熊文林

(湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院道橋系　武漢　430079)

基于FLAC3D的隧道洞口滑坡防治技術(shù)優(yōu)化研究*

熊文林

(湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院道橋系武漢430079)

摘要結(jié)合栗石溝隧道洞口滑坡實(shí)際水文、工程地質(zhì)條件，通過強(qiáng)度折減法對隧道洞口邊坡在自然狀態(tài)、邊坡坡腳開挖和削坡卸載等6種工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析和評價(jià)，并結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，提出對該滑坡體采取削坡2 m+表面噴漿及錨桿支護(hù)相結(jié)合的處治方案，同時(shí)加強(qiáng)洞口坡面排水、坡面和隧道內(nèi)的變形監(jiān)測。為工程安全施工提供依據(jù)，也為山區(qū)隧道洞口開挖提供借鑒。

關(guān)鍵詞邊坡穩(wěn)定性度折減法數(shù)值模擬防治措施

1　工程概況

栗石溝隧道滑坡位于十堰市鄖縣鮑峽鎮(zhèn)舒家村五組北側(cè)，湖北十堰至白河高速公路黃龍段栗石溝隧道的進(jìn)口處。隧道呈近東西向展布，左幅里程樁號為ZK29+305～ZK29+607，全長302m，最大埋深約57m；右幅隧道里程樁號YK29+315～YK29+626，全長311m，最大埋深約69m。隧道毛洞寬約12m，高約10m，隧道進(jìn)口段圍巖等級為V級，擬在洞口設(shè)置5m明洞，20m超前管棚支護(hù)。隧道仰坡設(shè)計(jì)按1∶0.75刷坡，采用直徑25L4.0m中空注漿錨桿防護(hù)；隧道進(jìn)口段接高填方路堤，下設(shè)鋼筋混凝土拱涵跨越?jīng)_溝。隧道進(jìn)口開挖整平過程中，局部位置切坡形成了臨空面，改變了原來邊坡的力學(xué)平衡條件，促使邊坡失穩(wěn)，隧道仰坡產(chǎn)生輕微滑動(dòng)，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。通過調(diào)查和分析得知，影響栗石溝隧道滑坡的主要因素是[1]：①土巖接合面為外傾結(jié)構(gòu)面；②上部碎石土屬強(qiáng)透水層，大氣降水易下滲，在土巖接合面受阻后軟化浸泡土體，產(chǎn)生靜水壓力和動(dòng)水壓力；③在修建隧道進(jìn)口場地整平過程中開挖邊坡，在坡腳形成了臨空面。

2　防治措施優(yōu)化模擬

2.1模型建立

本文運(yùn)用FLAC3D軟件，采用強(qiáng)度折減法[2-4]對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。由于地質(zhì)的復(fù)雜性和不確定性，考慮到勘查的滑坡體范圍和洞口地形以及洞口邊坡剖面，模擬栗石溝隧道進(jìn)洞口邊坡模型X方向邊坡長90m，Y方向研究厚度為0.5m，Z方向?yàn)檫吰赂叨?7m。邊界條件中，平行于XOZ面的兩側(cè)為Y方向約束，平行于YOZ面的兩側(cè)為X方向約束，平行于XOY的底面為固定約束，模型上表面為坡面，取為自由邊界。

模型模擬時(shí)采用的地質(zhì)參數(shù)見表1。

4　結(jié)語

本文針對山區(qū)高速公路中橋隧相連的工程特點(diǎn)，在分析了橋隧相連段差異沉降產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，總結(jié)了預(yù)防和處治橋隧相連過渡段差異沉降時(shí)需考慮的因素，并探討了目前橋隧相連工程中可采用的有效措施或處治方法，以期為橋隧相連工程的后期運(yùn)營管理、養(yǎng)護(hù)、維修、加固或改造等服務(wù)提供參考或建議。

參考文獻(xiàn)

[1]王飛.山區(qū)高速公路橋隧相連技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].公路工程與運(yùn)輸,2008(11):124-126.

[2]孫廣臣,傅鶴林,巢萬里.橋隧搭接工程多源損傷及車輛沖擊模型試驗(yàn)研究[J].振動(dòng)與沖擊,2013,32(2):115-123.

