基于强度折减法边坡与隧道联合地层稳定性研究

胡文亮

(重庆市设计院有限公司， 重庆 400015)

山岭隧道受地形地质条件及路线限制，隧道偏压较为常见，隧道下穿边坡形成的联合受力系统较为复杂，分析边坡与隧道联合体系的地层稳定性是进行隧道工程安全建设的首要问题。目前，偏压隧道处置研究多从施工技术、隧道加固等方面进行。王军等[1]采用有限元差分法计算受偏压隧道影响的边坡加固，计算数值与工程监控较吻合；杨小礼等[2]通过数值模拟浅埋小净距隧道施工过程，提出先开挖埋深较大的一侧，隧道围岩塑性区相对较小；赵阳等[3]对偏压小净距隧道进行计算，指出小净距隧道两主洞掌子面保持在2倍洞径时隧道稳定性最好；黄强等[4]通过计算分析了在浅埋偏压公路隧道采用CRD工法施工，隧道按外侧上部、内侧上部、外侧下部、内侧下部的顺序进行开挖，应力位移较小；陈志敏等[5]通过分析隧道拱顶沉降塑性区等，认为大跨浅埋偏压隧道优先开挖深埋侧隧道，并优先开挖其浅埋侧导洞。

鉴于目前边坡隧道联合受力体系地层稳定性的研究尚少，本文采用有限元强度折减法分析从隧道拱部的边坡覆盖层厚度探讨研究隧道与边坡联合受力地层稳定性受力特性，以期指导偏压隧道的设计与施工。

1 强度折减法原理

强度折减法是通过折减岩土工程的材料参数强度(抗拉强度及抗剪强度)，使得岩土处于临界破坏失稳状态[6-12]，强度折减的数值F即为安全储备系数。

选择岩土材料本构模型采用摩尔-库伦屈服准则，将岩土的稳定性系数F定义为抗拉强度及抗剪强度同等减少值。

式中：c为粘聚力，Pa；c′为折减后粘聚力，Pa；φ为内摩擦角，(°)；φ′为折减后内摩擦角，(°)；T为抗拉强度，Pa；T′为折减后抗拉强度，Pa。

采用有限元软件计算，判断岩土失稳的依据是位移过大，计算程序将不收敛。据此，本文以有限元迭代计算不收敛作为岩土失稳的判据[13-15]。

2 偏压隧道边坡地层稳定性分析

隧道围岩结构与边坡坡体的受力模式不同，隧道稳定性取决于其周边围岩的强度，而边坡体的稳定性取决于边坡抵抗自重滑移能力，其破坏模式一般表现为沿边坡内部滑面滑移。

根据《公路隧道设计规范》(JTG 3370.1—2018)附录A.0.07隧道IV级围岩参数建议取值如下：泊松比μ= 0.35，内摩擦角φ= 30°，弹性模量E= 1 200 MPa，重度γ= 25 kN/m3，粘聚力c= 0.2 MPa，抗拉强度T=28 kPa。算例选取边坡高度45 m、坡率1∶1进行拉剪强度折减法计算。初始边坡安全系数经计算F=2.3。

2.1 隧道拱肩岩层厚度影响

隧道拱肩覆岩层不同厚度对边坡隧道地层稳定性的影响，选取2车道隧道距离地表23 m情况下计算隧道拱肩距离坡面厚度5 m、10 m、15 m、20 m及25 m工况对比分析，各工况下隧道与边坡相对位置关系如图1所示。

单位：cm

1) 稳定安全系数

采用有限元软件计算不同工况下的地层稳定性安全系数，结果见表1。由表1可知，随隧道拱肩边坡岩土厚度的增加，边坡隧道地层安全系数先减小后增大。

表1 稳定安全系数

2) 破坏模式

隧道拱肩处不同覆盖层厚度工况下，边坡临界失稳状态的岩土塑性区云图如图2所示。

(a) 工况1

(c) 工况3

(e) 工况5

分析塑性区分布模式存在一定的规律：

(1) 当隧道拱肩覆盖层厚度较小时(工况1、工况2)，由地层临界失稳岩土塑性区图2(a)、(b)可知，塑性区位于隧道拱墙两侧，隧道左侧岩土塑性区在理论破裂面方向形成破坏区，隧道右侧岩土塑性区从拱肩位置贯通到边坡坡面形成破坏区，此种工况下边坡与隧道联合地层稳定性受隧道稳定性控制；

