肖興旺， 許　術(shù)， 董　城， 劉　卓

(1.湖南省永龍高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司， 湖南 永順　416700;　2.湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長(zhǎng)沙　410015)

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隧道洞口臨近邊坡三維穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析

肖興旺1， 許術(shù)1， 董城2， 劉卓2

(1.湖南省永龍高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司， 湖南 永順416700;2.湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長(zhǎng)沙410015)

摘要：結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)探勘資料及隧道仰坡三維形態(tài)圖，采用ABAQUS有限元模擬軟件建立了某隧道洞口臨近仰坡的三維有限元模型；結(jié)合強(qiáng)度折減技術(shù)，通過(guò)邊坡工程地質(zhì)、水文地質(zhì)現(xiàn)狀調(diào)查及邊坡整體穩(wěn)定性驗(yàn)算，得到了隧道仰坡的安全系數(shù)。并將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)有研究方法進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。研究表明：基于邊坡實(shí)際三維形態(tài)的ABAQUS分析邊坡安全系數(shù)滿足相關(guān)規(guī)程要求，但考慮到邊坡巖土參數(shù)離散性及強(qiáng)降雨等不利因素，建議定時(shí)監(jiān)測(cè)，并及時(shí)采取加固措施進(jìn)行加固；進(jìn)一步針對(duì)邊坡現(xiàn)有情況提出較為合理的隧道仰坡加固措施建議方案，為隧道洞口臨近仰坡及隧道安全提供保證。

關(guān)鍵詞：隧道仰坡； ABAQUS； 強(qiáng)度折減技術(shù)； 穩(wěn)定性分析； 安全系數(shù)

0前言

鐵路隧道洞口臨近仰坡穩(wěn)定性對(duì)隧道安全性運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要，對(duì)行車(chē)安全有較大影響。以往此類(lèi)問(wèn)題常當(dāng)作邊坡穩(wěn)定性分析進(jìn)行處理。一般分兩類(lèi)：理論研究方面，瑞典條分法、簡(jiǎn)化Bishop法、Janbu法等極限平衡分析方法最為常用。Chen[1]提出的基于極限分析上限法邊坡穩(wěn)定性分析方法也得到逐步應(yīng)用；數(shù)值模擬方面，徐文杰等[2]運(yùn)用有限元強(qiáng)度折減法及離散元法分析邊坡穩(wěn)定性，兩種方法的滑動(dòng)面基本一致；鄭穎人等[3]采用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)巖質(zhì)邊坡破壞機(jī)制進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并驗(yàn)證了該方法的可行性；張立舟[4]、李春忠等[5]及杜明慶等[6]結(jié)合強(qiáng)度折減技術(shù)采用有限元軟件ABAQUS分析了邊坡穩(wěn)定性。這些分析能夠給研究隧道洞口鄰近邊坡穩(wěn)定性提供有益參考。

但國(guó)內(nèi)外學(xué)者也逐漸意識(shí)到將隧道洞口鄰近邊坡簡(jiǎn)化為單純邊坡穩(wěn)定性并不完全合理。蘭旭[7]依托十白高速公路花石溝隧道工程，對(duì)隧道洞口仰坡進(jìn)行了動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，由于安全系數(shù)小于1，從而采用錨固噴漿及抗滑樁加固等措施加強(qiáng)其穩(wěn)定性；龍浪波等[8]結(jié)合宜萬(wàn)鐵路白龍壩隧道洞口邊坡破壞過(guò)程中所顯現(xiàn)出的特點(diǎn)，以有限元計(jì)算為手段，通過(guò)數(shù)值模擬分析了不考慮動(dòng)荷載和考慮動(dòng)荷載兩種條件下隧道口邊坡的穩(wěn)定性。但上述研究均沒(méi)有考慮隧道洞口鄰近邊坡的三維特性。

基于以上原因，本文基于強(qiáng)度折減技術(shù)，采用有限元軟件ABAQUS建立實(shí)際三維分析模型，對(duì)隧道洞口臨近邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬及理論計(jì)算，得到了隧道洞口臨近仰坡的安全系數(shù)及滑動(dòng)面。并將計(jì)算結(jié)果與二維假定的瑞典條分法、簡(jiǎn)化Bishop法、Janbu法及極限分析上限法進(jìn)行對(duì)比論證其有效性。同時(shí)根據(jù)隧道洞口臨近仰坡現(xiàn)有情況提出較為合理及經(jīng)濟(jì)的加固措施建議方案，為邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供有效手段。

