隧道洞口边坡稳定性分析

隧道与地下工程器　Ｔｕｎｎｅｌ＆Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　隧道洞口边坡稳定性分析　李洪军　（湖北交通职业技术学院道桥系，湖北武汉４３００７９）　摘要：隧道洞口开挖施工会对山体稳定性产生影响，甚至形成新的滑坡灾害。结合某山区高速公路隧道进洞１５施工．对　隧道洞口边坡稳定性进行分析，对不同的处治方案进行了数值模拟分析研究，通过分析比选得出最优化的处治方案，对　山区高速公路隧道洞口边坡施工具有重要的指导意义。　关键词：隧道；高速公路；洞口开挖；边坡；稳定性；分析　中图分类号：Ｕ　４５２．１１　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００９—７７６７（２０１４）０１—０１０３—０３　Ｔｈｅ　Ｓｌｏｐｅ　Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｐｏｒｔａｌ　Ｌｉ　Ｈｏｎｇｊｕｎ　在山区及丘陵区进行高速公路的施工建设时往　２隧道洞口稳定性影响因素及破坏模式　往会形成挖方、填方以及隧道洞口边坡。因此边坡稳　隧道洞口段施工与边坡稳定相互影响　洞口段开　定性问题成为该类区域高速公路建设的主要工程地　挖已经破坏了山体的自然平衡。进洞施工时进一步减　质问题。边坡的滑坡失稳破坏是一种重要的地质灾　少了山脚的支撑，使得进洞施工时边仰坡变形增加：同　害，尤其是隧道洞口边坡失稳会造成局部环境破坏Ⅲ。　时．边坡变形后对洞口段支护结构的压力增大．导致支　因此，根据不同类型滑坡的滑体特征和滑动特征，正确　护结构受力不利。对于坡面平行型边坡。边坡出现的病　评价边坡的稳定性，并采取经济合理的治理措施，在工　害为隧道开挖诱发山体滑坡和隧道拱顶薄弱处塌方，　程建设过程中显得极为重要　隧道支护结构受地形偏压的影响受到不对称荷载而　１工程概述　出现开裂、喷层剥落等病害；对于坡面正交型边坡，开　湖北某山区高速公路隧道位于秦岭、大巴山余脉．　挖导致隧道上方岩体向隧道内移动．当隧道埋深较浅　隧道呈近东西向展布，左幅长３２２　ｍ，最大埋深约５７　ｍ：　时地表会出现较大沉降，当边坡较高且防护不及时可　右幅长３１１　ｍ，最大埋深约６９　Ｉｎ。隧道毛洞宽约１２　ｍ，　能出现滑坡或者坡面开裂等情况。为避免施工时边仰　高约１０　ｍ，洞口段围岩等级为Ｖ级。拟在洞口设置５　Ｉｎ　坡出现塑性区或者限制塑性区的发展。减小松动范围．　明洞，２０　ｍ超前管棚支护。隧道仰坡设计按１：０．７５刷　防止边坡破坏，需要在隧道进洞施工前对边仰坡进行　坡，采用０２５Ｌ４．０　ｍ中空注浆锚杆防护：隧道洞口段接　支护，限制边坡位移［１］。　高填方路堤，下设钢筋混凝土拱涵跨越冲沟。隧址区　２．１隧道边坡稳定性影响因素　属构造剥蚀丘陵一低山地貌区．地形起伏较大．植被较　影响边坡稳定性的基本因素是多种多样的，对于　发育。隧道轴线经过地段地面高程约２４５～５１０　ｍ。隧　隧道边坡，首先要从隧道所处地质的结构状况、力学特　道进出口地形坡度稍陡，自然坡脚约２０。～３０。，坡脚　性出发，再结合具体的工程因素和自然因素等综合分　为青石沟沟底，有季节性流水。该区域地质构造十分复　析．寻求各因素的影响特点和关系＿２ｌ。　杂，具有典型活动型地壳构造和时空演变规律，岩浆　１）地质结构的影响。对于处于岩质地区的隧道。　活动频繁，区域变质作用普遍，褶皱、断裂十分发育，褶　洞口岩体中结构面的存在是影响岩质边坡稳定性的　皱多扇形及倒转构造，断裂有正、逆、平移等类型。表层　重要因素之一。不稳定岩体往往是沿着１个适宜的结　分布第四系残坡积层，基底岩石为元古界武当山群挡　构面或多个结构面的组合边界发生剪切滑移、张拉破　鱼河组片岩。　裂和错动变形等，从而造成岩体边坡的失稳。对于处于　２０１４￣１期（１一）第３２卷，｛；荭故木１０３　器隧道与地下工程　Ｔｕｎｎｅｌ＆Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　土质地区的隧道。边坡的破坏无不与地表水的冲刷、侵　土质滑坡，滑面为土岩接合面。滑面整体倾角ｌ８。，土　蚀有关，而土体自身的凝聚力对边坡稳定的影响最大。　岩接合面处黏性土含量较高，呈软塑状态，地下水在　２）地应力的影响。地应力包括自重应力、地质构造　此遇阻后浸泡软化土体。岩石力学试验结果见表１。　应力、地震应力、温度应力以及有关物理化学作用所　引起的应力等。由于隧道的开挖，＿Ｔ程活动形成的二次　应力场的叠加、干扰和调整问题，破坏了边坡岩土体相　表１　隧道出洞口岩石力学试验结果　对平衡的应力状态，从而进一步加剧了岩体的物理力　４．