坡积土隧道洞口边、仰坡稳定性分析与治理

贺小强 王子英

（中交一公局土木工程建筑研究院有限公司）

引文

在隧道建设过程中，因受到施工的影响，使得隧道顶部坡体厚度较薄，应力状态较差，难以承受较大应力，从而引起隧道洞口边仰坡稳定性变差，发生滑移破坏，既影响隧道工程的正常进行，又使施工人员人身安全受到威胁，因此对隧道洞口边仰坡的稳定性分析及所采用隧道洞口施工方案合理性研究显得尤为重要。

在隧道施工对隧道洞口边仰坡稳定性影响方面，朱合华等模拟了上下台阶法施工过程对边坡稳定性的影响规律[1]。在洞口边仰坡稳定性的判断方面，冯树仁结合工程经验通过三维极限平衡法对可能的滑移面进行判断，并对边坡稳定性进行分析[2]。张均锋等将二维Janbu条分法进行拓展，利用三维极限平衡法分析坡体稳定性系数以及潜在滑动方向，从而对其稳定性进行分析[3]。本文依托麻竹高速公路香山隧道工程，采用MidasGTS有限元软件分析隧道洞口边、仰坡开挖以及隧道施工对边仰坡最大剪应变的影响作用。

1 工程概况

麻竹高速公路香山隧道位于湖北省襄阳市保康县，洞口段偏压较大，坡积土覆盖层较厚，隧道仰坡上部存在一个天然垭口，隧道进口边坡覆盖层主要为碎石土，边、仰坡开挖及其隧道掘进中极易出现局部崩塌、滑坡体等地质灾害。隧道准备进洞时，发现边坡喷护混凝土出现裂缝，甚至出现滑坡现象。

2 有限元分析

2.1 计算模型的建立

根据地质勘查报告及隧址区地形图，将岩土体由外向里划分为三层，分别为坡积碎石土，V类围岩，IV类围岩，故有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型

表1 模型材料计算参数表

模型选取理想弹塑性本构关系，参数如表1所示。上边界取至地表，其余均取距离隧道5倍洞径处。根据设计方案，模拟时分为32个开挖步，隧道每个开挖步进尺为2m，开挖采用钝化单元，喷护衬砌则采用激活单元。

2.2 数值结果分析

当采用原设计方案开挖第四级边坡时，如图2所示。边坡开始处于不稳定状态，剪应变最大值产生于坡体前部，且有向坡体内部发展的趋势。随着第五级边坡的开挖，其剪应变最大值已经出现在上部坡体。同时随着隧道开挖，最大剪应变大小和范围还有一定程度的增加。

图2 原方案开挖第四级边坡后最大剪应变

当仰坡开挖时，最大剪应变值较小，也没有出现潜在的贯通滑移面。而随着隧道开挖2m后，如图3所示、剪应变值骤增，同时剪应变较大值的范围也在增加。当隧道开挖10m后，出现明显的贯通面，剪应变最大值加剧，说明坡体已经处于不稳定状态。

图3 原方案隧道掘进2m后最大剪应变

3 方案优化

为解决开挖坡度过大的问题，采用了左右洞边坡分层开挖防护，总共分为6级台阶，每层台阶高度为8m，坡度为1：0.75。同时边仰坡采用导管注浆，铺设钢筋网以及喷射厚为10cm的混凝土进行防护。采取优化后的方案，如图4所示。边坡未出现剪应变突变，隧道掘进中，剪应变增加较为缓慢，坡体仍处于安全状态。

图4 优化后方案隧道掘进10m后最大剪应变

4 对比分析

对比两种边、仰坡开挖施工方案的最大剪应变（如图5、6所示）。根据原设计方案，第三级开挖边坡时，最大剪应变为2.57e-3，第六级开挖边坡时，最大剪应变达到了6.70e-3。采用优化后的开挖方案，第六级边坡开挖时，比原方案最大剪应变值减少了40.2%。同时由两种方案下最大剪应变增长趋势可以看出：边坡稳定性主要受边坡开挖影响，隧道掘进影响不大。

图5 不同开挖方案边坡最大剪应变对比

图6 不同开挖方案仰坡最大剪应变对比

根据原设计方案进行仰坡开挖时，仰坡的初始剪应变值约为1.73e-3。隧道仅开挖2m时，剪应变值骤增，隧道开挖20m后，剪应变值为5e-3。采用优化后的方案进行仰坡开挖时，在仰坡开挖和隧道掘进过程中仰坡的最大剪应变值都减小，隧道掘进20m后，最大剪应变仅为4.22e-3。同时也可以看出：仰坡稳定性主要受隧道掘进影响，仰坡开挖影响不大。

为了进一步验证优化设计方案的合理性，利用有限元强度折减法分别计算了两种施工方案情况下的安全系数（如图7所示）。根据《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013），选取1.30为边、仰坡稳定安全系数临界值，由此反映了优化后的方案确实能较好的改善其隧道洞口施工。

5 工程应用及现场监测

实际工程中采用了优化后的开挖方案，对隧道右洞洞内拱顶沉降以及周边收敛做了现场监测（如图8、9所示）。

图7 不同开挖方案安全系数对比

图8 右洞断面拱顶沉降

图9 右洞周边收敛

由图可知，拱顶沉降位移和周边收敛在断面刚开挖后增加速率最大，然后随着隧道时间推移，增加速率逐渐变缓，最终达到基本稳定。右洞距洞口5m断面拱顶沉降最大值为12.37mm，周边收敛最大值为29.76mm；右洞距洞口10m断面拱顶沉降最大值16.45mm，周边收敛最大值28.05mm，未超过Ⅳ、Ⅴ级围岩位移三级警戒线40mm，因此均处于安全范围内。

6 结论

通过对香山隧道洞口在原设计开挖方案下边、仰坡进行稳定性分析，得到了隧道洞口边、仰坡开挖和隧道掘进过程中的最大剪应变变化趋势，验证了优化方案的有效性，为同类型隧道采取合理有效的进洞施工方案提供了技术支撑。

[1]朱合华，李新星，蔡永昌，等.隧道施工中洞口边仰坡稳定性三维有限元分析[J].公路交通科技，2005.

[2]冯树仁，丰定祥，葛修润，等.边坡稳定性的三维极限平衡分析方法及应用[J].岩土工程学报，1999，21（6）：657～661.

[3]张均锋，丁桦.边坡稳定性分析的三维极限平衡法及应用[J].岩石力学与工程学报，2005，24（3）：365～370.