强降雨作用下软土隧道仰坡稳定性分析

熊 齐 欢，袁 青，于 锦，杨 林

(1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430048； 2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430048)

0 引 言

随着中国经济的迅速发展，特别是经济内循环概念的提出和逐步实施，各区域的资源、能源和人员的流通量势必将提升至一个新台阶，这将对交通基础设施的发展提出更高要求。隧道工程因为可以克服高差、缩短连接距离、有利环保等优点被广泛运用到公路铁路建设中[1]，但是不同区域地质条件迥异，在隧道施工和运营过程中经常会遇见各类地质病害，其中，洞口仰坡失稳现象是隧道建设和运维过程中常见的地质病害之一[2]。

国内外学者对洞口边坡的稳定性研究做了大量工作。王军等[3]采用改进的黏弹塑性模型，利用有限差分法对山区边坡和坡顶隧道进行联合稳定性分析，确定了潜在滑动区和隧道影响区；魏纲等[4]针对隧道洞口涌砂、涌水地质灾害进行了分析，阐明了涌水、涌砂的地质原因；周晓军等[5]以一个具体项目为例，分析了洞口仰坡的加固效果和加固参数间的关系，并对隧洞边坡加固结构参数进行了调整与优化。

降雨入渗对非饱和土边坡的安全稳定有较大影响。雷小芹等[6]以土体内部细小颗粒随雨水入渗粗颗粒土骨架空隙为研究切入点，对降雨作用下非饱和堆积土边坡中坡体及孔隙尺寸的细颗粒迁移现象进行了分析概化，并基于多孔介质力学及混合物理论构建了描述非饱和堆积土中细颗粒侵蚀-运移-沉积全过程的渗流潜蚀模型。结合该模型，采用有限元方法分析了细颗粒迁移引发的土体渗透性、持水性及强度演化对非饱和堆积土边坡降雨入渗过程及稳定性的影响。刘杨等[7]为探究缓倾软弱夹层对矿山高陡边坡降雨渗流特性影响，以实际工程为例，结合水文地质、工程地质分析，建立了含缓倾夹层矿山高边坡的降雨渗流模型并进行了模拟分析。结果表明，缓倾软弱夹层改变了渗流路径，夹层上表面孔隙水压力先增大后减小，相对降雨时间具有变化滞后性。肖景红等[8]针对含优势渗流层边坡降雨入渗下的可靠度问题，通过将应力分析中的点估计-有限元法引入到边坡渗流-稳定性分析中，提出了考虑优势渗流层渗透特性不确定性的渗流概率分析和边坡可靠度分析方法。张娜等[9]采用Geo-Studio软件对某露天采矿边坡进行了降雨渗流分析，结果显示，降雨强度明显增强的情况下，边坡内部渗流场发生明显变化，边坡稳定性系数与降雨强度呈负相关的变化规律。从上述研究可知，降雨渗流是影响边坡安全稳定的重要因素。

除了降雨入渗会改变坡体的含水量和土力学性质外，隧道明洞、暗洞开挖也会改变土体的力学性质和边坡稳定性状态。本文针对软土地区隧道明洞、暗洞交接期间的降雨问题，通过干湿状态下土体力学强度指标变化分析，探讨了隧道开挖和大气降雨作用下边坡稳定性的变化情况。

1 降雨条件下土体的特性

降雨是诸多岩土工程失效的重要诱因[10]。在隧洞开挖过程中，势必碰到不同强度、不同时长的降雨，在降雨过程中，土体的诸多物理力学指标均会发生变化。其中，岩土体的含水量变化是最常见、最明显的。根据土水特性曲线，当含水量变化时土体内部的基质吸力和渗透性系数均会发生变化，从而引起土体强度参数改变和地下水渗透特性变化。与此同时，对于黏性土等细颗粒土体，含水量的变化改变了黏粒周围的弱结合水和自由水的厚度，从而改变了土颗粒间的黏结作用、摩擦阻力和土体软塑状态。

1.1 土水特性关系

在稳定渗流场中，饱和土体的渗透性系数是一个与地下水情况无关的常数，但是在非饱和土体内，非稳定渗流过程中土体的渗透性系数不再是常数，而是一个与饱和渗透性系数和颗粒间基质吸力有关的函数[11]：

