胡文亮

(重慶市設(shè)計院有限公司， 重慶 400015)

山嶺隧道受地形地質(zhì)條件及路線限制，隧道偏壓較為常見，隧道下穿邊坡形成的聯(lián)合受力系統(tǒng)較為復(fù)雜，分析邊坡與隧道聯(lián)合體系的地層穩(wěn)定性是進行隧道工程安全建設(shè)的首要問題。目前，偏壓隧道處置研究多從施工技術(shù)、隧道加固等方面進行。王軍等[1]采用有限元差分法計算受偏壓隧道影響的邊坡加固，計算數(shù)值與工程監(jiān)控較吻合；楊小禮等[2]通過數(shù)值模擬淺埋小凈距隧道施工過程，提出先開挖埋深較大的一側(cè)，隧道圍巖塑性區(qū)相對較??；趙陽等[3]對偏壓小凈距隧道進行計算，指出小凈距隧道兩主洞掌子面保持在2倍洞徑時隧道穩(wěn)定性最好；黃強等[4]通過計算分析了在淺埋偏壓公路隧道采用CRD工法施工，隧道按外側(cè)上部、內(nèi)側(cè)上部、外側(cè)下部、內(nèi)側(cè)下部的順序進行開挖，應(yīng)力位移較?。魂愔久舻萚5]通過分析隧道拱頂沉降塑性區(qū)等，認(rèn)為大跨淺埋偏壓隧道優(yōu)先開挖深埋側(cè)隧道，并優(yōu)先開挖其淺埋側(cè)導(dǎo)洞。

鑒于目前邊坡隧道聯(lián)合受力體系地層穩(wěn)定性的研究尚少，本文采用有限元強度折減法分析從隧道拱部的邊坡覆蓋層厚度探討研究隧道與邊坡聯(lián)合受力地層穩(wěn)定性受力特性，以期指導(dǎo)偏壓隧道的設(shè)計與施工。

1 強度折減法原理

強度折減法是通過折減巖土工程的材料參數(shù)強度(抗拉強度及抗剪強度)，使得巖土處于臨界破壞失穩(wěn)狀態(tài)[6-12]，強度折減的數(shù)值F即為安全儲備系數(shù)。

選擇巖土材料本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，將巖土的穩(wěn)定性系數(shù)F定義為抗拉強度及抗剪強度同等減少值。

式中：c為粘聚力，Pa；c′為折減后粘聚力，Pa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)；φ′為折減后內(nèi)摩擦角，(°)；T為抗拉強度，Pa；T′為折減后抗拉強度，Pa。

采用有限元軟件計算，判斷巖土失穩(wěn)的依據(jù)是位移過大，計算程序?qū)⒉皇諗?。?jù)此，本文以有限元迭代計算不收斂作為巖土失穩(wěn)的判據(jù)[13-15]。

2 偏壓隧道邊坡地層穩(wěn)定性分析

隧道圍巖結(jié)構(gòu)與邊坡坡體的受力模式不同，隧道穩(wěn)定性取決于其周邊圍巖的強度，而邊坡體的穩(wěn)定性取決于邊坡抵抗自重滑移能力，其破壞模式一般表現(xiàn)為沿邊坡內(nèi)部滑面滑移。

根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTG 3370.1—2018)附錄A.0.07隧道IV級圍巖參數(shù)建議取值如下：泊松比μ= 0.35，內(nèi)摩擦角φ= 30°，彈性模量E= 1 200 MPa，重度γ= 25 kN/m3，粘聚力c= 0.2 MPa，抗拉強度T=28 kPa。算例選取邊坡高度45 m、坡率1∶1進行拉剪強度折減法計算。初始邊坡安全系數(shù)經(jīng)計算F=2.3。

2.1 隧道拱肩巖層厚度影響

隧道拱肩覆巖層不同厚度對邊坡隧道地層穩(wěn)定性的影響，選取2車道隧道距離地表23 m情況下計算隧道拱肩距離坡面厚度5 m、10 m、15 m、20 m及25 m工況對比分析，各工況下隧道與邊坡相對位置關(guān)系如圖1所示。

單位：cm

1) 穩(wěn)定安全系數(shù)

采用有限元軟件計算不同工況下的地層穩(wěn)定性安全系數(shù)，結(jié)果見表1。由表1可知，隨隧道拱肩邊坡巖土厚度的增加，邊坡隧道地層安全系數(shù)先減小后增大。

表1 穩(wěn)定安全系數(shù)

2) 破壞模式

隧道拱肩處不同覆蓋層厚度工況下，邊坡臨界失穩(wěn)狀態(tài)的巖土塑性區(qū)云圖如圖2所示。

(a) 工況1

(c) 工況3

(e) 工況5

分析塑性區(qū)分布模式存在一定的規(guī)律：

(1) 當(dāng)隧道拱肩覆蓋層厚度較小時(工況1、工況2)，由地層臨界失穩(wěn)巖土塑性區(qū)圖2(a)、(b)可知，塑性區(qū)位于隧道拱墻兩側(cè)，隧道左側(cè)巖土塑性區(qū)在理論破裂面方向形成破壞區(qū)，隧道右側(cè)巖土塑性區(qū)從拱肩位置貫通到邊坡坡面形成破壞區(qū)，此種工況下邊坡與隧道聯(lián)合地層穩(wěn)定性受隧道穩(wěn)定性控制；