[3]李耀珠.橋隧相連地段隧道襯砌動(dòng)力特性研究[D].長沙:中南大學(xué),2005.

[4]JTGD70-2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2004.

表1　地質(zhì)參數(shù)表

在進(jìn)行模擬時(shí)，整個(gè)模型分為表層碎石土層，中層強(qiáng)風(fēng)化巖層以及下層中風(fēng)化巖層，邊坡表層碎石土層采用elastic模型，厚度為6m，強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化巖層采用mohr模型，強(qiáng)風(fēng)化巖層為6m，中風(fēng)化巖層為24m，錨桿采用樁結(jié)構(gòu)單元。在整個(gè)建模過程中，應(yīng)用實(shí)體單元模擬整個(gè)邊坡結(jié)構(gòu)[5-7]。

由于施工單位開挖隧道進(jìn)口，切坡形成了臨空面，導(dǎo)致隧道仰坡產(chǎn)生了滑動(dòng)。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用了削坡卸載法和表面噴漿及錨桿注漿技術(shù)對邊坡進(jìn)行支護(hù)。模擬共分6種情況，自然狀態(tài)模擬、邊坡坡腳開挖、坡腳開挖+削坡1m、坡腳開挖+削坡2m、坡腳開挖+削坡3m和坡腳開挖+削坡2m+表面噴漿及錨桿支護(hù)，錨桿每隔2m打入1根，桿體埋入長度為1.5m。其中2種工況的模型建立效果見圖1、圖2。

圖1邊坡自然狀態(tài)模型圖

圖2　坡腳開挖+削坡2 m+表面噴

2.2模擬分析

2.2.1安全系數(shù)分析

通過FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，為了分析計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度，我們同時(shí)采用理正分析軟件，采用圓弧滑動(dòng)法確定滑裂面形狀、瑞典條分法分析圓弧的穩(wěn)定性，通過自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑裂面來計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果對比見表2。

表2　邊坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算成果表

由表2中可見：

(1)FLAC3D和理正分析軟件2種計(jì)算結(jié)果基本吻合，表明數(shù)值模擬是有效的。

(2) 在自然狀態(tài)下，洞口邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.04，其邊坡已經(jīng)處于極限平衡狀態(tài)，如果進(jìn)行洞口段坡腳開挖施工，必定會(huì)影響到洞口邊坡的穩(wěn)定性。當(dāng)坡腳進(jìn)行開挖時(shí)，其洞口邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為0.98，邊坡已經(jīng)發(fā)生破壞，表明對洞口邊坡坡腳的開挖施工，直接對邊坡的穩(wěn)定性造成了影響。

(3) 坡腳開挖后，邊坡削坡卸載1，2和3m時(shí)，洞口邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為1.26，1.49和1.53；當(dāng)削坡卸載2m并進(jìn)行表面噴漿及錨桿支護(hù)后，洞口邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.63，穩(wěn)定系數(shù)逐漸增大。根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD30-2004)第6.1.1.3條中規(guī)定，對抗滑坡體進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，抗滑系數(shù)宜采用1.15～1.20；對高速公路、一級公路宜采用1.20～1.30。以上削坡卸載2，3m和削坡2m+表面噴漿及錨桿支護(hù)2種方案均符合設(shè)計(jì)要求。

2.2.2豎向位移分析

通過數(shù)值模擬，得到不同工況下的邊坡豎向位移分布圖，其最大豎向位移見表3。

表3　不同工況下邊坡最大豎向位移表

由表3可見：

(1) 自然狀態(tài)下，最大豎向位移為55.69cm；坡腳開挖后，最大豎向位移為60.67cm；削坡厚度1，2和3m時(shí)，最大豎向位移分別為6.02，4.96和5.65cm；削坡卸載2m及錨桿噴漿時(shí)，最大豎向位移為4.83cm。