1工程概況

某鐵路路基邊坡為有隧道的塹坡，長(zhǎng)約220 m，之間有長(zhǎng)約70 m的隧道。隧道仰坡和路塹坡體表面植被茂盛，坡體多大型闊葉喬木和低矮灌木。塹坡所在區(qū)域?qū)儆谥衼啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，嚴(yán)寒期短，春早回暖快，春夏多雨，夏末秋后多旱，具有獨(dú)特的山區(qū)立體氣候。近十年來(lái)，年均降水1295 mm左右。

坡體處于中低山區(qū)丘陵地貌區(qū)。山頂圓錐形，山脊線呈波狀起伏。坡面植被發(fā)育，多灌木叢和喬木，主要為蕨類(lèi)植物、常年生灌木叢。該處隧道區(qū)間山體的最大高差為43 m，進(jìn)口端隧道仰坡可分為3段，水泥噴漿段，坡高約13 m，坡比約1∶1.7，坡頂有片石天溝和擋墻；土質(zhì)護(hù)坡段下部，坡高約6.3 m，坡比約1∶1.2；土質(zhì)護(hù)坡段上部，坡高約6 m，坡頂有天溝，溝底有淤積物。出口端隧道仰坡分為2段，水泥噴漿段坡高12 m，坡比約為1∶0.6；土質(zhì)護(hù)坡段坡高約15 m，坡比約為1∶1.7。上行線右側(cè)路塹坡高15～20 m，坡比約為1∶0.8，坡腳有高度約0.8 m的片石擋墻；下行線左側(cè)路塹高30～43 m，坡比約為1∶0.7，坡腳有高度為0.3～0.8 m的擋墻，局部有片石護(hù)坡。如圖1。

a) 隧道進(jìn)口端

b) 隧道出口端

該地區(qū)處于湘瀏盆地，盆地內(nèi)廣泛分布著白至系礫巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖等軟質(zhì)巖石，具有成巖差，易風(fēng)化、崩解等特殊性質(zhì)。邊坡坡頂覆蓋層厚度不均勻(0.30～2 m)；坡頂殘積土覆蓋層厚度不均勻；下伏基巖主要為石英砂巖、砂質(zhì)泥巖，表層裸露部分為強(qiáng)風(fēng)化巖體，呈灰褐色，錘擊聲較啞，巖質(zhì)較軟；節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理裂隙內(nèi)含泥量較少，巖體較破碎。

進(jìn)口端隧道仰坡在水泥噴漿支護(hù)上部有一寬度約0.7 m的片石天溝，兩側(cè)有寬0.6 m的吊溝，溝底有樹(shù)葉等淤積物，但對(duì)其排水基本無(wú)影響，擋墻的排水孔基本通暢，排水較好；坡頂有寬度約為0.6 m的片石天溝，淤積物較多，較大程度上失去排水作用。出口端隧道仰坡和路塹邊坡坡頂無(wú)天溝，雨水通過(guò)坡面直接排走。坡底排水溝蓋板被道砟覆蓋，影響排水速度，可導(dǎo)致路肩積水；排水溝出水口被道砟阻塞，排水作用不明顯。

進(jìn)口端隧道仰坡下部約13 m區(qū)段坡面支護(hù)形式為水泥噴漿護(hù)坡，坡面有少量裂縫。仰坡上部約13 m區(qū)段坡面為土質(zhì)邊坡，坡體多被高大喬木和低矮灌木所覆蓋，坡底有高約1.8 m的片石擋墻，擋墻結(jié)構(gòu)基本完整。出口端隧道仰坡下部約12 m區(qū)段和洞門(mén)兩側(cè)坡面水泥噴漿護(hù)坡，坡面完整未見(jiàn)明顯裂縫。仰坡上部為土質(zhì)邊坡，坡體多高大喬木和低矮灌木。上下行的左右側(cè)路塹除下行左側(cè)局部有片石護(hù)坡外基本為揭露處的風(fēng)化巖邊坡。

水泥噴漿坡面基本無(wú)植被覆蓋，土質(zhì)邊坡有較多大型喬木和灌木叢，當(dāng)覆土層較厚時(shí)植被對(duì)土體有一定的加固作用，但是當(dāng)覆土層較薄時(shí)，大型植被的根系直接作用在風(fēng)化巖上可能會(huì)加快巖體剝落，甚至導(dǎo)致大塊巖體滾落。

