張耀陽ZHANG Yao-yang；陳澤盟CHEN Ze-meng

（中交二公局第四工程有限公司，洛陽 471013）

0 引言

高原凍土地區(qū)隧道在施工中，難免會遇到各種復(fù)雜的施工問題如圍巖偏壓、軟弱圍巖等復(fù)雜地質(zhì)條件，如不能有效處理這些地質(zhì)問題會對后期隧道的開挖和使用留下安全隱患[1]。隧道洞口邊坡施工常常遇到不良地質(zhì)構(gòu)造需要對隧道洞口做針對性施工優(yōu)化，同時根據(jù)洞口周圍山體走勢，圍巖特性需要具體進行邊坡防護及加固等施工措施[2]。

目前，國內(nèi)學(xué)者主要以摩爾-庫倫理論為準則建立有限元模型模擬隧道圍巖力學(xué)特性、邊坡穩(wěn)定性等問題[3-4]。李偉瀚等[5]提出以摩爾-庫倫準則在低應(yīng)力狀態(tài)和以拉伸為主要破壞形式的工況。李偉利[6]等提出以Mohr-Coulomb屈服準則為基礎(chǔ)的Hoek-Brown 屈服準則，結(jié)果表明，低應(yīng)力狀態(tài)下適應(yīng)性較好。陳世剛[7]等采用有限元強度折減法, 對武黃城際鐵路談山隧道進口高邊坡進行穩(wěn)定性分析。許紹輝[8]等以南平楊真隧道工程為例，運用Midas 有限元軟件，模擬分析了隧道開挖對鄰近高邊坡穩(wěn)定性、邊坡變形以及滑坡的影響，結(jié)果表明：該隧道工程施工前后臨近高邊坡的整體穩(wěn)定性、應(yīng)力場、水平位移變化均較小，邊坡圍巖屈服區(qū)未發(fā)生明顯變化。由上可知，對不同工況下高原地區(qū)特長隧道洞口邊坡穩(wěn)定性的研究還相對較少。因此，有必要對高原地區(qū)特長隧道洞口段邊坡穩(wěn)定性進行研究。本文以西藏圭嘎拉特長隧道進洞口YK14+408-YK14+458 樁點邊坡防護治理工程為依托，對三種工況下隧道邊坡的穩(wěn)定性進行了分析。

1 模型建立與材料選取

1.1 有限元模型

以洞口段YK14+408-YK14+458 為例，運用有限元分析軟件建立圭嘎拉隧道進洞口左線三種工況力學(xué)實體模型，在建模分析時，計算模型邊界建立至對隧道開挖影響最小的地方。根據(jù)洞口圍巖特性和部分邊界影響，X 軸方向取120m，Z 軸隧道洞口向下取40m，洞頂向上取到地表40m，Y 軸向開挖縱深方向取50m，邊坡坡長為50m。由整體結(jié)構(gòu)中選取力學(xué)模型，其上下、左右四個面均為非自由面，施加位移約束。根據(jù)圭嘎拉隧道項目地質(zhì)勘察報告得到每年10 月1 日至第二年2 月28 日共計150 天溫度變化曲線并設(shè)置溫度變化函數(shù)，模擬凍融循環(huán)。具體模型材料如表1 所示。

表1 圭嘎拉隧道左線實體模型材料表

1.2 材料參數(shù)選取

根據(jù)圭嘎拉隧道地質(zhì)勘察報告，并參考《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》[9]，得出巖土和構(gòu)件的數(shù)值模型參數(shù)，見表2。

2 塑性區(qū)與應(yīng)力結(jié)果分析

2.1 邊坡塑性區(qū)結(jié)果分析

圖1給出了不同工況下邊坡塑性區(qū)分布云圖。對比圖1（a）和圖1（b）可以看出，邊坡塑性區(qū)主要分布在邊坡上層變截面處、左線進洞口處。通過模擬土層在經(jīng)歷150 天凍融循環(huán)模擬后發(fā)現(xiàn)，塑性區(qū)分布明顯增加，并且在邊坡坡腳處塑性范圍明顯增大，在隧道左洞口上部圍巖區(qū)也產(chǎn)生較大塑性區(qū)。對比圖1（a）和圖1（b）的塑性值可以看出，經(jīng)歷凍融循環(huán)后洞口邊坡塑性值從2.77×10-6增加至2.24×10-5，增大了7 倍，表明隧道邊坡隨時可能產(chǎn)生土層滑坡。對比圖1（a）和圖1（c）可以看出，在增加如錨桿、噴混、鋼筋網(wǎng)等邊坡防護結(jié)構(gòu)后塑性值從2.77×10-6增加至3.68×10-5，增大32.85%。