(2) 坡腳開挖導(dǎo)致邊坡豎向位移增大，對邊坡穩(wěn)定性的影響較大。在采用了削坡卸載方案后，邊坡的豎向位移明顯減小，說明邊坡加固措施是有效的。3種削坡卸載方案中，隨著削坡厚度的增加，邊坡的最大豎向位移呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。這說明在削坡過程中，削坡的厚度，對于邊坡的穩(wěn)定性有相應(yīng)的影響，削坡厚度較小時(shí)，則不能完全達(dá)到卸載的效果，而當(dāng)削坡厚度較大時(shí)，也會(huì)對坡體產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，從而影響到巖土分界面的穩(wěn)定性。

(3) 削坡2m+表面噴漿及錨桿支護(hù)后邊坡豎向位移進(jìn)一步減小并趨于穩(wěn)定，表明初進(jìn)洞部分進(jìn)行有效的加固措施后，能確保洞口邊坡的穩(wěn)定性。

2.2.3剪應(yīng)力分析

栗石溝邊坡為坡前堆積體邊坡，最可能發(fā)生的滑動(dòng)為表層土沿巖土分界面的滑動(dòng)。在滑動(dòng)的影響下，坡前出現(xiàn)剪應(yīng)力集中，坡后出現(xiàn)裂縫。邊坡堆積處出現(xiàn)應(yīng)力集中，邊坡上部剪應(yīng)力變化趨勢成線型分布，左側(cè)堆積體處的剪應(yīng)力在巖土分界線上變化比較大，邊坡極有可能沿巖土分界線滑動(dòng)，見圖3。在坡腳開挖后，邊坡前沿出現(xiàn)應(yīng)力集中，左側(cè)堆積體處的剪應(yīng)力在巖土分界線上變化較大，邊坡極有可能沿巖土分界線滑動(dòng)。在進(jìn)行削坡卸載后，邊坡的剪應(yīng)變增量范圍減小，并且在削坡2m時(shí)，其剪應(yīng)變增量整體分布呈現(xiàn)出與巖土分界面類似的分界情況，這說明坡體的滑動(dòng)最可能會(huì)沿此巖土分界面形成，但是坡前集中的剪應(yīng)力被釋放，邊坡整體趨于穩(wěn)定。在邊坡進(jìn)行削坡卸載2m及錨桿噴漿加固后，邊坡上部的拉破壞被消除，邊坡整體穩(wěn)定性進(jìn)一步增強(qiáng)，見圖4。

圖3　自然狀態(tài)下邊坡剪應(yīng)變增量

圖4　坡腳開挖+削坡2 m+表面噴漿及

2.2.4邊坡塑性區(qū)分析

在數(shù)值模擬計(jì)算過程中，通過對邊坡模型的塑性區(qū)進(jìn)行分析，從中對邊坡內(nèi)部的破壞情況進(jìn)行了解和分析。邊坡塑性區(qū)分布見圖5、圖6。

圖5　自然狀態(tài)下邊坡塑性區(qū)

圖6　坡腳開挖+削坡2m+表面噴漿

由圖5、6可見：

(1) 圖中綠色部分表示邊坡正在發(fā)生或已發(fā)生剪切破壞，在自然狀況和坡腳開挖狀況下，邊坡的破壞面主要在巖土分界面上，破壞形式主要為剪切破壞形式；當(dāng)坡腳開挖后，邊坡前端上部產(chǎn)生的拉伸破壞區(qū)域(紅色區(qū)域)增加，說明坡腳的挖除影響到了邊坡前端的穩(wěn)定性，因此需要對坡腳開挖后的邊坡進(jìn)行有效的治理，保證邊坡穩(wěn)定性和工程的安全性。

(2) 采用削坡卸載方案之后，邊坡剪切破壞區(qū)域(綠色區(qū)域)減小，穩(wěn)定性得到加強(qiáng)，邊坡破壞的形式仍然以剪切破壞為主，并且呈現(xiàn)與坡面走勢平行的破壞面(黃色區(qū)域)。隨著削坡厚度的增加，邊坡的剪切破壞區(qū)域逐漸減小，并且已經(jīng)發(fā)生破壞的部分也逐漸自穩(wěn)，說明削坡卸載方案有利于邊坡穩(wěn)定性的提高，并且削坡厚度對于其邊坡內(nèi)部的破壞區(qū)域有所影響。

