考虑渗透力和动载时的隧道边坡稳定性分析

张 恒

(贵州省公路局，贵州 贵阳 550003)

考虑渗透力和动载时的隧道边坡稳定性分析

张 恒

(贵州省公路局，贵州 贵阳 550003)

结合某隧道工程实例，根据工程现场实测地质参数建立了数值模型，基于强度折减法，计算了考虑动态荷载下隧道边坡的安全系数，同时针对该边坡问题提出了加固措施，指出边坡加固后稳定性显著提高。

隧道边坡，安全系数，动态荷载，渗透力

0 引言

隧道与边坡是铁路与公路工程中重要的路基设备，隧道边坡结合了隧道与边坡的特性，应成为重点关注的对象。邹金锋等计算出各种条件下隧道开挖的围岩应力位移解析解与数值解，为隧道分析提供参考[1-4]。对于边坡问题，赵建军[5]研究了边坡的快速评价方法，陈国庆等[6]采用强度折减法分析了边坡稳定性，马建勋等[7]使用有限元软件分析了边坡的稳定性。但关于隧道与边坡结合的情况分析较少。基于此，本文结合实例工程建立数值模型，对考虑动态荷载下隧道边坡稳定性做了研究，通过计算安全系数评价边坡稳定性，并且针对该实例边坡问题提出了建议和加固措施。

1 工程概况

某铁路路基设备为隧道仰坡，总长72 m。隧道进口和出口宽5 m，高7.5 m。坡体处于中低山区丘岭地貌区，隧道进出口坡面植被茂盛，多草本植物和青竹。隧道进口混凝土平台以上为二级堑坡，第一级岩质边坡高7.2 m，倾角35°；第二级自然土质边坡高3.8 m，倾角33°。坡面植被茂盛，多蕨类植物和小型树木，大量落叶堆积。隧道出口浆砌片石护坡以上与隧道进口相似也为二级堑坡，第一级岩质边坡高8.7 m，倾角38°；第二级自然土质边坡高2.4 m，倾角19°。坡面植被茂盛，多草本植物和小型树木，大量落叶堆积(见图1)。

该地区广泛分布着白垩系砾岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩等软质岩石，具有成岩差，易风化、崩解等特殊性质。该边坡为岩质边坡，围岩产状31°和42°，裸露围岩有剥落现象，整体围岩强度较高，节理发育较好。

2 稳定性分析

2.1 地质参数评估

通过集思宝-MG858S对边坡进行实地量测，并将测量结果导入CAD软件绘制三维地形图。综合以实地勘测资料，并参考水利水电出版社《岩石力学参数手册》(1991)，对该路堑边坡地质参数进行取值，结果如表1所示。

表1 边坡地质参数

2.2 模型建立

数值模拟软件可以对相对复杂的岩土构筑物进行分析，并可综合考虑多个复杂因素的影响，计算结果具有较好的参考价值。本研究假定同一层土体为满足Mohr-Coulomb准则的各向同性体且计算时不考虑土体剪胀角，认为土体降雨入渗为饱和渗流问题，片石挡墙及护坡为弹性材料。参考地形实测结果，建立该边坡有限元模型，该计算模型取边坡长度为176 m(沿线路方向长度)，坡顶距路面最大距离18 m，自坡脚向下取10 m，坡脚外侧各取10 m，挡墙高为8 m，入口处一级边坡坡角为48°，二级边坡坡角35°，三级边坡坡角为33°；出口处一级边坡坡角为48°，二级边坡坡角为38°，三级边坡坡角为19°。考虑边坡渗水作用，假设仅有路堑边坡顶部为自由排水边界，坡体共划分11 168个孔压单元，13 524个单元节点。计算采用的地质参数取表1中参数。考虑渗透力和动态荷载作用，建立该边坡有限元模型如图2所示。

2.3 数值计算结果与分析

实际边坡在长期自重作用下已经达到自身平衡。在数值模拟计算中，由于重力作用会对边坡产生竖向沉降，给滑动面观察造成困难，因此首先需要进行地应力平衡计算以消除重力的影响。自重应力作用下的应力云图与最终位移云图如图3所示。边坡在片石挡墙及护坡处存在应力集中现象，边坡潜在滑动面自坡脚开始向上延伸贯通。

