隧道穿越崩塌高风险高陡边坡的稳定性分析

郭永福

(吉林省高速公路管理局，吉林长春 130021)

随着我国经济及工程建设的高速发展，隧道建设规模前所未有，技术也越来越成熟［1-2］。但在现阶段的隧道建设工程实践中所面临的困难仍然非常多，如在较为特殊地质条件下修建分离式隧道、小净距隧道和连拱隧道等，将会给工程技术人员带来极大挑战。

雅砻江卡拉—杨房沟水电站交通专用公路起点位于锦屏一级8#公路通往左岸缆机平台的隧道进口附近，工程区沿雅砻江左岸展布，沿线地表多为裸露弱风化岩，地形变化较大，山体坡度以40°～60°为主。草坪子特长隧道出口位于草坪子滑坡体，在雨季非常容易形成泥石流，故在隧道掘进施工时必须充分认识到不良工程地质条件对隧道围岩的特殊影响，并需对边坡稳定、围岩与结构安全进行专题研究。进而对隧道穿越崩塌风险边坡的围岩力学行为进行分析，为隧道施工提供一定的安全保障。

1 不良地质及边坡条件分析

1)隧道突水问题:隧址区的地下水主要为基岩裂隙水，基岩裂隙水流量较丰富，有可能存在深大的封闭裂隙，储存一定量的静储水，施工时易造成一定程度的涌水危害。

2)偏压问题:隧道进、出口局部存在偏压问题，导致围岩应力分布条件较差。另外，局部变质砂岩洞身段可能发生轻度岩爆，需引起注意。

3)软岩变形:隧道穿越地层岩石为砂岩、板岩、绢云板岩，绢云板岩强度较低，具有性软及风化强的特性，隧道穿越该层时可能发生掉块、坍塌、滑移、剥落等轻度～中度变形。

4)泥石流:草坪子特长隧道出口位于草坪子滑坡体，在雨季容易形成泥石流。

5)边坡条件分析:据实地调查结果，工程区主要岩石为砂岩、板岩、绢云板岩，密度1.6～1.8 g/cm3，孔隙率35.8%，天然含水量3.16%。根据大剪试验，废石的内摩擦角 22°～26°，黏聚力 8.8～10.7 kPa。

2 隧道施工前边坡稳定性计算与分析

2.1 边坡稳定性计算与分析

边坡稳定计算通常采用整体的极限平衡方法来进行分析［3］，根据边坡不同破裂面形状采用不同的分析模式。边坡失稳的破裂面形状按土质和成因不同而不同，粗粒土或砂性土的破裂面多呈直线形;细粒土或黏性土的破裂面多为圆弧形;滑动面为不规则的折线或圆弧状。在此，采用4.5H法确定破裂面，并依据边坡理论确定 β1=27.1°，β2=36.2°，得出的潜在滑面圆心位置见图1。

按图1得到的圆心点及破裂面计算可得Fs=1.15，由此可知Fs＜［Fs］=1.25。因此，现有工程边坡不稳定，有下滑的可能，必须进行边坡加固。从现场实际情况看，工程所处位置区域的边坡有局部出现滑坡并有进一步加剧趋势。

图1 4.5H法确定潜在滑面及其圆心位置

2.2 隧道施工前边坡模拟分析

1)计算模型

［4-5］，选择40°的斜坡、切割深度50 m建立数值模型。边坡岩体参数取值:γ=21 kN/m3，c=20 kPa，φ =35°。

2)计算结果及分析

最大横向位移发生在边坡坡脚位置，约为7 cm，此时没有明显的滑坡迹象。但边坡表面及一定深度的土体呈现出整体移动的现象，边坡已经处于较为危险状态，如果遇上降水或者其他使条件恶化的情况，非常有可能形成滑坡。

3 隧道施工对边坡稳定性影响

3.1 隧道开挖空间布设

为了能够更好地通过数值模拟下穿隧道施工与边坡山体的相互影响，在边坡中段设置了两个可能的隧道位置。一是隧道洞口稍微靠近边坡外侧，即隧道偏压穿越边坡，二是隧道不存在偏压即正常穿越边坡，具体如图2所示。结合边坡实际情况，分别对在不同位置进行隧道开挖过程的安全性作比较分析。