(2) 随隧道拱肩覆盖层厚度增大(工况3～工况5)，由地层临界失稳岩土塑性区图2(c)～(e)可知，隧道左侧岩土塑性区沿理论破裂面方向形成破坏区，隧道右侧岩土塑性区从拱墙位置向边坡坡脚贯通形成破坏区，此种工况下边坡与隧道联合地层稳定性受隧道稳定性和边坡稳定性同时控制。

2.2 隧道拱顶岩层厚度影响

偏压隧道拱顶不同埋深厚度对边坡与隧道联合地层稳定性的影响，选取2车道隧道偏压拱肩覆土5 m情况下计算隧道拱顶距离地表厚度5 m、10 m、15 m、20 m及25 m工况对比分析，各工况下隧道与边坡相对位置关系如图3所示。

单位：cm

1) 地层稳定安全系数

采用有限元软件计算不同埋深工况下的边坡与隧道稳定性安全系数，结果见表2。由表2可知，随埋深厚度的增加，边坡隧道地层安全系数逐渐减小。

表2 地层稳定安全系数

2) 地层破坏模式

偏压隧道拱顶不同埋深工况下，边坡临界失稳状态的岩土塑性区云图如图4所示。

由图4(a)、(b)可知，当偏压隧道埋深较小时(工况6、工况7)，在隧道左侧岩土体在理论破裂面方向形成塑性破坏区。在隧道右侧，岩土体从隧道拱脚位置贯通到边坡坡脚形成塑性破坏区，此种工况下边坡与隧道联合地层稳定受隧道稳定性及边坡稳定性的共同控制。

由图4(c)～(e)可知，随偏压隧道埋深增大(工况8～工况10)，隧道左侧岩土体在理论破裂面方向形成塑性破坏区，隧道右侧岩土体从拱肩位置向边坡坡面贯通形成塑性破坏区，此种工况下边坡隧道地层稳定性受隧道稳定性控制。

(e) 工况10

2.3 隧道与边坡初始塑性区位置影响

提取原状边坡临界失稳时岩土体塑性区云图，并将不同工况下的隧道断面位置叠加到相对应的边坡塑性区，如图5所示。根据表1可知，边坡隧道地层稳定安全系数先减小后增加，说明在隧道与边坡达到一个相对的位置关系安全系数最小；根据表2可知，随埋深厚度增加，边坡与隧道联合地层安全系数逐渐减小。通过分析原状边坡极限临界破坏岩土体塑性区，并对比其与隧道的相对位置关系得出：隧道位置处于原状边坡临界失稳塑性区位置时，边坡隧道联合地层的安全系数最小，隧道位置远离原状边坡临界失稳塑性区时，边坡隧道联合地层的安全系数增大。

(a) 工况1

(b) 工况2

(c) 工况3

(d) 工况4

(e) 工况5

(f) 工况6

(g) 工况7

(h) 工况8

(i) 工况9

(j) 工况10

3 结论

本文从偏压隧道拱肩部的覆盖层厚度及拱顶埋深采用拉剪强度折减法计算不同工况下隧道边坡联合地层的稳定安全系数，分析隧道边坡联合地层临界失稳时的岩土塑性区得到影响边坡隧道地层稳定性的结论如下：

1) 当隧道覆盖层较小时，工况1、工况2及工况8～工况10对应的边坡隧道地层稳定性取决于隧道结构的稳定，应加强隧道的支护强度；随着隧道覆盖层厚度的增大，工况3～工况7对应边坡隧道地层稳定性受隧道和边坡稳定性共同控制。

2) 边坡与隧道联合地层稳定安全系数随着隧道拱肩岩土厚度增加，边坡隧道地层安全系数先减小后增大；随着隧道拱顶埋深厚度增加，边坡隧道地层安全系数逐渐减小。

3) 当隧道位置远离原状边坡潜在滑动面时，边坡隧道地层稳定安全系数较大；随着隧道位置临近原状边坡潜在滑动面时，边坡隧道地层稳定安全系数减小；隧道越临近边坡坡脚最大应变区时，其整体稳定安全系数最小。