暴雨对隧道仰坡稳定性的影响研究.pdf

桥隧工程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53 0 0 0 1)摘要：为分析暴雨对隧道仰坡的影响，文章以水口一崇左一爱店公路观音山隧道为工程依托，通过Bishop法及数值模拟对隧道仰坡稳定性进行研究。结果表明：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2.9 5、1.9 2，仰坡开挖后天然状态及暴雨状态下的安全系数分别为1.2 8、0.8 0,仰坡开挖后暴雨状态下的边坡处于不稳定状态，需采取加固措施；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1.3 4、0.9 0 说明有限元法得到的安全系数稍大于Bishop法；采取地表注浆加固后，Bishop法及数值模拟得到暴雨状态下仰坡的安全系数分别提升至1.53、1.6 2，较未加固分别提升91.3%、8 0.0%，均大于安全值1.3,边坡处于稳定状态。关键词：仰坡稳定性；安全系数；Bishop法；数值模拟中图分类号：U457*.5文献标识码：ADOl：10.13 2 8 2/j.c n k i.Wc c s t.2 0 2 3.0 8.0 40文章编号：16 7 3-48 7 4(2 0 2 3)0 8-0 12 5-0 50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、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，张运良切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，本文以水口一崇左一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。隧址区属剥蚀一侵蚀低山地貌区，山作者简介：段绪彬（198 5一），高级工程师，主要从事公路施工管理工作。体陡峭且植被发育，拟建隧道轴线通过路段地面标高为193541m,相对高差约3 48 m,地形坡度为15 6 0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0.5m左右的黏土层。洞口段表层即为1m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2 53 0 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 。10滑动面必(a)二维滑动土体图图1极限平衡法原理示意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EitH(b)单元土条图2023年第8 期总第193 期12 5桥隧工程合工程实际，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1m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岩土体内摩擦角粘聚力重度变形模量泊松比序号及状态强风化1砂岩泥岩互层30.0（天然状态）强风化2砂岩泥岩互层18.3（饱和状态）中风化38.03砂岩泥岩互层采用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JTGD30-2004)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坡积体地层参数取值工况内摩擦角(）粘聚力 c(kPa）重度(kN/m3)未开挖(天然)30.0未开挖(暴雨)18.3开挖后(天然)30.0开挖后(暴雨)18.3对应的模型尺寸如图2 所示。10m开挖部分44m强风化砂岩泥岩互层中风化砂岩泥岩互层74m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c(kPa)(kN/m)E(GPa)45.023.524.723.8200.025.245.024.745.024.72.952.962.962.972.982.993.003.003.013.023.033.043.0511.921.921.931.931.941.940.80.420.80.424.50.3523.523.823.523.825m6m1.951.951.961.971.971.981.98图4工况2 计算结果云图1.281.401.501.601.701.801.902.002.102.202.302.402.502.55图5工况3 计算结果云图0.800.841.001.201.401.601.802:002:202.402.602.803.003.203.38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工况安全系数未开挖（天然）2.95未开挖(暴雨)1.92开挖后(天然）1.28开挖后（暴雨）0.80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3 4.9%；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7 2.9%，处于不稳定状态。由此可见，仰坡开挖及暴雨条件对洞稳定性稳定稳定基本稳定不稳定备注施作锚杆施作锚杆126西部交通科技VestemcainsCommunications Science&Technoliogy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MidasGTS/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一库仑本构模型，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17 12 个、单元16 8 1个。