溫廣軍， 李翻翻， 王昱博

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司；公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088；2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著我國(guó)高速公路和鐵路的不斷建設(shè)，越來(lái)越多的工程建設(shè)涉及到邊坡治理[1]，邊坡的穩(wěn)定性直接影響工程建設(shè)質(zhì)量的好壞，常見的邊坡失穩(wěn)因素主要有地震作用、暴雨及河流沖刷以及開挖擾動(dòng)等。如何針對(duì)邊坡失穩(wěn)機(jī)制采取有效的加固措施，是邊坡治理的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

劉君[2]針對(duì)杜兒坪礦高邊坡的工程地質(zhì)條件，采用Sarma法對(duì)該邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并提出了相應(yīng)的加固措施。陳曉平等[3]采用Bishop圓弧滑動(dòng)法對(duì)某軟巖高邊坡在天然狀態(tài)、殘余強(qiáng)度狀態(tài)及濕化狀態(tài)下的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，其分析結(jié)果表明邊坡開挖后由于土體卸載導(dǎo)致邊坡土體強(qiáng)度降低，使得邊坡的穩(wěn)定性降低，開挖后降雨入滲使得表層土體軟化，強(qiáng)變發(fā)生衰減，邊坡穩(wěn)定性進(jìn)一步降低，開挖后當(dāng)邊坡表層土體達(dá)到殘余強(qiáng)度，或邊坡開挖后邊坡表層土體達(dá)到濕化強(qiáng)度，采用表層的噴錨支護(hù)措施無(wú)效。鞏留杰[4]在傳統(tǒng)極限平衡分析法的基礎(chǔ)上，借助有限元對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性進(jìn)行了分析和研究，得出了加筋材料、加筋距離及加筋總量等因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。沈?qū)毺玫萚5]在邊坡破壞機(jī)制的研究中采用了離散元法，成功揭示了邊坡的破壞機(jī)制，并指出了塊體邊坡內(nèi)應(yīng)力分布不連續(xù)且存在應(yīng)力核的現(xiàn)象。

目前針對(duì)露天礦、公路等高邊坡的分析結(jié)果已有很多[6-9]，但是針對(duì)隧道洞口的高邊坡的研究尚需進(jìn)一步加強(qiáng)。本文將采用ANSYS等數(shù)值模擬軟件對(duì)某隧道洞口高邊坡進(jìn)行三維建模，并對(duì)邊坡天然狀態(tài)下、暴雨?duì)顟B(tài)下及邊坡加固前后的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，針對(duì)分析結(jié)果對(duì)邊坡的加固方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 工程概況

某隧道洞口段軸線方向約204°，洞口位于斜坡地段，斜坡坡向約22°，自然坡度約35°，與地形等高線基本正交。該段第四系覆蓋層主要為碎石、塊石，下伏基巖為強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r等，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖層產(chǎn)狀為105°∠13°，主要發(fā)育兩組節(jié)理裂隙，即J1： 285°∠84°、J2：200°∠60°。洞口邊、仰坡坡體主要由第四系覆蓋層碎石、塊石組成。左、右線隧道洞口仰坡、左側(cè)邊坡及右側(cè)邊坡為土質(zhì)邊坡，土質(zhì)類型為崩積成因中密-密實(shí)狀塊石、碎石，多為泥質(zhì)充填，自穩(wěn)能力差，抗沖刷能力弱，對(duì)邊坡、仰坡穩(wěn)定不利，屬于不穩(wěn)定型土質(zhì)結(jié)構(gòu)邊坡；在無(wú)坡面防護(hù)或無(wú)超前支護(hù)措施、不恰當(dāng)?shù)谋剖┕?、坡比較陡、地表水沖刷等情況下，邊坡巖土體易產(chǎn)生滑塌、坍塌、碎落。

2 計(jì)算模型與方案設(shè)計(jì)

