基于FLAC3D的隧道洞口滑坡防治技术优化研究*

熊文林

(湖北交通职业技术学院道桥系　武汉　430079)

基于FLAC3D的隧道洞口滑坡防治技术优化研究*

熊文林

(湖北交通职业技术学院道桥系武汉430079)

摘要结合栗石沟隧道洞口滑坡实际水文、工程地质条件，通过强度折减法对隧道洞口边坡在自然状态、边坡坡脚开挖和削坡卸载等6种工况下的稳定性进行了数值模拟分析和评价，并结合实际工作经验和数值模拟计算结果，提出对该滑坡体采取削坡2 m+表面喷浆及锚杆支护相结合的处治方案，同时加强洞口坡面排水、坡面和隧道内的变形监测。为工程安全施工提供依据，也为山区隧道洞口开挖提供借鉴。

关键词边坡稳定性度折减法数值模拟防治措施

1　工程概况

栗石沟隧道滑坡位于十堰市郧县鲍峡镇舒家村五组北侧，湖北十堰至白河高速公路黄龙段栗石沟隧道的进口处。隧道呈近东西向展布，左幅里程桩号为ZK29+305～ZK29+607，全长302m，最大埋深约57m；右幅隧道里程桩号YK29+315～YK29+626，全长311m，最大埋深约69m。隧道毛洞宽约12m，高约10m，隧道进口段围岩等级为V级，拟在洞口设置5m明洞，20m超前管棚支护。隧道仰坡设计按1∶0.75刷坡，采用直径25L4.0m中空注浆锚杆防护；隧道进口段接高填方路堤，下设钢筋混凝土拱涵跨越冲沟。隧道进口开挖整平过程中，局部位置切坡形成了临空面，改变了原来边坡的力学平衡条件，促使边坡失稳，隧道仰坡产生轻微滑动，处于不稳定状态。通过调查和分析得知，影响栗石沟隧道滑坡的主要因素是[1]：①土岩接合面为外倾结构面；②上部碎石土属强透水层，大气降水易下渗，在土岩接合面受阻后软化浸泡土体，产生静水压力和动水压力；③在修建隧道进口场地整平过程中开挖边坡，在坡脚形成了临空面。

2　防治措施优化模拟

2.1模型建立

本文运用FLAC3D软件，采用强度折减法[2-4]对边坡稳定性系数进行计算。由于地质的复杂性和不确定性，考虑到勘查的滑坡体范围和洞口地形以及洞口边坡剖面，模拟栗石沟隧道进洞口边坡模型X方向边坡长90m，Y方向研究厚度为0.5m，Z方向为边坡高度37m。边界条件中，平行于XOZ面的两侧为Y方向约束，平行于YOZ面的两侧为X方向约束，平行于XOY的底面为固定约束，模型上表面为坡面，取为自由边界。

模型模拟时采用的地质参数见表1。

4　结语

本文针对山区高速公路中桥隧相连的工程特点，在分析了桥隧相连段差异沉降产生机理的基础上，总结了预防和处治桥隧相连过渡段差异沉降时需考虑的因素，并探讨了目前桥隧相连工程中可采用的有效措施或处治方法，以期为桥隧相连工程的后期运营管理、养护、维修、加固或改造等服务提供参考或建议。

参考文献

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[2]孙广臣,傅鹤林,巢万里.桥隧搭接工程多源损伤及车辆冲击模型试验研究[J].振动与冲击,2013,32(2):115-123.

[3]李耀珠.桥隧相连地段隧道衬砌动力特性研究[D].长沙:中南大学,2005.

[4]JTGD70-2004公路隧道设计规范[S].北京：人民交通出版社,2004.

表1　地质参数表

在进行模拟时，整个模型分为表层碎石土层，中层强风化岩层以及下层中风化岩层，边坡表层碎石土层采用elastic模型，厚度为6m，强风化及中风化岩层采用mohr模型，强风化岩层为6m，中风化岩层为24m，锚杆采用桩结构单元。在整个建模过程中，应用实体单元模拟整个边坡结构[5-7]。

