暴雨对隧道仰坡稳定性的影响研究

段绪彬,潘夏玮,莫千南,潘旭晨,杨志钢

(广西路建工程集团有限公司,广西 南宁 530001)

0 引言

隧道洞口的施工是隧道得以安全贯通的关键,其直接影响整个工期的长短及工程造价的多少,然而在实际施工过程中常会发生洞口段仰坡的失稳破坏,进而导致仰坡滑动、坍塌等一系列工程问题[1-3]。出现此类工程问题的原因多为洞口段地质条件差、加固措施不合理及暴雨极端天气等,隧道的进洞会对仰坡产生扰动,导致其安全系数降低,在暴雨天气下仰坡的安全系数进一步降低,若采取的加固措施不合理,则会导致仰坡出现坍塌,造成经济损失及不良的社会影响[4-6]。关于仰坡的稳定性,已有学者进行了研究,张运良[7]以太真隧道为工程背景,研究了隧道进洞的仰坡破坏机理,并对隧道的二次进洞进行了相应研究,给出了相应的仰坡坍塌处理方法。邵珠山[8]以贵州一隧道为工程背景,研究了多种因素对边坡稳定性的影响,这些因素包括坡角大小、隧道开挖及降雨程度,并进一步研究了采取不同加固措施下的边坡稳定性。此外还有不少学者研究了仰坡的稳定性及相应的治理措施[9-10],研究的结论虽可为类似工程提供相应参考,然而由于不同工程所对应的地质条件及气候等存在差异,若仅依靠相似工况下的研究成果,可能无法避免由于多种因素造成的边坡失稳,由此造成巨大的工程损失。基于此,本文以水口—崇左—爱店公路观音山隧道为工程依托对仰坡的稳定性进行研究,通过Bishop法及数值模拟对仰坡多种工况下的安全系数进行计算,进一步分析暴雨条件下采取加固措施前后的仰坡稳定性,为现场施工提供指导,并以期为类似工程提供一定参考。

1 工程概况

观音山隧道位于宁明县,受海洋季风气候影响,雨量较多,且在每年的6～8月夏季风极盛,常受台风影响,多大雨、暴雨天气。隧址区属剥蚀-侵蚀低山地貌区,山体陡峭且植被发育,拟建隧道轴线通过路段地面标高为193～541 m,相对高差约348 m,地形坡度为15°～60°。

根据工程地质调绘和钻孔揭露,观音山隧道区地层山坡表层存在0.5 m左右的黏土层。洞口段表层即为1 m左右的第四系残坡积黏土层,下为强风化砂岩泥岩互层,厚度25～30 m,在其下为中风化砂岩泥岩互层。一方面隧道进口段山体陡峭且地质条件差,另一方面所处地区多大雨、暴雨天气,为保证隧道在暴雨条件下隧道进洞的安全性,有必要对仰坡的稳定性进行研究。

2 隧道洞口仰坡极限平衡分析

2.1 分析方法

极限平衡法的原理如图1所示,其基本原理为对边坡土体进行一系列划分,使其呈现为多个竖直条状块体,接着对每个块体进行静力分析,得到一系列力的平衡方程及力矩的平衡方程,进而得到相关的边坡安全系数。目前在实际工程中用得较多的分析方法为瑞典法[11]、Bishop法[12]。

(a)二维滑动土体图

(b)单元土条图

相较于瑞典条分法,Bishop法计入了条间水平力的影响,其得到的结果相较于瑞典条分法更为准确,更能契合工程实际,因而应用更为广泛[13]。故而本文采用GEO.5软件,基于Bishop法对隧道洞口仰坡进行计算。

2.2 计算参数及工况

根据室内试验结果并参考相应规范及类似工程,得到各土层的力学参数如表1所示。因洞口段表层的黏土层厚度仅为1 m左右,为方便建模及计算,在该模型中不予考虑。

表1 观音山隧道洞口仰坡岩土体参数表

采用GEO.5软件并基于Bishop法分别计算天然状态及暴雨状态下观音山隧道开挖前后的边坡安全系数,根据《公路路基设计规范》(JTG D30-2004)[14]中的相关规定,隧道仰坡安全系数正常工况下取为1.3,非正常工况下取为1.2。四种工况及其对应的参数取值如表2所示。

表2 分析工况设计及参数选取表

对应的模型尺寸如图2所示。

图2 计算模型尺寸示意图

2.3 结果分析

图3～6为四种工况下的计算结果图,图中安全系数最小值对应弧线为最危险的潜在滑动面。

图3 工况1计算结果云图

图5 工况3计算结果云图

图6 工况4计算结果云图

将4种工况的安全系数进行汇总,如表3所示。

表3 观音山隧道洞口仰坡安全系数极小值统计表

从表3可知:在未开挖状态下,暴雨的仰坡安全系数极小值较天然状态降低34.9%;在未发生暴雨时隧道仰坡开挖并施加锚杆后安全系数极小值较天然状态降低56.6%,处于基本稳定状态;在发生暴雨时隧道仰坡开挖并施作锚杆后安全系数极小值较天然状态降低72.9%,处于不稳定状态。由此可见,仰坡开挖及暴雨条件对洞口仰坡稳定性影响较大,尽管施加锚杆,暴雨状态下开挖后的仰坡仍然处于不稳定状态,为实现安全进洞,需要对仰坡进行其他的加固措施。