(1)

式中：kw为非饱和土渗透性系数，cm/s；ks为饱和土渗透性系数，cm/s；Ψ(t)为基质吸力，kPa；a、m、n为曲线参数，a的单位为kPa-1，m、n无量纲。

在降雨入渗过程中，基质吸力的大小随着含水量的变化而改变，而含水量的大小则受到降雨强度、降雨持续时间、所在位置的影响，因此基质吸力和渗透性系数均是时间和空间的函数。根据van Genuchten模型[12]，土水特性关系可以描述为

(2)

式中：Θw为任意时刻土体体积含水量，cm3/cm3；Θr为残余含水量，cm3/cm3；Θs为饱和含水量，cm3/cm3，其大小与土体孔隙率相等。

式(2)反映了降雨过程中非饱和土体含水量的变化情况，任意时刻的含水量大小除了与最大含水量和残余含水量有关以外，还与土体内部的负孔隙水压力大小有关。

1.2 非饱和土力学试验结果

地下水使得土体各点产生了不同性质(正孔压和负孔压)和大小的孔隙水压力，在浸润线以下土体处于饱和状态，各点孔隙水压力为正值，而浸润线以上土体则处于非饱和状态，各点的孔隙水压力小于0。根据有效应力原理[13]：

σ′=σ-uw

(3)

σ′=σ-uaσ+χ(ua-uw)

(4)

式中：σ′为有效应力，kPa；σ为总应力，kPa；uw为孔隙水压力，kPa；ua为孔隙气压力，kPa；χ为有效应力系数，取1。式(3)为饱和土体的有效应力原理，式(4)为Bishop提出的非饱和土体有效应力强度原理。以上两个公式表明，在非饱和土中，负的孔隙水压使得土体的有效应力大于总应力，而土体的抗剪强度与有效应力呈正相关性，从而负孔压增加了土体的抗剪强度，有利于土质边坡的自稳；在浸润线以下土中，孔隙水压力为正值，使得有效应力小于总应力，削弱了土体的抗剪强度，不利于土质边坡的自稳。

从微观角度分析，地下水在土颗粒间有润滑的效果，使得相邻土颗粒的滑移更加容易；从宏观上分析，水的作用使得土体结构发生变化，表现为软化现象。一些学者[3，14]对该问题进行了深入研究，并得到了非饱和土的土体强度指标与饱和度的关系。

文献[14]通过非饱和土直剪试验，发现非饱和土体的抗剪强度试验结果与土水特性曲线的分析结果完全吻合，表明非饱和土力学试验结果与土水特性关系的分析结果具有一致性。文献[15]甚至采用非饱和土强度指标反演土水特性关系曲线，因此在非饱和土的模拟分析中，同时考虑强度参数与饱和度关系、土水特性曲线是对同一个问题的重复性考虑。本文采用土水特性关系分析降雨入渗所形成的饱和与非饱和区，得到边坡内部基质吸力的大小。但注意到由于土体基质吸力的最大值与土性、土体组成结构有关，颗粒越细小，基质吸力最大值也会增大。由于缺少全风化凝灰熔岩、坡积粉质黏土的基质吸力研究成果，本文在饱和、非饱和区域基础上，分别采用不同的强度参数对饱和、非饱和区进行赋值，来模拟不同降雨时间洞口仰坡的安全性变化过程。

2 工程案例

董奉山隧道口位于福州市长乐区，是一座4洞分离式公路隧道，隧道平均长度约4 059 m，属于特长隧道(公路隧道大于3 km)。隧道地质以坡积粉质黏土和全风化凝灰熔岩为主，岩土体强度较低，遇水后岩土软化，而且随着含水量(饱和度)的增加强度指标逐渐降低，如表1所列。由于隧址属于亚热带季风气候，离海岸较近，因此该区域降雨十分充沛，同时，隧道洞口处于董奉山山脚处，隧道开挖前属于山脚汇水区，因此隧址的工程地质与水文地质条件复杂。