８　学状态的复杂性。初始应力状态重新分布，不仅表现在　口左洞顶　１２．２・０２　１．７６０　６８．０８　２６．５３黏土　应力释放方面．而且表现在应力集中方面，这对于洞　口处的边坡稳定是很不利的。　３）其他因素的影响。在施工过程中，由于隧道的　开挖，可能破坏原有的稳定控制界面，将原有的控制　界面带间的水流闭路系统破坏，形成渗流通道，使得　界面上的黏性参数大幅降低，导致边坡的滑移破坏。　２．２隧道边坡破坏模式　在隧道Ｔ程中，边坡的破坏模式主要表现为以下　几种：１）边坡喷层剥落破坏；２）张拉破坏；３）剪切破坏；　４）局部塌陷破坏；５）雨水冲刷破坏；６）洞口初期支护　失稳破坏。其中。比较常见的是剪切挤压破坏和拉裂破　坏。对于隧道边仰坡的破坏模式，可以分为以下几种：　平面滑动破坏、楔形破坏、崩溃破坏、局部塌陷破坏和　堆塌破坏ｌ　３ｌ。　３隧道洞口滑坡特点　隧道洞１５开挖整平过程中，山体边坡发生滑动．地　表出现开裂变形，严重影响隧道洞口段的施工。滑坡区　自下向上主要分为３个平台，第１级平台标高约２７５　ｉｎ，　第２级平台标高约为２８９ｍ，第３级平台标高约为２９８１７１。　滑坡体平面上呈“簸箕”形，主滑方向７５。，滑坡后缘高　程３１２　ｔｎ，前缘高程２７５　ｉｎ，前后缘高差３７　Ｉｎ，倾向东　侧冲沟　３．１滑体及滑床特征　滑坡体物质成分主要为第四系残坡积碎石土．褐　黄色。主要由碎石土组成，碎石由强风化片岩碎块石组　成，稍密一中密。土石比２：８，碎石粒径一般为２～５　ｃｍ，　少量大于２０（３１１１。其中Ｋ３、Ｋ４钻孔土石比６：４，粉质黏　土含量较高，呈可塑状。该层厚度３．９５～８．８０　ｍ。　滑床物质成分为片岩，呈灰绿色、深灰色，变晶结　构，片状构造．主要矿物成分为云母、石英，根据岩石风　化程度可分为强风化带和中风化带。采取中风化岩石样　作饱和单轴抗压强度试验。抗压强度９．５２￣２１．９４　ＭＰａ，　平均值为ｌ６．５３　ＭＰａ。　３．２滑面特征　从滑体的物质成分及变形特征分析可知，滑坡为　１０４，｛｝荭技永２０１４Ｎｏ．１（Ｊａｎ．）Ｖｏ１．３２　滑坡体主要位于隧道左洞及两侧．前缘为现隧道　洞１５开挖的１７５　Ｉｎ高程坡脚，跨２幅隧道的洞Ｅｌ段；后　缘位于山间小路西侧陡坎附近。陡坎局部基岩出露；南　北两侧边缘斜裂隙发育．地表变形界限较清晰。　滑坡体第２级平台垂直下陷最大达２．８　ｉｎ，平均下　陷１．８　ｉｎ，形成拉张裂缝宽３０　ｃｍ以上，中部形成多处　拉张裂缝，滑坡后缘第３级平台拉张裂缝平均宽７　ｃｍ，　南北两侧形成剪切斜裂缝，宽度５～２０　ｃｍ不等。滑坡　体纵长约９０　ＩＴＩ，横宽约４０￣７０　ＩＴＩ，平均厚度约６．０　ｉｎ，　面积约５　４００　ｉｎ　。体积约３２　４００　１１１　，该滑坡属于小型浅　层土质滑坡　４边坡稳定性分析　隧道边坡采用了削坡卸载法。通过减轻滑坡致滑　段的滑体超重部分，减小滑体的下滑力，使得滑坡趋于　稳定。通过数值模拟，分析了隧道边坡坡脚开挖时的情　况。并且模拟削坡卸载的３种方案：１）沿表面地层线　削坡ｌ　ｍ厚度；２）沿表面地层线削坡１．５　Ｉｎ厚度；３）沿　表面地层线削坡２　ＩＩ１厚度。　４．１分析方法　采用强度折减法进行边坡稳定性系数计算。强度　折减法就是运用式（１）和式（２），不断调整土体的强度　指标ｃ、　，然后对边坡进行数值分析，通过不断增加折　减系数　，反复分析边坡，直到其达到临界破坏状态，　此时得到的　即为稳定安全系数＿４＿。　ｃｉ＝ｃ／Ｆ，，　（１）　＝ａｒｃｔａｎ（ｔａｎ￣ｐ／Ｆ，）。　（２）　４．２模型建立与计算参数的选取　由于地质情况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（见图１）以及洞口边坡剖面　（见图２），确定该隧道进洞口边坡模型　方向边坡长为　９０Ｉｎ，Ｙ方向研究厚度为０．５　ｍ，Ｚ方向边坡高度为３７　１ＴＩ。　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　方向约束，平行于　ＯＹ面的　底面为固定约束，模型上表面为坡面，取为自由边界。　地下Ｉ秘丁ｕｎ　ｎｅｌ＆ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　Ｅｎｅｅｒｆｎｇｉ　坡稳定性系数计算结果　隧道与Ｕｌｌ　工况　自然　坡脚坡面丽磊　开挖　．＿　：　——一　Ｉ　ｍ　．坡面削坡　２　ｍ　１．５７　＿－Ｏ——————————～　８９　１４２　‘二～不同工况下边坡最大竖向位移　・・－・－－～●一１ｙ　工况自然坡脚—　坡　削　面　～　８　坡　～　２０　４牟第　棚（１一）第３２巷　啼荭敏　１０５