强风化砂岩泥岩互层强风化砂岩泥岩互层中风化砂岩泥岩互层图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12.4cm,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14.9cm,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。+1.23936e+0020.0%+1.13057e+0020.0%+1.02177e+0020.0%+9.12974e+0010.0%+8.04179e+0010.2%+6.95385e+0010.2%0.2%4.77795e+001%+5.86590e+0013.8%+3.69000e+00118.942.60207e+00117.741.51412e+00125.9%44.26173e+00133.0%6.61773e+001图8 天然状态下仰坡开挖后的水平位移云图DISPLACEHENTTX,mm0.8%+14687e+002+1.34510e+0021.5%+1.20334e+0021.8%+1.06158e+0022.4%+9.19817e+0012.9%+7.78054e+0014.0%+6.36290e+0015.0%+4.94528e+0018.5%+3.52765e+0019.9%+2.11001e+00114.1%+6.92389e+00034.1%15.0%2.14287e+000-7.25240e+000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可知仰坡坡开挖部分体上方土体的竖向位移最大值约为4m，已处于明显失稳状态。+1.08237e+0040.2%+9.92138e+0030.1%+9.01905e+0030.4%+8.11672e+0030.7%+7.21439e+0030.9%+6.31206e+0030.8%+5.40974e+0030.5%+4.50740e+0030.7%+3.60507e+0030.8%+2.70274e+0031.1%1.7%+1.80041e+003+8.98082e+00291.9%-4.24881e+000图10 暴雨状态下仰坡开挖后的水平位移云图DISPLACEHENTTY,mm+4.20858e+0030.1%+3.52046e+0030.0%+2.83234e+0030.1%+2.14423e+0030.1%+1.45611e+0030.5%+7.67996e+0029.2%+7.98806e+00184.5%6.08236e+0021.5%DISPLACEHENT-1.29635e+003TX,mm1.2%-1.98447e+0031.0%-2.67859e+0031.0%-3.36070e+0030.8%-4.04882e+003图11暴雨状态下仰坡开挖后的竖向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。表4开挖后仰坡安全系数对比表安全系数工况有限元法Bishop 法天然状态1.34暴雨状态0.90DISPLACEHENTTX,mm稳定性评价1.28稳定/基本稳定0.80不稳定2023年第8 期总第19 3 期12 7桥隧工程由表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弹性模量重度粘聚力内摩擦角材料泊松比(MPa)(kN/m3)(kPa)地表注浆区2.500(实体单元）锚杆210 000(植入式桁架）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。DATA仰坡分析图12 雾暴雨状态下加固前仰坡安全系数云图DATA】仰坡分析，加固后，INCR=10（FO S=1.6 2 13，【U NI I】N，开挖仰坡稳定性分析图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安全系数工况有限元法加固前0.90加固后1.62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8 0.0%，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1.2 8、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3 4.9%；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0.2023.500.1778.50INCR=10(FOS=0.9026,UNIIN,稳定性评价Bishop 法0.801.53250.040.0一不稳定稳定于基本稳定状态；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7 2.9%，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1.3 4、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9 1.3%、8 0.0%，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。