摘要：文章根據(jù)某隧道工程實際情況，建立相應的簡化模型和實際工程模型，選用FLAC 3D軟件分析了隧道開挖對洞口高邊坡的影響及模擬邊坡實際施工情況的受力特征，得到以下結(jié)論：（1）隧道開挖后，洞口高邊坡穩(wěn)定狀態(tài)不佳，已形成從隧道頂部至坡頂?shù)募魬ω炌?，極易發(fā)生剪切破壞，故應當采取相應的支護措施；（2）實際工程原始邊坡安全系數(shù)為1.02，屬于欠穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡開挖支護后達到穩(wěn)定狀態(tài)，隧道開挖支護使得支護后的邊坡安全系數(shù)降低，但仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)；（3）邊坡開挖后，坡腳易出現(xiàn)剪切破壞，坡表存在鼓脹現(xiàn)象，錨索框架梁起到良好的支護作用，受開挖影響，其彎矩值增大。

關鍵詞：錨索框架梁；隧道開挖；高邊坡；FLAC 3D

中圖分類號：U452.2+7 A 29 103 4

0 引言

我國地形地貌復雜，存在大量高山峻嶺，隨著公路交通運輸行業(yè)的發(fā)展，建設隧道能夠節(jié)約時間，縮短公路里程，因此穿越高山峻嶺成為常用的建設方案。但近年來，隧道安全事故時有發(fā)生，隧道洞口段常出現(xiàn)邊坡滑動、坍塌等情況，嚴重影響隧道的施工、運營安全，大量學者對此進行了研究。嚴彬華等［1］運用有限元數(shù)值模擬方法，研究了風積沙地區(qū)隧道洞口邊坡的變形特性，認為采用延長明洞加固法可有效提高該類邊坡的穩(wěn)定性。王凱等［2］運用Midas GTS NX軟件，分析了降雨入滲情況下隧道洞口邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，認為相較于抗滑樁而言，錨索是更為適合的支護方式。陳志榮等［3］基于室內(nèi)振動臺試驗，研究了隧道洞口的順層邊坡在地震作用下的響應特性。魏新江等［4］將GIS與邊坡穩(wěn)定性計算軟件相結(jié)合，提出一套隧道洞口邊坡三維建模及穩(wěn)定性分析方案，根據(jù)工程實例驗證結(jié)果可知，該方法能反映邊坡的真實情況，確定邊坡最危險滑動面。呂敬富等［5］根據(jù)工程實際情況，研究了樁板墻加固邊坡在隧道開挖時的穩(wěn)定性狀態(tài)，確認了該支護措施的可行性與有效性。本文基于某實際隧道工程，選用Midas GTS軟件建立網(wǎng)格模型，用FLAC 3D軟件進行仿真計算，分析了隧道洞口高邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)。

1 隧道開挖的影響

1.1 模型建立

針對某實際工程公路隧道簡化工況，選用FLAC 3D軟件對其洞口高邊坡的穩(wěn)定性進行分析。FLAC 3D軟件是巖土工程中最為常用的數(shù)值仿真分析軟件之一，擁有豐富的線性結(jié)構(gòu)，可以模擬錨索、錨桿、樁等結(jié)構(gòu)的支護作用，鑒于其前處理功能的不足，選用Midas GTS軟件建立網(wǎng)格模型，將其導入FLAC 3D軟件中計算。

為研究隧道開挖時洞口邊坡的穩(wěn)定性，建立了如圖1所示的隧道開挖模型圖，其中，邊坡高度為70 m，坡度比為1∶0.75，隧道寬度為12 m，每次開挖深度為15 m，隧道高度為10 m，用上下臺階法開挖。設置模型四周邊界為法向約束，底部邊界為全約束，頂部邊界為自由面。

邊坡穩(wěn)定性分析一般選用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，但因摩爾-庫侖模型在三維建模時存在一些不可導的尖銳點，造成仿真計算的收斂困難，計算效率較低。為了克服這一難題，本文選用德魯克-普拉格本構(gòu)模型即D-P模型，該模型修正了摩爾-庫侖模型的不足，相較而言更易收斂，其屈服準則如式（1）：