表1 力学指标试验结果

该区域地貌上属于戴云山东北段的丘陵地貌。大地构造位置上属于闽东火山断坳带中部，出露的地层主要为晚侏罗世南园组第二段和第三段(J3n2和J3n3)。根据钻孔揭露，隧址区上部为第四系残坡积层，下伏基岩为侏罗系南园组凝灰熔岩及其风化层。

图1 工程地质剖面

暗洞施工采用新奥法施工原理，坚持“短进尺、强支护、勤量测、快封闭”的原则。董奉山隧道设计上采用4洞并行方案，在洞口段每相邻两洞之间净距为12.9～17.0 m，属于小净距结构形式，在考虑施工安全，保证施工质量及施工组织有效协调的情况下，辅路隧道左右洞应先行进洞施工，较主路隧道形成先行洞。

根据区域气象资料，该区域24 h最大降雨量为242 mm，为了分析隧洞边坡的最不利工况，将该降雨量作为模拟的边界条件，分析不同时刻隧洞内地下水位的变化情况，从而计算不同时间、空间土体的孔隙水压和孔隙气压大小。按照非饱和土体的有效应力原理，得到了土体在不同时刻的抗剪强度，进而得到了不同时刻隧洞边坡的稳定性情况。

2.1 隧址区非饱和土力学指标

采用室内直剪试验方法，测得董奉山隧址区坡积粉质黏土和全风化凝灰熔岩饱和度分别为0.3，0.6和1.0，如表1所列。

根据表1强度指标，结合文献[3，10]中的曲线类型，拟合得到了董奉山隧址区两种主要土的内摩擦角和黏聚力随饱和度的关系曲线。

坡积粉质黏土：

(5)

(6)

全风化凝灰熔岩：

(7)

(8)

2.2 明洞段开挖

根据勘察地质资料，隧址边坡主要有全风化凝灰熔岩和坡积粉质黏土，两种土体的渗透性系数低，土体排水速度慢。隧洞明洞段开挖深度小、开挖作业面多、施工速度快。

当明洞开挖速度较快时，土体内部的水来不及排出或者排出量不足以改变整个地下水的分布情况，因此忽略该阶段土体内的排水和地下水位的变化，开挖后土体内的浸润线与开挖前相同。

采用三维有限元分析方法分析明洞段开挖后地下水渗流场，地面以下2 m为稳定区域，取初始地下水位，明洞段开挖坡脚为开挖区域出水点。

图2 明洞开挖后浸润线-孔隙水压力分布

根据水位线位置，将坡积粉质黏土层分为两层，浸润线以上部分按照干土处理，其饱和度为Sr=0；浸润线以下土体视为饱和状态，其饱和度Sr=1，按照式(5)～(8)的函数关系，得到各土层浸润线上下的强度参数。基于材料莫尔-库仑强度破坏理论，采用强度折减法得出开挖后边坡稳定性情况如图3所示。

图3 明洞开挖后隧洞仰坡稳定性情况(FS=0.993)

图3分析结果表明，在坡积粉质黏土和全风化凝灰岩中快速开挖时，隧道洞顶边坡稳定性为0.993，小于1.0，属于不稳状态，边坡容易出现失稳破坏。因此当快速进行坡积粉质黏土段开挖时，应及时采取一些工程措施，或者控制好施工速度，及时将边坡地下水排出。分析结果表明，当施工速度缓慢，让坡体内部水及时排出或者引出来后，其边坡稳定性系数最大可以提升至1.366，达到安全的标准。具体施工速度尚应结合土体的渗透特性进行深入的分析。

2.3 隧洞暗挖洞口仰坡地下水的变化情况

暗洞段隧道施工工序复杂，施工速度缓慢，故认为在隧道开挖过程中，土体内部水可以通过隧道侧面和径向导水孔排出来。周边土体可以得到有效的排水固结，开挖后浸润线如图4所示。

模拟结果表明(见图5)，随着隧道掌子面的向前推进，隧道二衬与围岩间预留的径向和轴向导水孔成为了地下水排泄通道。由于该隧道属于浅埋隧道，洞顶范围内的地下水被有效引流，洞口边坡处于较干状态，此时边坡最小安全系数为1.366。