参考文献1JWU J Y,HUANG K,Sungkar M,et al.Remediation of slopefailure by compacted soil-cement fllJ.Journal of Perform-ance of Constructed Facilities,2017,31(4):04017022.2 ZHANG J W,CHEN Y Y,SUN Y F,et al.Analysis ondistribution characteristics of tunnel collapse accident inChina from 2006 to 2016J.Journal of Catastrophology,2017,32(4):132-137.3 Annalisa B,Paolo B,Daniela B.Tunnelling-inducedlandslides:The Val di Sambro tunnel case studyJJ.Engi-neering Geology,2015(196):71-87.4Tarun K R,Jemal I,Dereje A.Slope stabilitysusceptibility e-valuation parameter(SSEP)rating scheme-An approach forlandslide hazard zonationJ.Journal of African Earth Sci-128西部交通科技 WesiemnchinsCommunications Science&Technology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ences,2014(99):595-612.5王晓帆.滇东北某高速公路多因素耦合隧道边仰坡综合设计 J.公路，2 0 2 2,6 7(2)：3 9 5-3 9 9.6李小军.地下隧道深基坑仰坡开挖与支护数值模拟及安全性分析 J/OL.安全与环境学报，2 0 2 2-0 4-2 4:1-9.7张运良，陈富东，陈英烈，等.隧道边仰坡滑塌处治及二次进洞施工技术实例研究 J.铁道科学与工程学报，2 0 19，16(4):992-1 000.8邵珠山，崔枫，李成龙，等.粉质黏土隧道边坡稳定性影响因素及处治技术研究 J.铁道科学与工程学报，2 0 2 0，17(8):2 055-2 064.9姜恒超.基于FLAC(3 D)路基边坡安全系数影响因素分析 JJ.铁道科学与工程学报，2 0 17，14（11)：2 3 58-+.2.362.10 陈冲，王卫，吕华永.基于复合抗滑桩模型加固边坡稳定性分析 J.岩土力学，2 0 19,40（8):3 2 0 7-3 2 17.11Fellenius W O.Erdstatisch berechnungenM.Berlin W:Ernst und Sohn,1927.12JBishop A W.The use of slip circle in the stability analysis ofslopesJ.Geotechni-que,1955,5(1):7-17.13 陈锦璐.库岸堆积体边坡失稳机理及破坏模式的数值模拟研究 D.重庆：重庆交通大学,2 0 12.14JT G D 3 0-2 0 0 4,公路路基设计规范 S.收稿日期:2 0 2 3-0 4-10+(上接第7 3 页）F-20(uu)-402-60_100-120-1400123456789101112监测点编号图7 压实度对路基边坡水平位移的影响曲线图由图8 可知，当路基压实度为90%时，路基顶面最大沉降为96.3 mm,发生在距离路基中心-7.5m处；当路基压实度为95%时，路基顶面最大沉降为6 7.4mm，同样发生在距离路基中心-7.5m处。由此可知，随着路基压实度的增大，路基顶面沉降不断减小，路基压实度取95%时的最大沉降相比于路基压实度取9 0%时减小了30.0%，同时可以看出，提高压实度之后路基顶面的不均匀沉降减小。-30-40(uu）-50营6 0-80-90-100L-30-20-100102030距路基中心水平距离（mm）图8 压实度对路基边坡顶面沉降的影响曲线图4结语本文主要以高填方路基填筑施工工程为研究对象，采用数值分析的方法重点对不同因素下的高填方路基二质实度9 0%边坡变形特性进行研究分析，得到以下结论：o压实度9 5%(1)路基填土高度越大，路基边坡最大水平位移和顶面沉降越大，且路基顶面最大沉降发生位置由路基顶面左侧逐渐向路基中心移动，靠近坡脚附近处填土高度变化带来的影响很小。(2)地面横坡坡度增大，路基边坡最大水平位移和顶面沉降不断增大，且路基顶面最大沉降发生位置由路基顶面中心逐渐向路基左侧移动。(3)路基压实度的增大，不仅可以有效减小路基的最大水平位移和路基顶面最大沉降，同时可以降低路基顶面的不均匀沉降。参考文献1门张海波，刘欢.高填方路基沉降变形分析及其控制标准J.云南水力发电,2 0 2 0,3 6(7)：111-113.2武丽勇.高填方路基沉降变形分析及其控制标准研究J.四川建材,2 0 18,44(1):8 5-8 6.3杨锦凤，周浪峰.高速公路高填方路基沉降变形数值模拟-压实度9 0%分析及防治措施研究 JI.黑龙江交通科技，2 0 2 0,43(8)：-压实度9 5%1-2,4.4马登刚.高填方路基沉降变形特性及其预测方法探究J.中国设备工程,2 0 2 0(14):2 3 0-2 3 1.5刘建超.高速公路高填方路基沉降变形的预测分析 J,交通世界,2 0 19(2 4):6 0-6 1.6魏义仙.基于FLAC3D的高填方路基沉降变形因素分析J.公路交通科技（应用技术版），2 0 19，15（11)：8 1-8 3.7田平华，梁丰.山区公路高填方路基力学性能及变形规律研究 J.工程技术研究，2 0 17(4)：3 0-3 1.收稿日期：2 0 2 3-0 4-0 82023年第8 期总第193 期12 9