2.1 模型建立

針對(duì)ANSYS等數(shù)值模擬軟件的特性，選擇利用ANSYS軟件強(qiáng)大簡(jiǎn)單的建模功能進(jìn)行模型的建立，利用ANSYS智能劃分網(wǎng)格功能對(duì)模型進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分。隧道洞口邊坡三維計(jì)算模型如圖1所示，離散后的計(jì)算模型四面體單元數(shù)為637 988個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)109 732個(gè)。計(jì)算模型的邊界效應(yīng)已考慮，故模型四周及底部均采用位移約束，地表為自由面，應(yīng)力場(chǎng)由巖體自重引起。

圖1 隧道洞口邊坡三維計(jì)算模型

2.2 計(jì)算方案設(shè)計(jì)

本隧道洞口巖堆邊坡穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算采用ANSYS分析軟件，通過(guò)顯式積分算法對(duì)網(wǎng)格中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行隨時(shí)步的進(jìn)代計(jì)算，該程序能較好地模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動(dòng)的力學(xué)行為，特別適用于分析漸進(jìn)破壞和失穩(wěn)以及模擬大變形。

在自然狀態(tài)、暴雨?duì)顟B(tài)和地震狀態(tài)3種工況下，為模擬隧道洞口邊坡自然邊坡、開挖過(guò)程及工后地震狀態(tài)下的洞口邊坡穩(wěn)定性情況，共31種工況開展模擬分析，其中左、右隧洞泥灰?guī)r、碎石層分別分兩層開挖及加固，上下層及左右洞間分別錯(cuò)開40 m左右，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求，隧洞自昭通端向麻柳灣端單向開挖，左隧洞超前右隧洞40 m以上，工后地震條件下的洞口邊坡穩(wěn)定性按地震+暴雨條件的最不利狀態(tài)下模擬。

2.3 計(jì)算參數(shù)選取

根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》和其他邊坡、滑坡規(guī)范，在反算邊坡強(qiáng)度參數(shù)時(shí)：①對(duì)于基本穩(wěn)定邊坡，安全系數(shù)應(yīng)該高于1.05～1.10；②對(duì)于臨滑狀態(tài)的邊坡，取安全系數(shù)為0.95～1.05；③對(duì)于欠穩(wěn)定的邊坡，安全系數(shù)為0.90～0.95；④對(duì)于不穩(wěn)定的邊坡，安全系數(shù)低于0.90。結(jié)合定性分析和現(xiàn)場(chǎng)情況，通過(guò)參數(shù)反演，參照《工程地質(zhì)勘察說(shuō)明書》，參數(shù)的選取見表1、表2。

表1 某隧道洞口邊坡巖體基本力學(xué)參數(shù)(天然工況)

表2 某隧道洞口邊坡巖體基本力學(xué)參數(shù)(暴雨工況)

3 穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算方案，對(duì)隧道邊坡在天然狀態(tài)、暴雨?duì)顟B(tài)、地震狀態(tài)下不同工況的巖堆邊坡體穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。根據(jù)不同工況計(jì)算結(jié)果，分析巖堆體在天然狀態(tài)、暴雨?duì)顟B(tài)、地震狀態(tài)下位移、應(yīng)力、安全系數(shù)等主要參量變化規(guī)律，揭示巖堆體不同工況下內(nèi)在變形破壞特征，為合理做出巖堆體中掘進(jìn)公路隧洞巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)與施工、降低生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)提供參考。

3.1 巖堆體變形破壞特征

計(jì)算過(guò)程中，根據(jù)設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置，對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集，包括位移與速率監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，自然狀態(tài)和暴雨?duì)顟B(tài)下各工況巖堆體最危險(xiǎn)位置監(jiān)控點(diǎn)位移與速率具有如下變化特征：

(1)左隧洞口邊坡巖堆體開挖但不及時(shí)支護(hù)情況下，最大位移位于左隧洞口左上側(cè)，自然狀態(tài)下最大位移達(dá)到67.01 mm；左隧洞口邊坡巖堆體開挖后及時(shí)噴錨加固坡面，并施工好擋土墻情況下，最大位移僅6.285 mm，最大位移減小到了十分之一以下。由此說(shuō)明，開挖對(duì)巖堆體變形有較大影響，施工時(shí)應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況，實(shí)行分步開挖，每步開挖后應(yīng)盡量做到及時(shí)支護(hù)、加固等處理，最大限度地降低工程對(duì)原有巖堆體的擾動(dòng)。