(2) 隨隧道拱肩覆蓋層厚度增大(工況3～工況5)，由地層臨界失穩(wěn)巖土塑性區(qū)圖2(c)～(e)可知，隧道左側(cè)巖土塑性區(qū)沿理論破裂面方向形成破壞區(qū)，隧道右側(cè)巖土塑性區(qū)從拱墻位置向邊坡坡腳貫通形成破壞區(qū)，此種工況下邊坡與隧道聯(lián)合地層穩(wěn)定性受隧道穩(wěn)定性和邊坡穩(wěn)定性同時控制。

2.2 隧道拱頂巖層厚度影響

偏壓隧道拱頂不同埋深厚度對邊坡與隧道聯(lián)合地層穩(wěn)定性的影響，選取2車道隧道偏壓拱肩覆土5 m情況下計算隧道拱頂距離地表厚度5 m、10 m、15 m、20 m及25 m工況對比分析，各工況下隧道與邊坡相對位置關(guān)系如圖3所示。

單位：cm

1) 地層穩(wěn)定安全系數(shù)

采用有限元軟件計算不同埋深工況下的邊坡與隧道穩(wěn)定性安全系數(shù)，結(jié)果見表2。由表2可知，隨埋深厚度的增加，邊坡隧道地層安全系數(shù)逐漸減小。

表2 地層穩(wěn)定安全系數(shù)

2) 地層破壞模式

偏壓隧道拱頂不同埋深工況下，邊坡臨界失穩(wěn)狀態(tài)的巖土塑性區(qū)云圖如圖4所示。

由圖4(a)、(b)可知，當(dāng)偏壓隧道埋深較小時(工況6、工況7)，在隧道左側(cè)巖土體在理論破裂面方向形成塑性破壞區(qū)。在隧道右側(cè)，巖土體從隧道拱腳位置貫通到邊坡坡腳形成塑性破壞區(qū)，此種工況下邊坡與隧道聯(lián)合地層穩(wěn)定受隧道穩(wěn)定性及邊坡穩(wěn)定性的共同控制。

由圖4(c)～(e)可知，隨偏壓隧道埋深增大(工況8～工況10)，隧道左側(cè)巖土體在理論破裂面方向形成塑性破壞區(qū)，隧道右側(cè)巖土體從拱肩位置向邊坡坡面貫通形成塑性破壞區(qū)，此種工況下邊坡隧道地層穩(wěn)定性受隧道穩(wěn)定性控制。

(e) 工況10

2.3 隧道與邊坡初始塑性區(qū)位置影響

提取原狀邊坡臨界失穩(wěn)時巖土體塑性區(qū)云圖，并將不同工況下的隧道斷面位置疊加到相對應(yīng)的邊坡塑性區(qū)，如圖5所示。根據(jù)表1可知，邊坡隧道地層穩(wěn)定安全系數(shù)先減小后增加，說明在隧道與邊坡達到一個相對的位置關(guān)系安全系數(shù)最??；根據(jù)表2可知，隨埋深厚度增加，邊坡與隧道聯(lián)合地層安全系數(shù)逐漸減小。通過分析原狀邊坡極限臨界破壞巖土體塑性區(qū)，并對比其與隧道的相對位置關(guān)系得出：隧道位置處于原狀邊坡臨界失穩(wěn)塑性區(qū)位置時，邊坡隧道聯(lián)合地層的安全系數(shù)最小，隧道位置遠離原狀邊坡臨界失穩(wěn)塑性區(qū)時，邊坡隧道聯(lián)合地層的安全系數(shù)增大。

(a) 工況1

(b) 工況2

(c) 工況3

(d) 工況4

(e) 工況5

(f) 工況6

(g) 工況7

(h) 工況8

(i) 工況9

(j) 工況10

3 結(jié)論

本文從偏壓隧道拱肩部的覆蓋層厚度及拱頂埋深采用拉剪強度折減法計算不同工況下隧道邊坡聯(lián)合地層的穩(wěn)定安全系數(shù)，分析隧道邊坡聯(lián)合地層臨界失穩(wěn)時的巖土塑性區(qū)得到影響邊坡隧道地層穩(wěn)定性的結(jié)論如下：

1) 當(dāng)隧道覆蓋層較小時，工況1、工況2及工況8～工況10對應(yīng)的邊坡隧道地層穩(wěn)定性取決于隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，應(yīng)加強隧道的支護強度；隨著隧道覆蓋層厚度的增大，工況3～工況7對應(yīng)邊坡隧道地層穩(wěn)定性受隧道和邊坡穩(wěn)定性共同控制。

2) 邊坡與隧道聯(lián)合地層穩(wěn)定安全系數(shù)隨著隧道拱肩巖土厚度增加，邊坡隧道地層安全系數(shù)先減小后增大；隨著隧道拱頂埋深厚度增加，邊坡隧道地層安全系數(shù)逐漸減小。

3) 當(dāng)隧道位置遠離原狀邊坡潛在滑動面時，邊坡隧道地層穩(wěn)定安全系數(shù)較大；隨著隧道位置臨近原狀邊坡潛在滑動面時，邊坡隧道地層穩(wěn)定安全系數(shù)減小；隧道越臨近邊坡坡腳最大應(yīng)變區(qū)時，其整體穩(wěn)定安全系數(shù)最小。