图2 两个可能的隧道位置

3.2 隧道洞口偏压时穿越边坡

1)位移计算结果及分析

岩体位移计算结果见图3。隧道上部拱圈靠近基岩侧变形较大且对应侧不对称，这种不对称的变形对于后续的隧道施工与加固可能产生不利影响，必须密切关注并采取合理的支护对策。

图3 隧道偏压时岩体位移(单位:)

2)应力计算结果及分析

岩体应力计算结果见图4。隧道周围的应力分布明显受到边坡的作用导致靠近坡面一侧应力较小，土体较为松动，可能会导致滑坡现象。因此，在最好在隧道施工前对边坡进行预加固。

按照苏佩斯的看法，“公认观点”并不尽然是错误的，只是因其高度概括性而过于简单化，这种粗略性必然会导致理论的一些重要性质以及不同理论之间内在差别被省略。也就是说，“公认观点”在形式计算的逻辑意义上语义学的缺失使得一个复杂理论仅仅从句法结构来加以阐释，这通常很难对理论本性做出深入的理解。毋庸置疑，苏佩斯对传统“公认观点”（简单的句法观）的反思为其探索形式计算的语义学的科学理论提供了必要的理论准备。与之相对，科学理论的语义观则是以模型代替对应规则，主张模型作为一个非中介将理论与世界相联系，即在语义观看来，科学理论可以通过模型的集合从而得到描述。

图4 隧道偏压时岩体应力

3.3 隧道正常穿越边坡

1)位移计算结果及分析

位移计算结果见图5。

从图5中可知，隧道上部拱圈变形较大，也即拱顶下沉最大，其规律与一般地质及山体条件下隧道施工时的围岩变形特征相似，在施工中按正常进行加固即可。但要注意的是，因山体及边坡本身稳定性较差，特别是边坡表面的变形会有增大的可能，必须在正常段采取与隧道进口偏压端类似的边坡加固措施，以防因隧道开挖诱发边坡灾变。

2)应力计算结果及分析

岩体应力计算结果见图6。

图6 隧道正常穿越边坡岩体应力

从图6可以看出，隧道周围的应力分布受边坡影响不大，与正常地质条件下的隧道开挖围岩应力规律基本相同，同时对边坡也不会产生明显影响。

4 结论

1)在高陡边坡山体中修建隧道，一方面滑坡体的稳定与否对隧道施工过程的围岩稳定和结构安全有极大影响;另一方面，隧道开挖同样也对滑坡体有非常大的影响，如果处理不当则很可能加重滑坡甚至会出现灾难性后果。因此，必须对滑坡体的稳定性及其加固措施进行研究，才能确保工程顺利安全完工。

2)卡杨公路隧道在未开挖前，山体边坡稳定性较差，如果遇上强降雨或者其他使条件恶化的情况，非常有可能形成滑坡。

3)隧道洞口偏压穿越边坡时，隧道围岩及边坡变形均比较大，必须结合边坡具体情况提前加固，隧道正常穿越边坡时，岩体应力及变形基本正常。

4)如发现隧道通过的斜坡存在滑坡可能，在选线时应根据实际情况采取改线绕避、深埋隧道从滑床下通过或先整治边坡后修建隧道等办法加以解决，不应将隧道修建于滑坡体中。

参考文献

［1］宋胜武，巩满福，雷承弟.峡谷地区水电工程高边坡的稳定性研究［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(2):226-234.

［2］孙玉科，姚宝魁，许兵.矿山边坡稳定性研究的回顾与展望［J］.工程地质学报，1998，6(4):34-37.

［3］张有天，周维垣.岩石高边坡的变形与稳定［M］.北京:中国水利水电出版社，1999.

［4］潘晓马，赵金锐.隧道偏压地段开挖过程模拟分析［J］.四川建筑，2006，26(4):57-58.

［5］刘祚秋，周翠英.边坡稳定及加固分析的有限元强度折减法［J］.岩土力学，2005，26(4):557-559.