由于施工单位开挖隧道进口，切坡形成了临空面，导致隧道仰坡产生了滑动。根据工程实践经验，采用了削坡卸载法和表面喷浆及锚杆注浆技术对边坡进行支护。模拟共分6种情况，自然状态模拟、边坡坡脚开挖、坡脚开挖+削坡1m、坡脚开挖+削坡2m、坡脚开挖+削坡3m和坡脚开挖+削坡2m+表面喷浆及锚杆支护，锚杆每隔2m打入1根，杆体埋入长度为1.5m。其中2种工况的模型建立效果见图1、图2。

图1边坡自然状态模型图

图2　坡脚开挖+削坡2 m+表面喷

2.2模拟分析

2.2.1安全系数分析

通过FLAC3D数值模拟计算边坡的稳定性系数，为了分析计算结果的准确度，我们同时采用理正分析软件，采用圆弧滑动法确定滑裂面形状、瑞典条分法分析圆弧的稳定性，通过自动搜索最危险滑裂面来计算边坡的稳定性，计算结果对比见表2。

表2　边坡稳定系数计算成果表

由表2中可见：

(1)FLAC3D和理正分析软件2种计算结果基本吻合，表明数值模拟是有效的。

(2) 在自然状态下，洞口边坡稳定性安全系数为1.04，其边坡已经处于极限平衡状态，如果进行洞口段坡脚开挖施工，必定会影响到洞口边坡的稳定性。当坡脚进行开挖时，其洞口边坡稳定性安全系数为0.98，边坡已经发生破坏，表明对洞口边坡坡脚的开挖施工，直接对边坡的稳定性造成了影响。

(3) 坡脚开挖后，边坡削坡卸载1，2和3m时，洞口边坡稳定性安全系数分别为1.26，1.49和1.53；当削坡卸载2m并进行表面喷浆及锚杆支护后，洞口边坡稳定性安全系数为1.63，稳定系数逐渐增大。根据《公路路基设计规范》(JTGD30-2004)第6.1.1.3条中规定，对抗滑坡体进行稳定性验算时，抗滑系数宜采用1.15～1.20；对高速公路、一级公路宜采用1.20～1.30。以上削坡卸载2，3m和削坡2m+表面喷浆及锚杆支护2种方案均符合设计要求。

2.2.2竖向位移分析

通过数值模拟，得到不同工况下的边坡竖向位移分布图，其最大竖向位移见表3。

表3　不同工况下边坡最大竖向位移表

由表3可见：

(1) 自然状态下，最大竖向位移为55.69cm；坡脚开挖后，最大竖向位移为60.67cm；削坡厚度1，2和3m时，最大竖向位移分别为6.02，4.96和5.65cm；削坡卸载2m及锚杆喷浆时，最大竖向位移为4.83cm。

(2) 坡脚开挖导致边坡竖向位移增大，对边坡稳定性的影响较大。在采用了削坡卸载方案后，边坡的竖向位移明显减小，说明边坡加固措施是有效的。3种削坡卸载方案中，随着削坡厚度的增加，边坡的最大竖向位移呈现先减小后增大的趋势。这说明在削坡过程中，削坡的厚度，对于边坡的稳定性有相应的影响，削坡厚度较小时，则不能完全达到卸载的效果，而当削坡厚度较大时，也会对坡体产生较大的扰动，从而影响到岩土分界面的稳定性。

(3) 削坡2m+表面喷浆及锚杆支护后边坡竖向位移进一步减小并趋于稳定，表明初进洞部分进行有效的加固措施后，能确保洞口边坡的稳定性。

2.2.3剪应力分析

栗石沟边坡为坡前堆积体边坡，最可能发生的滑动为表层土沿岩土分界面的滑动。在滑动的影响下，坡前出现剪应力集中，坡后出现裂缝。边坡堆积处出现应力集中，边坡上部剪应力变化趋势成线型分布，左侧堆积体处的剪应力在岩土分界线上变化比较大，边坡极有可能沿岩土分界线滑动，见图3。在坡脚开挖后，边坡前沿出现应力集中，左侧堆积体处的剪应力在岩土分界线上变化较大，边坡极有可能沿岩土分界线滑动。在进行削坡卸载后，边坡的剪应变增量范围减小，并且在削坡2m时，其剪应变增量整体分布呈现出与岩土分界面类似的分界情况，这说明坡体的滑动最可能会沿此岩土分界面形成，但是坡前集中的剪应力被释放，边坡整体趋于稳定。在边坡进行削坡卸载2m及锚杆喷浆加固后，边坡上部的拉破坏被消除，边坡整体稳定性进一步增强，见图4。