2數(shù)值計(jì)算

2.1巖土參數(shù)評(píng)估

綜合以上實(shí)地勘測(cè)資料，并參考水利水電出版社《巖石力學(xué)參數(shù)手冊(cè)》(1991)，對(duì)該邊坡巖土參數(shù)進(jìn)行預(yù)估，結(jié)果如表1所示。

表1 邊坡巖土材料計(jì)算參數(shù)分層層厚/m密度D/(g·cm-3)彈性模量E/MPa1路基以上2.1 20002路基以下2.3 25003隧道襯砌及洞門(mén)2.5210004片石護(hù)坡2.5 5000泊松比v內(nèi)聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)滲透率/(10-7)孔隙比0.33 60301 1.50.3 100340.51 0.2 ————0.25————

2.2基于ABAQUS數(shù)值計(jì)算模型

本文采用有限元模擬軟件ABAQUS開(kāi)展路塹邊坡穩(wěn)定性分析，為路塹邊坡防護(hù)與加固設(shè)計(jì)提供參考。參考地形地貌測(cè)量結(jié)果，建立該邊坡有限元模型如圖2所示。

a) 整體計(jì)算模型

b) 隧道計(jì)算模型

該計(jì)算模型總長(zhǎng)度為290 m，自鐵路線至隧道入口90 m，自出口往路線方向取130 m。路基面往下取15 m，兩端自坡腳往邊坡方向各取90 m。進(jìn)口左側(cè)邊坡坡角約為55°，右側(cè)邊坡坡腳約為45°。

由于考慮邊坡滲水作用，坡體單元采用三維八節(jié)點(diǎn)孔壓?jiǎn)卧退拿骟w縮減積分孔壓?jiǎn)卧?，隧道采用三維八節(jié)點(diǎn)六面體單元。共劃分85704個(gè)單元，86369個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3計(jì)算結(jié)果、分析及對(duì)比分析

3.1基于ABAQUS的計(jì)算結(jié)果

3.1.1應(yīng)力云圖及位移云圖

實(shí)際邊坡在長(zhǎng)期自重作用下已經(jīng)達(dá)到自身平衡。在ABAQUS中，由于重力作用會(huì)對(duì)邊坡產(chǎn)生豎向沉降，給滑動(dòng)面觀察造成困難。因此首先需要進(jìn)行地應(yīng)力平衡計(jì)算以消除重力的影響。自重應(yīng)力作用下的位移與最終位移云圖如圖3所示。

從圖3可知，該邊坡潛在滑動(dòng)面自坡腳延伸貫通至坡頂，滑動(dòng)面為圓弧狀?；瑒?dòng)主要在線路左側(cè)。漿砌片石護(hù)坡對(duì)邊坡有一定的保護(hù)作用。

3.1.2安全系數(shù)

采用強(qiáng)度折減法，當(dāng)強(qiáng)度折減到某一數(shù)值時(shí)，計(jì)算過(guò)程中將會(huì)出現(xiàn)位移拐點(diǎn)。將計(jì)算過(guò)程中邊坡頂點(diǎn)出現(xiàn)位移突變視為邊坡失穩(wěn)，繪制安全系數(shù)-位移曲線如圖4所示。

a) 自重作用下的應(yīng)力云圖

b) 最終位移云圖

圖4　總位移隨強(qiáng)度折減系數(shù)變化關(guān)系

由圖5和圖6可知，隨著折減系數(shù)的增加，邊坡塑性區(qū)不斷擴(kuò)展，當(dāng)折減系數(shù)為1.3時(shí)，邊坡塑性區(qū)貫通，邊坡穩(wěn)定性處于臨界狀態(tài)，分析結(jié)果與數(shù)值模擬位移結(jié)果一致。

圖5　折減系數(shù)為1.1時(shí)的塑性區(qū)

圖6　折減系數(shù)為1.3時(shí)的塑性區(qū)

3.1.3滑動(dòng)面

在邊坡穩(wěn)定性分析中，需要確定滑動(dòng)面的位置。由于第一步分析中進(jìn)行了地應(yīng)力平衡計(jì)算，消除了重力作用對(duì)邊坡位移的影響，因此從位移等值線云圖(圖7)可清楚地判斷滑動(dòng)面的位置。從圖中可知，滑動(dòng)面大致呈圓弧狀，通過(guò)邊坡坡腳點(diǎn)?；瑒?dòng)面圓弧半徑為30 m左右?；瑒?dòng)面到坡面最大垂直深度約為11 m。