(2)巖堆體圍巖軟弱，通常處于淺埋地段，施工期間早期壓力大，圍巖變形快，自穩(wěn)時(shí)間短。在泥灰?guī)r(基巖)中掘進(jìn)隧洞時(shí)，位移變化較平緩；左隧洞開挖進(jìn)入到碎石巖堆層后，巖移速率明顯加快，位移增大；到右隧洞貫通后，位移達(dá)到了11.72 mm，周邊點(diǎn)位移同樣有所增大。因此，在巖堆體中掘進(jìn)隧道，施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)前期支護(hù)，并做好施工監(jiān)測(cè)工作。

(3)暴雨(飽水)狀態(tài)下，各工況監(jiān)控點(diǎn)位移及速率大大提高。左右隧洞均貫通后，最大位移位于左隧洞口左上側(cè)，在暴雨?duì)顟B(tài)下最大位移達(dá)到了885.9 mm，位移增大了80倍?？梢哉J(rèn)為，暴雨(飽水)對(duì)巖堆體穩(wěn)定性具有巨大影響，應(yīng)避免暴雨期間或暴雨剛過(guò)后即進(jìn)行工程施工，隧洞附近的施工更是如此。

3.2 安全系數(shù)分析

依據(jù)三維模型對(duì)各工況安全系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表面自然狀態(tài)下安全系數(shù)介于1.05～1.08，屬于基本穩(wěn)定邊坡；暴雨?duì)顟B(tài)下各工況安全系數(shù)介于1.0～1.05，處于臨滑狀態(tài)；對(duì)于暴雨+地震狀態(tài)下，安全系數(shù)小于1.0，為欠穩(wěn)定坡體。

3.3 注漿錨桿軸力分析

為進(jìn)一步研究注漿錨桿對(duì)隧道洞口邊坡巖堆體的加固效果，對(duì)各工況錨桿軸力進(jìn)行了計(jì)算。由計(jì)算結(jié)果可知，工后自然狀態(tài)和暴雨?duì)顟B(tài)下，注漿錨桿分別提供了11.98 kN和105.78 kN的錨固力，對(duì)巖堆坡體的穩(wěn)定性具有一定的改善作用。

3.4 地震時(shí)程分析

為進(jìn)一步研究工后巖堆路塹邊坡工程體在地震荷載作用下的穩(wěn)定性情況，本隧道邊坡所處區(qū)域地震動(dòng)峰值加速度大致相當(dāng)于地震烈度為七度(峰值加速度0.15g)時(shí)的特定地震波，對(duì)本段工后邊坡體開展了暴雨+地震情形下的地震時(shí)程模擬計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果表明，地震對(duì)隧道洞口巖堆體的穩(wěn)定性有較大影響，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐卣饸v史情況加以地震因素考慮，工程施工過(guò)程中更應(yīng)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，確保工程在極端環(huán)境下的整體穩(wěn)定性。

4 結(jié)論與建議

(1)開挖對(duì)巖堆體變形有較大影響，施工時(shí)應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況，實(shí)行分步開挖，每步開挖后應(yīng)盡量做到及時(shí)支護(hù)、加固等處理。

(2)防坍塌是巖堆體隧道施工的重點(diǎn)，巖堆體宜固不宜清，并應(yīng)先支后挖，強(qiáng)支護(hù)，開挖斷面要變大為小，步步為營(yíng)，施工前應(yīng)做好穩(wěn)固掌子面的工程措施，防止頂部巨石下坍危險(xiǎn)。

(3)地質(zhì)體復(fù)雜，影響因素眾多，在勘查成果偏少情況下，數(shù)值模擬結(jié)果僅限于定性評(píng)價(jià)，在實(shí)際工程施工過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)的施工監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，及時(shí)按需調(diào)整施工方案。

(4)工程設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐卣饸v史情況加以地震因素考慮，工程施工過(guò)程中更應(yīng)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，確保工程在極端環(huán)境下的整體穩(wěn)定性。