1)安全系数。采用强度折减法，当强度折减到某一数值时，计算过程中将会出现位移拐点。将计算过程中边坡顶点出现位移突变视为边坡失稳，绘制安全系数—位移曲线(如图4所示)，并且得出该边坡安全系数为1.031。强度折减系数在0～1.031前边坡顶点位移变化不大，大于1.031后边坡位移急剧增加。从塑性区的发展也可看出，路堑边坡折减系数为1.031时，路堑边坡塑性区贯通，与数值模拟结果中的位移结果一致，如图5所示。

2)滑动面。在边坡稳定性分析中，需要确定滑动面的位置。从位移等值线云图可以清楚地判断滑动面的位置。从中可看出，滑动面大致呈圆弧状，通过边坡坡脚点。滑动面圆弧半径为30.25 m左右。滑动面到坡面最大垂直深度约为6.87 m。

3 加固措施

该实例工程中边坡存在裂缝和滑坡迹象，具有一定的危险性，且该边坡排水性能不佳，因此提出如下预加固方案：1)清除隧道进口和出口截水沟后面片石护坡表面的青苔和杂草，建议对片石表面出现的裂缝进行重新修复和加固，第一级边坡进行网格梁护坡或挂网喷浆处理，网格梁之间采用浆砌片石砌筑，加强边坡的整体性；2)疏浚隧道口上浆砌片石截水沟里面过水口，清除沟内落叶，对浆砌片石表面存在的裂缝和孔洞进行重新修复和加固，加强其排水功能；尤其是在降雨的天气，要进行雨中重点巡查；3)对隧道出口裸露围岩剥落较严重的地方进行挂网喷浆，保证行车安全；隧道洞口出现的开裂处着重修复，防止隧道衬砌渗水。

4 结语

结合工程实例分析考虑了动态载荷和强度折减法对隧道边坡安全系数的影响。根据现场实测地形数据建立的数值模型计算，得到边坡的安全系数，滑动面圆弧半径，和滑动面到坡面最大垂直深度分别为1.031 m，30.25 m和6.87 m。

最后考虑到该边坡地质参数离散性及强降雨等不利因素，和该实例工程中边坡存在裂缝和滑坡迹象，具有一定的危险性，针对该边坡提出了合理的建议和加固方案，并且在加固后的边坡稳定性显著提高。

[1] Zou Jinfeng, Su Yu. Theoretical Solutions of a Circular Tunnel with the Influence of the Out-of-Plane Stress based on the Generalized Hoek-Brown Failure Criterion.International Journal of Geomechanics(ASCE),2015(DOI:10.1061/(ASCE) GM.1943-5622.0000547).

[2] Zou Jinfeng, Li Shuaishuai. Theoretical solution for displacement and stress in strain-softening surrounding rock under hydraulic-mechanical coupling. Science China Technological Sciences,2015,58(8):1401-1413(DOI:10.1007/s11431-015-5885-1).

[3] 邹金锋，李帅帅，张 勇，等.考虑轴向力和渗透力时软化围岩隧道解析.力学学报，2014,46(5):747-755.

[4] Zou Jinfeng, Li Shuaishuai, Xu Yuan, et al. Theoretical Solutions for a Circular Opening in an Elastic-brittle-plastic Rock Mass Incorporating the Out-of-plane Stress and Seepage Force.KSCE Journal of Civil Engineering,2015(DOI:10.1007/s12205-015-0789-y).

[5] 赵建军.公路边坡稳定性快速评价方法及应用研究.成都：成都理工大学,2007.

[6] 陈国庆,黄润秋,石豫川,等.基于动态和整体强度折减法的边坡稳定性分析.岩石力学与工程学报,2014(2):243-256.

[7] 马建勋,赖志生,蔡庆娥,等.基于强度折减法的边坡稳定性三维有限元分析.岩石力学与工程学报,2004(16):2690-2693.

Analysis on tunnel slope stability considering the permeability and dynamic load

Zhang Heng

(GuizhouHighwayBureau,Guiyang550003,China)

Combining with a tunnel engineering example, this paper established the numerical simulation according to the engineering site measured geological parameters, based on the strength subtraction method, calculated the tunnel slope safety factor considering dynamic load, aimed at the slope problem put forward the reinforcement measures at the same time, pointed out that the slope stability increased significantly after reinforcement.

tunnel slope, safety coefficient, dynamic load, permeability

2015-09-17

张 恒(1975- )，男，高级工程师

1009-6825(2015)33-0167-02

U455.5

A