地質(zhì)條件復(fù)雜，穿越了厚層大型松散巖堆體，且同時(shí)具有淺埋偏壓的特點(diǎn)，因此該隧道從設(shè)計(jì)到施工修建整個(gè)過(guò)程必然會(huì)在隧道結(jié)構(gòu)的受力、襯砌支護(hù)的變形及穩(wěn)定性控制等方面出現(xiàn)問(wèn)題。

隧道主要圍巖等級(jí)為Ⅲ、IV、V級(jí)，其中洞口段主要為IV級(jí)和V級(jí)。局部覆蓋層及風(fēng)化巖巖性松軟，強(qiáng)風(fēng)化巖體破碎，線狀或淋雨?duì)畛鏊?，大部分巖體較完整，點(diǎn)滴狀出水。實(shí)際施工中根據(jù)隧道洞口、洞身不同的段落和不同的圍巖級(jí)別、圍巖狀況確定了合理的開(kāi)挖工法，即：III級(jí)圍巖段采用全斷面法施工，IV級(jí)圍巖段采用兩臺(tái)階帶仰拱法施工，V級(jí)圍巖段采用兩臺(tái)階預(yù)留核心土法施工。飛仙關(guān)隧道洞口結(jié)構(gòu)橫斷面圖如圖1所示。隧道二次襯砌厚度為60cm，初支襯砌厚度為24cm，錨桿為φ25中空注漿錨桿，長(zhǎng)350cm，間距為1.0m×1.0m(環(huán)×縱)。

圖1 飛仙關(guān)隧道結(jié)構(gòu)斷面圖(單位：cm)

2 不同埋深隧道洞口計(jì)算模型建立

2.1 計(jì)算模型建立

根據(jù)飛仙關(guān)隧道洞口地形特征，建立隧道計(jì)算模型，模型左右邊界取至距隧道邊墻約54m，隧道洞口開(kāi)挖跨度約13m，高約10m，洞口埋深(開(kāi)挖輪廓拱頂距仰坡坡腳距離)為H(H分別取4m、7m和10m)，仰坡高度為10m，長(zhǎng)度為40m，坡度約為14 °，邊坡高度為20m，坡長(zhǎng)為40m，坡度約為27 °。模型底部邊界取至距隧道拱底以下40m，將V1圍巖(硬巖)與V2圍巖(軟巖)之間的交界面傾角簡(jiǎn)化為90 °(圖2)。

圖2 飛仙關(guān)隧道洞口整體計(jì)算模型

隧道洞口三維計(jì)算模型位置關(guān)系規(guī)定如下：

(1)X軸垂直隧道走向，以飛仙關(guān)隧道進(jìn)口端隧洞口中線為x=0軸，左右各約60m。

(2)Y軸為隧洞走向方向，長(zhǎng)度約取80m。

(3)Z軸豎直向上，硬巖高度為30m，軟巖高度為40m。

因此，考慮邊界效應(yīng)后的計(jì)算模型取約為120m×80m×70m，計(jì)算模型共包含69 935個(gè)單元，54 614個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型四周和底部采用法向固定約束，地表為自由表面。隧道結(jié)構(gòu)及錨桿單元如圖3所示。

圖3 隧道結(jié)構(gòu)和錨桿單元模型

2.2 計(jì)算工況及建模參數(shù)

針對(duì)飛仙關(guān)隧道雅安端洞口邊仰坡穩(wěn)定性分析，采用二臺(tái)階帶仰拱法開(kāi)挖方案，研究不同埋深狀態(tài)下的隧道開(kāi)挖對(duì)洞口邊仰坡穩(wěn)定性的影響。

研究分別對(duì)隧道洞口埋深4m、7m和10m進(jìn)行建模分析。隧道圍巖、二次襯砌和初支襯砌采用實(shí)體單元模擬，錨桿采用Cable單元模擬，其中圍巖采用摩爾-庫(kù)倫模型，二次襯砌和初支襯砌采用彈性本構(gòu)模型。圍巖和隧道結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，錨桿物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表1 圍巖與襯砌物理力學(xué)參數(shù)

表2 錨桿物理力學(xué)參數(shù)