圖7　位移等值線云圖

3.2對(duì)比分析

基于ABAQUS、巖土理正及理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析見(jiàn)表2和圖8。

表2 對(duì)比分析表數(shù)值模擬現(xiàn)有方法ABAQUS瑞典條分法簡(jiǎn)化BishopJanbu極限上限法1.31.1771.2181.2361.223

圖8　對(duì)比分析圖

從表2和圖8可知，5種方法計(jì)算的安全系數(shù)和邊坡滑動(dòng)面有一定相差。極限分析上限法計(jì)算的安全系數(shù)比瑞典條分法、簡(jiǎn)化Bishop法計(jì)算結(jié)果大，而比ABAQUS有限元法及Janbu法計(jì)算的安全系數(shù)小。其中，基于邊坡實(shí)際三維形態(tài)的ABAQUS有限元法計(jì)算結(jié)果偏大，這與工程實(shí)際中三維實(shí)際形態(tài)引入后兩側(cè)約束效應(yīng)的影響有關(guān)。

4加固措施建議方案

基于現(xiàn)場(chǎng)踏勘、巖土參數(shù)的預(yù)估以及數(shù)值分析獲得的滑坡體幾何特征，經(jīng)過(guò)優(yōu)化比選，提出如下預(yù)加固建議方案。

4.1上下行左右側(cè)預(yù)加固方案

選取高硫鋁土礦試樣，參照GB/T 2007.1—1987、GB/T 2007.2—1987制樣，過(guò)75μm(200目)篩網(wǎng)，并在(110±5)℃烘箱內(nèi)烘約2h，置于干燥器內(nèi)，冷卻，備用。

1) 路基塹坡覆土層較薄，揭露為強(qiáng)～中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，巖體自身穩(wěn)定性較好，建議在巖體裸露處掛網(wǎng)噴漿，防止巖石繼續(xù)風(fēng)化，依靠圍巖自身穩(wěn)定性保持塹坡穩(wěn)定；

2) 建議在塹坡坡頂增設(shè)排水溝，減小雨水對(duì)坡體沖刷；

3) 對(duì)根系發(fā)達(dá)的大型植被進(jìn)行砍伐，防止風(fēng)化巖在根系力和雨水作用下剝落、掉塊。

4.2隧道仰坡預(yù)加固方案

1) 隧道仰坡上部覆土層較厚，擬采用網(wǎng)格梁+排水孔的聯(lián)合支護(hù)形式對(duì)該邊坡進(jìn)行預(yù)加固；

2) 網(wǎng)格梁： 網(wǎng)格梁截面尺寸為0.3 m×0.3 m；網(wǎng)格梁內(nèi)采用噴射砼封閉，噴射砼厚150 mm，砼標(biāo)號(hào)為C20；

3) 排水孔： 每個(gè)梁格內(nèi)設(shè)置2個(gè)排水孔，排水管采用φ100軟式透水管制作，長(zhǎng)度3 m。

5結(jié)論

針對(duì)隧道仰坡，本文通過(guò)ABAQUS建立了三維有限元分析模型，并將計(jì)算結(jié)果與二維瑞典條分法、簡(jiǎn)化Bishop法、Janbu法及極限上限法進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而進(jìn)行穩(wěn)定性分析。得出以下主要結(jié)論：

1) 基于邊坡實(shí)際三維形態(tài)的ABAQUS分析邊坡安全系數(shù)滿足相關(guān)規(guī)程要求，但考慮到邊坡巖土參數(shù)離散性及強(qiáng)降雨等不利因素，建議定時(shí)監(jiān)測(cè)，并及時(shí)采取加固措施進(jìn)行加固。

2) 基于ABAQUS分析軟件滑動(dòng)面大致呈圓弧狀，并通過(guò)邊坡坡腳?；瑒?dòng)面圓弧半徑為30 m?；瑒?dòng)面到坡面最大垂直深度約為11 m。

3) 針對(duì)邊坡現(xiàn)有情況、數(shù)值模擬及理論分析，采用了較為經(jīng)濟(jì)合理的的加固方案，增強(qiáng)了邊坡穩(wěn)定性。

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中圖分類(lèi)號(hào)：U 453.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-844X(2016)01-0117-05

作者簡(jiǎn)介：肖興旺(1973-)，男，高級(jí)工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理工作。

基金項(xiàng)目：交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項(xiàng)目(2014 318 785 090)；湖南省屬科研機(jī)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(20012TF1001);湖南省交通科技項(xiàng)目(201451)

收稿日期：2015-12-30