3 隧道洞口仰坡有限元分析

为对Bishop法分析得到的仰坡稳定性结果进行验证,采用数值模拟软件Midas GTS/NX建立二维有限元模型,对开挖后的仰坡稳定性进行研究。

3.1 模型的建立

观音山隧道洞口仰坡岩土体采用摩尔-库仑本构模型,参数如表1所示,尺寸如图2所示,计算模型及网格划分见图7,共划分节点1 712个、单元1 681个。

图7 计算模型及网格划分示意图

3.2 结果分析

根据数值模拟结果得到自然状态下仰坡开挖后的水平及竖向位移云图如图8～9所示。由图8可知水平位移主要分布在坡面,尤其在坡脚位置极为明显,最大值约为12.4 cm,这是由于坡体开挖后剩余坡体的坡面产生应力重分布现象,导致坡面出现应力集中现象,进而引发较大的位移;由图9可知竖向位移主要发生于开挖部位的地表,地表呈现明显的隆起状态,最大值约为14.9 cm,这是因为坡体开挖的卸载作用。将图9与图5进行对比可知,Bishop法得到的最危险潜在滑动面的出口位置在开挖后的坡脚附近土体隆起值较大的区域内,且出口位置基本处于隆起值最大处。

图8 天然状态下仰坡开挖后的水平位移云图

图9 天然状态下仰坡开挖后的竖向位移云图

根据数值模拟结果得到暴雨状态下仰坡开挖后的水平及竖向位移云图如图10～11所示。由图10可知暴雨条件下坡面的水平位移发生很大变化,最大值高达10 m,可知该工况下已发生显著滑动,另外由图11可知仰坡坡体上方土体的竖向位移最大值约为4 m,已处于明显失稳状态。

图10 暴雨状态下仰坡开挖后的水平位移云图

进一步提取两种工况下的安全系数,并将其与Bishop法得到的安全系数对比,如表4所示。

由表4可知两种分析方法得到的安全系数值相差不大,总体上有限元法得到的安全系数稍大于Bishop法。在天然状态下仰坡开挖后的坡体安全系数均在1.3左右,处于稳定或基本稳定状态,而在暴雨条件下,两种计算方法得到的安全系数值分别为0.9及0.8,均处于不稳定状态。由此可知,暴雨条件下,仰坡土体受雨水入渗的影响,导致其物理力学性质发生较大改变,从而导致仰坡的安全系数大大降低,因而必须采取加固措施保证仰坡的稳定性,使隧道得以安全进洞。

4 加固分析

为保证暴雨状态下仰坡的稳定性,采取地表注浆的加固方式对强风化砂岩泥岩互层进行加固,建立的模型与图7一致,区别在于强风化砂岩泥岩互层的物理力学参数的变化,以此体现地表注浆的加固效果,地表注浆加固区及锚杆对应参数如表5所示,锚杆长度取3 m,前文中的锚杆参数与长度与此处一致。

表5 注浆区及锚杆参数表

提取暴雨状态下加固前后的安全系数如图12～13所示,同时采用GEO.5软件得到加固前后的安全系数极小值为1.53,将两种计算方法下加固后暴雨状态下的仰坡安全系数进行对比,如表6所示。

图12 暴雨状态下加固前仰坡安全系数云图

图13 暴雨状态下加固后仰坡安全系数云图

表6 加固前后暴雨状态下的仰坡安全系数对比表

由图13～14及表6可知,地表注浆能显著提升坡体在暴雨状态下的安全系数,其中通过有限元法计算得到的结果得到暴雨状态下注浆后的安全系数较注浆前提升80.0%,而Bishop法对应提升91.3%,且两者计算得到的仰坡安全系数结果均>1.3,边坡处于稳定状态。由此可见,在采取锚杆支护并辅以地表注浆的方法能保证观音山隧道洞口仰坡开挖后的坡体稳定性,进而实现安全进洞的目的。

5 结语

(1)Bishop法计算得到仰坡未开挖时天然状态及暴雨状态下的边坡安全系数分别为2.95、1.92,仰坡开挖后的天然状态及暴雨状态下的安全系数分别为1.28、0.80;在未开挖状态下,暴雨时的仰坡安全系数极小值较天然状态降低34.9%;在未发生暴雨时隧道仰坡开挖并施作锚杆后安全系数极小值较天然状态降低56.6%,处于基本稳定状态;在发生暴雨时隧道仰坡开挖并施作锚杆后安全系数极小值较天然状态降低72.9%,处于不稳定状态。

(2)数值模拟得到仰坡开挖后天然状态及暴雨状态下安全系数分别为1.34、0.90,有限元法得到的安全系数稍大于Bishop法;Bishop法得到的最危险潜在滑动面的出口位置基本处于数值模拟结果隆起值最大处所在位置;暴雨条件下仰坡的安全系数大大降低,必须采取加固措施保证仰坡的稳定性,使隧道得以安全进洞。

(3)在采取地表注浆加固后,Bishop法及数值模拟得到的暴雨状态下仰坡的安全系数分别提升至1.53、1.62,较未加固分别提升91.3%、80.0%,均大于安全值1.3,边坡处于稳定状态。由此可见,在采取锚杆支护并辅以地表注浆的方法能保证观音山隧道洞口仰坡开挖后的坡体稳定性,进而实现安全进洞的目的。