分別以隧道洞口埋深4m、7m和10m建立三種工況，比較三種開(kāi)挖工況對(duì)洞口邊仰坡穩(wěn)定性的影響。三種數(shù)值模擬工況具體形式如表3所示。

表3 隧道開(kāi)挖工況

3 不同埋深隧道洞口穩(wěn)定性分析

由于飛仙關(guān)隧道洞口段穿越了厚層堆積體，地質(zhì)條件復(fù)雜。特別是在洞口仰坡和邊坡上堆積了大量松散堆積體，其中存在大量的不連續(xù)面和軟弱結(jié)構(gòu)面，穩(wěn)定性很差。本文通過(guò)分析不同工況下隧道開(kāi)挖后的地表位移、邊仰坡剪切應(yīng)變率及安全系數(shù)、圍巖塑性區(qū)等指標(biāo)，以確定最優(yōu)工況。

3.1 地表位移分析

三種工況下洞口開(kāi)挖完成后產(chǎn)生的地表位移如圖4所示。從圖4可以看出，隧道的開(kāi)挖對(duì)洞身上方地表的位移由于洞口埋深的不同影響程度也不同。三種工況下的共同點(diǎn)在于隧道正上方的地表位移最大，向兩側(cè)逐漸減小，位移沉降最大值點(diǎn)分別在A、B、C處；軟巖段的地表位移明顯大于硬巖段地表位移，且在軟巖段靠近軟硬交界面的位置地表位移達(dá)到了最大值。不同點(diǎn)在于工況1最大地表下沉值為4mm，工況2最大地表下沉值為2.5mm，工況3最大地表下沉值為1.5mm，且工況1地表位移程度和波及范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工況2和工況3，甚至在兩側(cè)較遠(yuǎn)處的地表出現(xiàn)了因擠壓而向上的位移。

(a)工況1

(b)工況2

(c)工況3圖4 三種工況下隧道洞口地表沉降云圖(單位：m)

可以看出，洞口埋深越淺，隧道的開(kāi)挖對(duì)地表位移大小和波及范圍的影響就越大，洞口段就越容易發(fā)生邊仰坡失穩(wěn)滑坡。

3.2 邊仰坡圍巖塑性區(qū)分析

選用圍巖塑性區(qū)作為指標(biāo)來(lái)分析和評(píng)價(jià)隧道開(kāi)挖完畢后圍巖的破壞程度。在工況1～工況3開(kāi)挖完畢后，圍巖塑性區(qū)分布如圖5所示。

由圖5可以看出，圍巖塑性區(qū)主要分布在隧道開(kāi)挖輪廓線的拱頂、仰拱位置以及隧道仰坡和邊坡上部區(qū)域。其中仰坡位置塑性區(qū)分布比邊坡位置更廣。從表4中可知，在工況1開(kāi)挖方案下最終的圍巖塑性區(qū)體積最小，為64 823.6m3，隨著埋深的增大，塑性區(qū)體積也增大。說(shuō)明，在以上三種工況下，工況1方案開(kāi)挖完畢后，其對(duì)圍巖的破壞程度最小。

表4 三種工況下圍巖塑性區(qū)體積 m3

(a)工況1

(b)工況2

3.3 邊仰坡圍巖剪切應(yīng)變率及其安全系數(shù)對(duì)比

模型采用Mohr-Coloumb破壞準(zhǔn)則，通過(guò)強(qiáng)度折減法計(jì)算，得到隧道開(kāi)挖直至邊坡剛好發(fā)生破壞時(shí)的安全系數(shù)。隧道邊坡剪切應(yīng)變率反映了邊坡剪切滑動(dòng)的快慢程度，對(duì)分析邊坡的穩(wěn)定性有重要的參考意義。上述三種工況下邊坡剪切應(yīng)變率及安全系數(shù)如圖6所示。