αI1+J2=kf（1）

式中，I1——應力張量的第一不變量；

J2——應力偏量的第二不變量；

α、kf——試驗常數(shù)，其值見式（2）、式（3）。

α=sinφ3cosθσ-3sinθσsinφ（2）

k=cosφcosθσ-13sinθσsinφ（3）

式中：θσ——應力羅德角，是一個極其重要的參數(shù)，其值見式（4）。

θσ=αtan2σ2-σ1-σ33（σ1-σ3）（4）

式中：-6/π≤θσ≤6/π。

由于該工程未對邊坡巖石進行物理力學試驗，缺乏準確的數(shù)據(jù)，而又因本文的目的是研究一般規(guī)律，故可根據(jù)該隧道地質(zhì)資料獲得該區(qū)域相應的圍巖等級，通過查詢圍巖等級的力學參數(shù)，將其作為相應模型的力學參數(shù)。本文所采用隧道工程，其進口處左右幅圍巖等級為Ⅴ2Ⅴ1，出口處左右幅圍巖等級為Ⅴ1Ⅳ3。根據(jù)資料查詢［6］，可確定其圍巖的參數(shù)范圍如表1所示，考慮地下水的影響對該參數(shù)進行修正，最終可得邊坡的土體參數(shù)如表2所示。

仿真計算中最常使用的邊坡穩(wěn)定性分析就是強度折減法［7］，該方法無須提前假定滑動面位置，通過不斷折減邊坡土體的抗剪強度參數(shù)（粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ）就可以模擬邊坡失穩(wěn)的漸進性變化過程，直接得出邊坡安全系數(shù)，確定邊坡最危險滑動面位置，也可與其他影響因素相結(jié)合進行穩(wěn)定性分析，計算方便，效率較高，其原理見式（5）、式（6）。

c′=cFs（5）

tanφ′=tanφFs（6）

式中：Fs——邊坡的強度折減系數(shù)。

1.2 結(jié)果分析

為在研究隧道開挖時邊坡土體的變形規(guī)律的同時提高模型的計算效率，該模型隧道開挖深度為15 m，且不進行任何支護。模擬結(jié)果表明，原始邊坡屬于穩(wěn)定狀態(tài)，但其坡腳相較于其他位置還是出現(xiàn)了較大的位移和應力集中現(xiàn)象，故可認為坡腳處最易發(fā)生破壞。上臺階開挖后，由于應力釋放的原因，隧道下臺階的土體有向上隆起的現(xiàn)象，邊坡最大沉降位移轉(zhuǎn)移至隧道洞口上部位置且存在應力集中現(xiàn)象，剪應力最大值可達11.1 MPa，極易發(fā)生剪切破壞。下臺階開挖后，應力進一步釋放，隧道口的位移和應力進一步增大，其頂部應力相較于上臺階開挖后增大了約40倍。其左側(cè)最大剪應力與坡頂形成了貫通面，極易導致滑坡災害。因此，設置相應的邊坡支擋結(jié)構(gòu)及隧道支護結(jié)構(gòu)十分必要。

運用FLAC 3D軟件內(nèi)置的強度折減法對隧道開挖后的邊坡進行穩(wěn)定性計算，分析其破壞發(fā)展過程。由模擬結(jié)果可知：隧道開挖后邊坡整體處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，坡腳處位移最大；隧道洞口處于臨空狀態(tài)，拱頂土體有向下滑動趨勢；隧道洞口上部至坡頂形成一個貫通的剪切面，有向下滑移趨勢。隧道洞口拱頂處剪應力最大，即該處易發(fā)生剪切破壞。故可判斷該模型的破壞從隧道洞口開始逐漸蔓延至邊坡。隧道開挖前該邊坡的安全系數(shù)為1.75，即邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)；隧道開挖后該邊坡的安全系數(shù)為1.213，降低了30.68，無法滿足規(guī)范要求的1.35，故認為隧道開挖深度為15 m后，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，應當采取削坡或者支護等措施。

2 邊坡開挖的影響

2.1 建立模型

基于上述實際工程的地形地質(zhì)情況，研究邊坡開挖的影響。選用Midas GTS軟件建立更符合工程實際情況的網(wǎng)格模型，導入FLAC 3D軟件，其模型示意圖如圖2所示。模型選用D-P本構(gòu)模型，四周邊界為法向約束，底部邊界為全約束，頂部邊界為自由面。考慮到邊坡巖體風化嚴重，多為破碎體，由上述仿真模擬結(jié)果可知，隧道洞口段開挖后易出現(xiàn)應力集中和位移增大現(xiàn)象，穩(wěn)定性下降，災害風險增加，故選用預應力錨索框架梁進行支護，其布置坡率與邊坡一致，其具體信息如表3所示。邊坡分七級臺階開挖，每級臺階高度為8 m，按開挖一級臺階防護一級臺階的方式進行施工，每級邊坡臺階選取左、中、右三個錨索框架梁交叉點位作為監(jiān)測點來判斷其穩(wěn)定性與影響，共設置了21個監(jiān)測點，其監(jiān)測點位置如圖3所示。數(shù)值仿真計算步驟按施工流程進行。