2.2 邊坡應(yīng)力

圖2給出了不同工況下邊坡豎向應(yīng)力云圖。從圖2中可以看出三種工況均產(chǎn)生土體膨脹現(xiàn)象，容易引起邊坡結(jié)構(gòu)面開裂，產(chǎn)生斷層等病害。延邊坡坡向向下應(yīng)力值均為負值，工況2 豎向應(yīng)力值為-112.38kN/m2、工況3為-109.64kN/m2，相比凍融循環(huán)前邊坡坡頂土層應(yīng)力值為-95.56kN/m2分別增加了17.60%和14.73%，證明工況3 在進行針對性邊坡防護措施后有效降低了土層凍融循環(huán)的影響。

圖2 不同工況的邊坡豎向應(yīng)力分布云圖

2.3 邊坡防護措施應(yīng)力狀態(tài)

圖3給出了不同工況下邊坡噴混最大主應(yīng)力云圖。由圖3 中可以看出，邊坡主應(yīng)力主要集中在坡腳至隧道左線洞口變截面處，并在變截面出產(chǎn)生較大應(yīng)力變化。對比圖3（a）與圖3（b）可以看出，經(jīng)過凍融循環(huán)后邊坡的最大主應(yīng)力值從747.91kN/m2增加至1239.55kN/m2，增加了65.74%。對比圖3（a）和圖3（c）可以看出，在經(jīng)歷凍融循環(huán)后最大主應(yīng)力僅增加190.42kN/m2，增加了25.46%，最大主應(yīng)力變化量有效降低，同時應(yīng)力分布范圍縮小。

圖3 不同工況的噴混最大主應(yīng)力云圖

3 位移結(jié)果分析

根據(jù)邊坡土層與噴混內(nèi)力變化比較分析，在實際施工中會在邊坡防護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生可以觀測的變形位移，對這些實際變形位移量進行分析比較，更能直觀感受土層凍融對邊坡防護結(jié)構(gòu)層的影響。在進行隧道邊坡施工時，分別在邊坡坡腳、坡頂及邊坡坡線中點平均布置3 個測點，測點樁號分別為YK14+358、YK14+383、YK14+408。

3.1 邊坡豎向沉降結(jié)果分析

通過計算三種工況下隧道洞口邊坡豎向位移沉降，如表3 所示。對比表3 中工況2 相比工況1 邊坡沉降值，工況2 的豎向坡頂沉降值最大增加34.96%、中點處最大增加39.14%、坡腳處最大增加48.55%。對比工況3 與工況1邊坡沉降值可以看出，工況3 的坡頂豎向沉降值最大增加13.12%、中點處最大增加17.41%、坡腳處最大增加25.58%。根據(jù)對比可以看出工況3 在增加自進式錨桿、鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)并噴射C25 水下防凍混凝土后，有效降低土層凍融循環(huán)對邊坡防護結(jié)構(gòu)層的影響，進一步增加邊坡防護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高隧道洞口段施工與行車安全性。

表3 邊坡豎向沉降

3.2 邊坡水平位移結(jié)果分析

隧道邊坡水平位移計算結(jié)果如表4 所示。對比工況2和工況1 位移值可以看出，坡頂位移最大增加223.74%、中點位移最大增加23.30%、坡腳位移最大增加16.90%。對比工況3 與工況1 的水平位移值可以看出，坡頂最大增加76.71%、中點最大增加6.01%、坡腳最大增加5.24%。

表4 邊坡水平位移

4 結(jié)論

①工況3 相比工況2 邊坡塑性區(qū)分布范圍降低；相比工況1 塑性值僅增大32.85%、水平應(yīng)力增加18.82%，僅有少量增加，抵抗凍土病害影響效果顯著。

②根據(jù)有限元計算結(jié)果，邊坡噴混最大主應(yīng)力工況3相比工況1 增加25.46%，最大主應(yīng)力變化量有效降低，應(yīng)力分布范圍縮小，提升了隧道洞口安全性。

③工況3 在土層經(jīng)歷凍融循環(huán)后邊坡從坡頂至坡腳水平位移增加76.71%-5.24%，這表明在坡頂處的水平位移仍然處于風(fēng)險范圍之內(nèi)，在施工時需做針對性防護加固措施，以降低坡頂側(cè)向坍塌風(fēng)險。