從圖6可以看出，隧道洞口段開(kāi)挖完成后在邊坡巖堆體形成了一個(gè)由塑性剪切應(yīng)變帶構(gòu)成的弧形破壞面，該破壞面隨著隧道洞口埋深的增加而增大。工況1～3最大剪切應(yīng)變率均發(fā)生在側(cè)邊坡坡頂處，且從側(cè)邊坡坡頂?shù)狡碌准羟袘?yīng)變率逐漸減小。隨著洞口埋深增加，剪切應(yīng)變區(qū)域整體擴(kuò)大，圓弧滑動(dòng)面曲率不斷減小，剪切應(yīng)變區(qū)整體形狀變得愈發(fā)“細(xì)長(zhǎng)”。工況3的剪切應(yīng)變影響區(qū)域明顯大于工況1和工況2，可知隧道的埋深越大，邊坡剪切應(yīng)變產(chǎn)生的圓弧滑動(dòng)區(qū)也就越大。

工況1～3的安全系數(shù)分別為1.86、1.95和2.03，可見(jiàn)隧道埋深的增加對(duì)邊坡坡面的安全穩(wěn)定有有利的一面。

綜上所述，在4m、7m和10m三種埋深工況條件下，地表位移工況1最大，工況3最?。贿吰滤苄詤^(qū)工況1最小，工況3最大；邊坡安全系數(shù)工況1最小，工況3最大?？梢?jiàn)隨著隧道埋深的增加，塑性區(qū)區(qū)域增大，但隧道開(kāi)挖后的沉降減小，邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)更大。綜合比較邊仰坡地表位移、安全系數(shù)和塑性區(qū)指數(shù)，可知隧道埋深4m時(shí)相對(duì)安全。

(a)工況1

(b)工況2

(c)工況3圖6 各工況剪切應(yīng)變率及安全系數(shù)云圖

4 厚層堆積體偏壓隧道洞口地表預(yù)加固技術(shù)研究

4.1 洞口地表預(yù)加固技術(shù)

對(duì)洞口上方地表仰坡位置采用錨網(wǎng)噴支護(hù)。錨網(wǎng)噴支護(hù)工藝，通過(guò)“錨桿+金屬網(wǎng)+混凝土噴層”相互結(jié)合，具備“先柔后鋼、先讓后抗”的特點(diǎn)，十分適宜應(yīng)用于破碎松散巖土體邊坡的支護(hù)[11-12]。砂漿錨桿在洞口上方軟巖段設(shè)置，使其與巖土體結(jié)成一體，其中砂漿錨桿起到將“鍥子”的作用，減少隧道開(kāi)挖后巖土體的移動(dòng)。

4.2 模型建立

建模中隧道洞口埋深4m，隧道圍巖、二次襯砌和初支襯砌采用實(shí)體單元模擬，錨桿采用Cable單元模擬，邊坡錨網(wǎng)噴支護(hù)采用殼單元和Cable單元模擬。計(jì)算模型共包含51 619多個(gè)單元，39 471多個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果的精確度可以得到保證。整體計(jì)算模型如圖7所示，錨網(wǎng)噴支護(hù)等效為殼單元和Cable單元(圖8)。圍巖和錨桿參數(shù)參見(jiàn)表1、表2。

圖7 洞口預(yù)加固計(jì)算模型

圖8 邊仰坡錨網(wǎng)噴支護(hù)單元模型

4.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

對(duì)比洞口埋深4m的情況下洞口段地表加固前后各項(xiàng)位移、塑性區(qū)指數(shù)。

4.3.1 地表位移對(duì)比

如圖9所示，加固前隧道正上方的地表下沉值最大值為4mm，加固后減小為1.5mm，地表下沉最大值明顯減小。對(duì)地表整體位移而言，洞頂上方軟巖及硬巖段位移都有明顯減小，且右側(cè)仰坡位置位移下沉云圖不再連續(xù)，由此可見(jiàn)經(jīng)過(guò)洞口地表預(yù)加固后地表各處位移均有有明顯減小。

(a)加固前

(b)加固后圖9 加固前后地表位移(單位:m)

4.3.2 邊仰坡塑性區(qū)分析

從圖10可看出，洞口地表預(yù)加固后在仰坡位置塑性區(qū)分布區(qū)域明顯減小，說(shuō)明洞口地表預(yù)加固對(duì)圍巖的穩(wěn)定、完整性有有利的影響。