图3　自然状态下边坡剪应变增量

图4　坡脚开挖+削坡2 m+表面喷浆及

2.2.4边坡塑性区分析

在数值模拟计算过程中，通过对边坡模型的塑性区进行分析，从中对边坡内部的破坏情况进行了解和分析。边坡塑性区分布见图5、图6。

图5　自然状态下边坡塑性区

图6　坡脚开挖+削坡2m+表面喷浆

由图5、6可见：

(1) 图中绿色部分表示边坡正在发生或已发生剪切破坏，在自然状况和坡脚开挖状况下，边坡的破坏面主要在岩土分界面上，破坏形式主要为剪切破坏形式；当坡脚开挖后，边坡前端上部产生的拉伸破坏区域(红色区域)增加，说明坡脚的挖除影响到了边坡前端的稳定性，因此需要对坡脚开挖后的边坡进行有效的治理，保证边坡稳定性和工程的安全性。

(2) 采用削坡卸载方案之后，边坡剪切破坏区域(绿色区域)减小，稳定性得到加强，边坡破坏的形式仍然以剪切破坏为主，并且呈现与坡面走势平行的破坏面(黄色区域)。随着削坡厚度的增加，边坡的剪切破坏区域逐渐减小，并且已经发生破坏的部分也逐渐自稳，说明削坡卸载方案有利于边坡稳定性的提高，并且削坡厚度对于其边坡内部的破坏区域有所影响。

(3) 边坡进行削坡2m及锚杆喷浆加固处理措施之后，边坡与坡面走势平行的剪切破坏面大大减少(黄色区域)，边坡前端上部产生的拉伸破坏区域(红色区域)也有所减少。说明削坡卸载2m及锚杆喷浆加固处理方案有利于边坡的稳定性提高，建议采用此方案对栗石沟隧道边坡进行加固处理。

3　结论

(1) 对比FLAC3D和理正的计算结果可以知道，FLAC3D模拟的结果是有效的。

(2) 在天然状况下，边坡稳定性系数为1.04，该边坡处于极限平衡状态。坡脚开挖后，洞口边坡稳定性安全系数为0.98，边坡已经发生破坏，说明对洞口边坡坡脚的开挖施工，直接对边坡的稳定性造成了影响。采用削坡卸载方法之后，随着削坡厚度的增加，边坡稳定性系数不断增大，边坡稳定性逐渐增强。

(3) 削坡的厚度，对于边坡的稳定性有相应的影响，削坡厚度较小时，则不能完全达到卸载的效果，而当削坡厚度较大时，则对坡体产生较大的扰动，从而影响到岩土分界面的稳定性。

(4) 结合数值分析结果及工程实践经验，考虑到削坡土方工程量、成本以及边坡加固效果，栗石沟隧道出洞口边坡在坡脚开挖后，建议采取削坡2m+表面喷浆及锚杆支护结合的处治方案，同时加强洞口坡面排水、坡面和隧道内的变形监测，以指导施工，动态设计。

[1]李小青.隧道工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]刘波,韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京: 人民交通出版社, 2005.

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收稿日期：2015-07-06

StudyonTunnelPortalLandslidePrevention
TechnologyOptimizationBasedonFLAC3D

Xiong Wenlin1,2， Chen Hao3，LiHongjun2

(1.SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China；

2.DepartmentofRoadwayandBridgeEngineering,HubeiCommunicationsTechnicalCollege,Wuhan430079,China；

3.Schoolofcivilengineeringandmechanics,HUST,Wuhan430079,China)

Abstract：Based on the hydrological and engineering geological conditions of Li Shi Gou tunnel slope, through strength reduction method the stability of tunnel entrance slope in the natural state, the slope toe excavation and other four kinds of situations were analyzed by numerical simulation and evaluation. Combining with the actual work experience and numerical simulation results, we recommended to choose the treatment method of taking slope cutting thickness 2.0m and combining surface sprayed concrete and anchor bolt support. At the same time, strengthening the slope drainage of entrance to a cave and the deformation monitoring of slope and tunnel, we provided the important basis for the safety of engineering construction. It has a certain value of tunnel entrance excavation in mountainous area.

Key words:slope stability; strength reduction method; numerical simulation; prevention and control measures

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.030

*湖北省交通运输厅2011年度科技项目(2011B14)资助