(3) 邊坡進(jìn)行削坡2m及錨桿噴漿加固處理措施之后，邊坡與坡面走勢平行的剪切破壞面大大減少(黃色區(qū)域)，邊坡前端上部產(chǎn)生的拉伸破壞區(qū)域(紅色區(qū)域)也有所減少。說明削坡卸載2m及錨桿噴漿加固處理方案有利于邊坡的穩(wěn)定性提高，建議采用此方案對栗石溝隧道邊坡進(jìn)行加固處理。

3　結(jié)論

(1) 對比FLAC3D和理正的計(jì)算結(jié)果可以知道，F(xiàn)LAC3D模擬的結(jié)果是有效的。

(2) 在天然狀況下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.04，該邊坡處于極限平衡狀態(tài)。坡腳開挖后，洞口邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為0.98，邊坡已經(jīng)發(fā)生破壞，說明對洞口邊坡坡腳的開挖施工，直接對邊坡的穩(wěn)定性造成了影響。采用削坡卸載方法之后，隨著削坡厚度的增加，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)不斷增大，邊坡穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。

(3) 削坡的厚度，對于邊坡的穩(wěn)定性有相應(yīng)的影響，削坡厚度較小時(shí)，則不能完全達(dá)到卸載的效果，而當(dāng)削坡厚度較大時(shí)，則對坡體產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，從而影響到巖土分界面的穩(wěn)定性。

(4) 結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，考慮到削坡土方工程量、成本以及邊坡加固效果，栗石溝隧道出洞口邊坡在坡腳開挖后，建議采取削坡2m+表面噴漿及錨桿支護(hù)結(jié)合的處治方案，同時(shí)加強(qiáng)洞口坡面排水、坡面和隧道內(nèi)的變形監(jiān)測，以指導(dǎo)施工，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

[1]李小青.隧道工程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]劉波,韓彥輝.FLAC原理、實(shí)例與應(yīng)用指南[M].北京: 人民交通出版社, 2005.

[3]唐春安，李連崇，李常文，等.巖土工程穩(wěn)定性分析RFPA強(qiáng)度折減法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006(8)：1522-1530.

[4]張魯渝,鄭穎人,趙尚毅,等.有限元強(qiáng)度折減系數(shù)法計(jì)算土坡穩(wěn)定安全系數(shù)的精度研究[J].水利學(xué)報(bào), 2005(1): 21-27.

[5]劉小兵，彭立敏，王薇.隧道洞口邊仰坡的平衡穩(wěn)定分析[J].中國公路學(xué)報(bào)：2001(4)：80-84.

[6]時(shí)衛(wèi)民，鄭穎人，唐伯明.滑坡穩(wěn)定性評價(jià)方法的探討[J].巖土力學(xué)，2003，24(4)：545-552.

[7]陸錫銘，應(yīng)志民.某隧道進(jìn)口段邊坡的變形破壞機(jī)理分析[J].地球與環(huán)境，2005，23(S1)：399-402.

收稿日期：2015-07-06

StudyonTunnelPortalLandslidePrevention
TechnologyOptimizationBasedonFLAC3D

Xiong Wenlin1,2， Chen Hao3，LiHongjun2

(1.SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China；

2.DepartmentofRoadwayandBridgeEngineering,HubeiCommunicationsTechnicalCollege,Wuhan430079,China；

3.Schoolofcivilengineeringandmechanics,HUST,Wuhan430079,China)

Abstract：Based on the hydrological and engineering geological conditions of Li Shi Gou tunnel slope, through strength reduction method the stability of tunnel entrance slope in the natural state, the slope toe excavation and other four kinds of situations were analyzed by numerical simulation and evaluation. Combining with the actual work experience and numerical simulation results, we recommended to choose the treatment method of taking slope cutting thickness 2.0m and combining surface sprayed concrete and anchor bolt support. At the same time, strengthening the slope drainage of entrance to a cave and the deformation monitoring of slope and tunnel, we provided the important basis for the safety of engineering construction. It has a certain value of tunnel entrance excavation in mountainous area.

Key words:slope stability; strength reduction method; numerical simulation; prevention and control measures

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.030

*湖北省交通運(yùn)輸廳2011年度科技項(xiàng)目(2011B14)資助