4.3.3 邊仰坡剪切應(yīng)變率云圖及安全系數(shù)分析

邊坡滑移區(qū)域從邊坡與仰坡交界線兩側(cè)向下延伸至邊坡坡腳，滑移面呈橢圓弧面，最終整個(gè)失穩(wěn)區(qū)域呈橢圓形。由于邊坡破碎巖體的節(jié)理十分發(fā)育，將發(fā)生旋轉(zhuǎn)破壞，即產(chǎn)生的滑坡為圓弧破壞形式[13]。加固前邊坡與仰坡交界線附近剪切應(yīng)變率明顯大于其余位置，加固后交界線附近剪切應(yīng)變率大大減小，與其余位置差別不大。加固后的剪切應(yīng)變率影響區(qū)域明顯小于加固前，并且加固前的安全系數(shù)為1.86，加固后的安全系數(shù)為2.18，可見(jiàn)洞口地表預(yù)加固對(duì)邊仰坡的穩(wěn)定性有明顯的提升作用(圖11)。

(a)拱頂及右部結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn) 應(yīng)力峰值沿隧道縱向分布

(b)拱頂及左部結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn) 應(yīng)力峰值沿隧道縱向分布圖10 加固前后邊仰坡塑性區(qū)

(a)加固前

(b)加固后圖11 加固前后剪切應(yīng)變率及安全系數(shù)

4.4 實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

據(jù)地表調(diào)查及鉆探揭示，擬建隧址區(qū)覆蓋層為殘坡積層，巖性主要為塊石土、粉質(zhì)黏土，局部含全風(fēng)化基巖，厚薄不一，結(jié)構(gòu)松散，工程地質(zhì)性質(zhì)較差，開(kāi)挖后需及時(shí)進(jìn)行支護(hù)。尤其是進(jìn)口段，覆蓋層厚度約10.0m，易導(dǎo)致覆蓋層沿基覆界面整體滑塌。施工單位據(jù)此在進(jìn)口洞外邊仰坡及樁間土采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，并且邊坡上方合適位置設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)(圖12)。隧道修建完成后坡體仍保持相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性，未發(fā)生滑塌現(xiàn)象，由此可見(jiàn)此措施在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中具有可行性。

(a)進(jìn)口邊仰坡錨網(wǎng)噴

(b)進(jìn)口邊坡被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)圖12 飛仙關(guān)隧道洞口邊仰坡防護(hù)現(xiàn)場(chǎng)施工

5 結(jié)論

本文依托于飛仙關(guān)公路隧道工程，對(duì)穿越厚層堆積體偏壓隧道洞口段邊仰坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，通過(guò)數(shù)值模擬研究得到如下結(jié)論：

(1)隧道洞口邊坡穩(wěn)定性受洞口埋深的影響，在一定范圍內(nèi)，埋深越大，邊坡穩(wěn)定性越差。4m、7m和10m三種埋深工況條件下，地中位移工況1最大，工況3最??；初期支護(hù)受力工況1最小，工況3最大；圍巖應(yīng)力場(chǎng)工況1最小，工況3最大；邊坡塑性區(qū)：工況1最小，工況3最大；邊坡安全系數(shù)工況1最小，工況3最大?？梢?jiàn)隨著隧道埋深的增加，圍巖、初支的應(yīng)力有所增大，且塑性區(qū)范圍也更大，但隧道開(kāi)挖后的沉降減小，邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)更大。綜合來(lái)看，埋深4m在滿足邊坡穩(wěn)定的情況下更加經(jīng)濟(jì)合理。

(2)厚層堆積體偏壓隧道洞口預(yù)加固技術(shù)研究一節(jié)中，主要通過(guò)在洞口上方軟巖段用殼單元和Cable單元模擬一層邊坡錨網(wǎng)噴支護(hù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)指標(biāo)均有改善，說(shuō)明該邊仰坡加固措施的可行性。

(3)對(duì)該穿越厚層堆積體偏壓隧道施工時(shí)，建議洞口埋置深度取4m；結(jié)合飛仙關(guān)隧道現(xiàn)場(chǎng)施工工藝，證明了邊仰坡采用錨網(wǎng)噴支護(hù)這一措施對(duì)增加坡體穩(wěn)定性、防止坡體滑塌具有良好的效果。