2.4 降雨入渗与地下渗流场分析

实际过程中洞顶边坡并非处于完全干涸状态，在长期的施工过程中，大气降雨是洞顶边坡的主要给水来源。根据福州市气象资料，该区域最大日降雨量为242 mm/d，将该雨量平均加载到模型边界上，则为2.8×10-6m/s。

随着降雨的持续，大气降雨逐步渗入地下，边坡表面土体由干涸状态向非饱和状态、饱和逐步过渡，整个过程中其体积含水量和基质吸力是存在一定的关联。根据非饱和土渗透特性，按照van Genuchten模型[6]，得到了边坡在降雨过程中地下水的变化情况，如图6～7所示。

图6 降雨过程中地下渗流场

图6是降雨持续20 h边坡内各点地下水的入渗情况，该图显示在距离地表、坡面一定距离的地方，大量的降水入渗到地面以下成为地下水。由于原地下水埋深较浅，因此远离隧道区域的地下水和地表降雨已经形成了水力联系，但是洞顶边坡上只是形成了一定厚度的饱水层。随着降雨时间的持续，饱水层的厚度不断增加，同时饱水带内的负孔隙水压力也逐渐减小，如图7所示。

图7 洞口一定范围内孔隙水压力-降雨时程曲线

2.5 边坡动态稳定性分析结果

根据式(3)～(4)，随着土体负孔隙水压力逐渐降低，土体有效应力也逐渐下降，其有效抗剪强度呈下降趋势。与此同时，随着饱水区域的不断扩大与延伸，边坡坡面附近的软化区域逐渐增加，不利于坡面的自稳。根据2.3节中地下水的分析结果，结合软化区域岩体强度参数变化规律，分别计算边坡在持续降雨2～20 h时，洞顶边坡的最小安全系数如图8所示。

图8 最小安全系数-降雨时间关系曲线

当降雨时间持续2 h时，洞顶边坡的最小安全系数为1.254，仍满足规范的要求；当降雨持续时间为8 h时，边坡的最小安全系数为1.110，此时仍然处于稳定状态，但其安全储备已经小于规范要求；当降雨持续时间为10 h时，边坡的最小安全系数为1.049，边坡进入极限平衡状态；当持续降雨时间为18 h时，边坡最小安全系数为0.994，边坡进入不稳定状态。

隧址区位于董奉山山脚位置，虽然洞口附近地形平坦，但是受到山脊分水岭范围的汇水影响，除了洞口仰坡范围内直接大气补给外，还受到山体汇水的影响，由于该部分内容不容易量化分析，在模拟过程中忽略了地表汇水对边坡的影响，因此实际过程中边坡所处的环境比模拟情况更加复杂、承受的安全风险也更大。

3 结 论

洞口边坡的失稳是软土地区隧道开挖时常见的地质灾害之一。本文针对软土地区隧道开挖时地下水的变化特征、土体力学特性关系，考虑了施工影响和大气降雨两种因素，分别得到了不同状态下洞口边坡的稳定性情况，具体结论如下：

(1)软黏土的强度参数随饱和度(含水量)增加近似成反比例降低。通过室内试验，确立了坡积粉质黏土、全风化凝灰熔岩的强度指标与饱和度之间的数学的关系。关系曲线表明，随着饱和度(含水量)的增加，土体的强度指标呈负相关性。

(2)软黏土明洞段快速开挖不利于隧洞洞口边坡的自稳。该隧道软黏土的渗透系数很小，当明洞开挖速度过快时，土体内部的渗流场来不及调整，此时洞口边坡的最小安全系数为0.993，边坡处于不稳状态。

(3)暗洞段的隧道开挖有利于洞顶土层的排渗和边坡稳定。在隧道洞口附近，通过预设径向和轴向导水孔，可以明显降低洞顶土层的含水量从而提高边坡的稳定性。

(4)长时间的大气降雨不利于洞口边坡的自稳。强降雨小于2 h时，董奉山隧道洞口边坡能够维持稳定状态，当达到10 h时址体进入极限平衡状态，超过18h时进入破坏状态。