2.2 結(jié)果分析

運用FLAC 3D軟件內(nèi)置的強度折減法對原始狀態(tài)的邊坡進行計算可知，該邊坡的原始狀態(tài)安全系數(shù)為1.02，按照規(guī)范可知，此時邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，開挖施工極易引起邊坡坍塌和滑動。若不對邊坡進行支護，僅對其進行開挖，當開挖至四級臺階時，邊坡已經(jīng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，其安全系數(shù)僅為0.98；若按照每個臺階邊開挖邊支護的方式進行，至邊坡開挖結(jié)束，其整體穩(wěn)定狀態(tài)良好，安全系數(shù)為1.52，有效控制了邊坡變形。分析邊開挖邊支護的結(jié)果可知，前三級臺階處的位移、主應力和剪切破壞現(xiàn)象都明顯大于其他位置，即靠近坡腳處邊坡所受荷載較大，相對更容易破壞，而錨索框架梁的存在很好地控制了邊坡表面鼓脹變形。

分析邊坡開挖后各個監(jiān)測點的位移增量圖可知，坡面在X向（即深度方向）幾乎不存在位移；分析坡面Y向位移可知，每級邊坡開挖都會導致巖體剝落現(xiàn)象，該級監(jiān)測點位移大幅增加，但經(jīng)預應力錨索框架梁支護之后，在下一級開挖時，之前已支護的監(jiān)測點位移明顯減小，且由于預應力的影響，其位移向山體內(nèi)部變化；分析坡面Z向位移可知，邊坡開挖后，其表面荷載降低，會出現(xiàn)鼓脹現(xiàn)象，而中部位置的鼓脹現(xiàn)象較兩側(cè)嚴重，其值約為兩倍，中下部的坡體變形較上部明顯。3級臺階3個監(jiān)測點的Y向和Z向位移如下頁圖4所示。

分析最頂層臺階的中間橫縱梁彎矩變化可知，該邊坡開挖對縱梁的影響更大，橫梁彎矩僅在第二級、第三級臺階開挖時表現(xiàn)出明顯的增長趨勢，后期逐漸穩(wěn)定，而縱梁在最后三級臺階開挖時均有明顯的彎矩增大。

運用FLAC 3D軟件內(nèi)置的強度折減法對隧道開挖后的邊坡進行計算可知，該邊坡此時安全系數(shù)為1.32，能滿足規(guī)范要求，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)；隧道底部有隆起現(xiàn)象，其位移最大值為1.09 cm。

3 結(jié)語

本文根據(jù)某隧道工程實際情況，選用Midas GTS軟件建立網(wǎng)格模型，導入FLAC 3D軟件進行仿真計算，土體選用D-P模型，支護措施選用結(jié)構(gòu)單元模擬。本文利用FLAC 3D軟件內(nèi)置的強度折減法，先選用簡化模型研究了隧道開挖對洞口邊坡的影響情況，根據(jù)實際情況進行邊坡開挖，研究邊坡的原始狀態(tài)、邊坡開挖支護時的變形特征，得到如下結(jié)論：

（1）由工程簡化模型可知，隧道洞口高邊坡在隧道未開挖時，坡腳處位移最大，存在應力集中，最為危險；隧道開挖后，其內(nèi)部荷載卸除，應力發(fā)生重分布，隧道口頂部剪應力集中，逐漸蔓延至坡頂形成貫通面，即該部分坡體可能因剪切破壞發(fā)生滑動。故應當采取相應的措施進行支護。

（2）通過強度折減分析可知：該邊坡原始狀態(tài)的安全系數(shù)為1.02，屬于欠穩(wěn)定狀態(tài)；當對邊坡進行開挖和支護后，其安全系數(shù)為1.52，屬于穩(wěn)定狀態(tài)；在支護處理后的邊坡進行隧道開挖，其安全系數(shù)為1.32，滿足規(guī)范要求，屬于穩(wěn)定狀態(tài)。即邊坡需要進行合適的支護處理才能滿足施工和運營要求。

（3）邊坡開挖后，其坡腳處受力更大，易出現(xiàn)剪切破壞；邊坡開挖后，坡表出現(xiàn)鼓脹現(xiàn)象，且中部較兩側(cè)嚴重；錨索框架梁的存在很好地抑制了鼓脹現(xiàn)象，但開挖至坡腳處，其彎矩明顯增大，且對縱梁影響更大。

參考文獻

［1］嚴彬華，王萬平，劉瑞輝，等.風積沙地層隧道洞口邊坡穩(wěn)定性分析［J］.公路，2022，67（5）：267-271.

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收稿日期：2022-12-07