基于條塊模型法的隧道邊仰坡穩定性分析

張怡興，劉 曉，劉俊鋒，王永東，黃代茂

(1.廣東省路橋建設發展有限公司，廣州 510623；2.長安大學公路學院，西安 710064)

0 引言

隨著我國社會經濟的不斷發展，隧道等地下工程建設方興未艾。在節理裂隙發育的炭質泥巖區段等不良地質地帶修建的隧道工程存在諸多問題，其中隧道洞口邊仰坡滑移開裂問題尤甚，直接影響隧道洞口區段的穩定性。隧道邊仰坡穩定性分析是邊坡工程研究的重要課題之一，決定軟巖裂隙發育隧道邊仰坡穩定性的因素不同于一般的邊坡工程：炭質泥巖隧道一般采用三臺階法開挖，多臺階的開挖擾動會降低邊仰坡的穩定性；洞口段多淺埋且偏壓，地質條件差，邊仰坡受力復雜，影響其穩定性。

諸多學者對隧道邊仰坡的穩定性進行了研究。陳文勝[1]等利用經典條分法原理，建立了牽引式邊坡穩定性分析模型，并計算出邊坡安全系數；盧應發[2]等在現有邊坡穩定性分析的基礎上，針對邊坡的漸進破壞進行了研究；王庚蓀[3]對邊仰坡漸進破壞過程進行了探究，并對坡體穩定性進行了分析；劉動[4]針對邊坡滑移帶漸進破壞過程，并結合土體剪切強度特性，對坡體穩定性進行了分析；鄭宏[5]通過有限元方法對邊坡穩定性進行分析，并對坡體安全系數進行了求解；盧應發[6]等針對邊坡滑移體力學行為，對邊坡力學傳遞規律進行了研究，并對不同力學狀態下邊坡安全系數進行了求解；董永[7]等利用有限元強度折減法得出了公路隧道邊仰坡穩定性系數，并預測出邊仰坡滑移模型；王樹英[8]等對連拱隧道邊仰坡進行現場測試，綜合各種因素分析滑移原因并提出整治措施；劉俊紅[9]研究了緩坡隧道邊仰坡滑塌原因并提出處置措施；羅纘錦[10]對常見的巖質邊坡破壞模式進行了分類，為進一步探討處治方案提供了參考；王宜葵[11]等介紹了龍祖山隧道洞口滑移情況，提出了鋼管樁的處治方式；王朝暉[12]等對現有的邊坡穩定分析理論進行了分類,作了較系統全面的回顧和分析,并對未來的發展進行了展望。

本文以其古頂隧道出口段施工邊仰坡滑移為例進行研究?？紤]到組成邊仰坡的炭質泥巖力學穩定性差，為了分析炭質泥巖隧道邊仰坡的破壞形式及破壞趨勢，提出一種條塊模型法對邊仰坡安全系數進行定義，并與瑞典條分法對比，對炭質泥巖隧道邊仰坡的穩定性進行分析，以期得到量化的塊體安全系數來評價坡體穩定性，推測坡體滑移趨勢，指導依托工程施工。

1 工程概況

其古頂炭質泥巖隧道位于廣東省梅州市城東鎮境內，左、右線隧道洞口地段圍巖主要由坡殘積粉質粘土、強風化砂巖、炭質泥巖組成，巖體極破碎，穩定性差。左、右線洞口段30m范圍內采用長管棚超前支護。自其古頂隧道出口段右洞開挖以來，地表和暗洞沉降以及水平位移相對穩定，但在仰坡坡頂處稍有裂隙。之后施工人員發現右洞K11+505～+495段初支拱腰出現鼓包開裂，右洞洞頂仰坡裂縫較大。監控量測數據顯示，其古頂隧道出口右洞K11+480處，右拱頂沉降36mm，拱頂中沉降16mm，左拱頂沉降14mm。經現場踏勘后發現洞口右側邊仰坡出現一條長約60m、寬3～30mm的貫穿裂縫，其周邊零星分布著長3～10m的小裂縫；套拱拱頂左側也出現一條長0.7m、寬3mm的裂縫，洞口仰坡掛網噴砼出現多處開裂。邊仰坡連續數天的沉降，導致K11+486～+490段初支混凝土出現了侵限現象。

圖1 洞口邊仰坡滑移開裂

2 炭質泥巖隧道邊仰坡破壞模式

2.1 影響邊仰坡穩定性的主要因素

造成隧道邊仰坡滑移破壞的主要因素：(1)圍巖級別。邊仰坡巖體極為軟弱，圍巖等級多為V、VI級，受施工擾動后易出現垮塌式破壞。(2)巖體承力結構破壞。邊仰坡開挖過程中，其主要承力巖體遭到破壞，導致坡體整體破壞。(3)巖體節理面發育。邊仰坡內大量節理面的存在，導致整個坡體被切割為無數獨立塊體，巖體沿一個節理面或多個節理面組產生剪切破壞和錯動變形，從而造成邊仰坡整體破壞。

查閱相關文獻及邊仰坡事故案例可知，隧道邊仰坡巖體中節理面的存在，是影響隧道邊仰坡穩定性的決定性因素。特別是在新修建的隧道進出口端，由于開挖造成的影響，這些位置是力學變動強烈的活動帶，往往會危及隧道邊仰坡的穩定性。究其原因，巖體中節理面的存在，使巖體整體強度降低，增加了巖體的流變特性，并在與地應力的聯合作用下使坡體產生滑移趨勢。

2.2 邊仰坡破壞模式

由圖2可知，邊仰坡平面破壞由左至右可分為：單平面破壞、雙平面破壞和多平面破壞。單平面破壞多見于坡體內部存在貫穿節理面，雙平面破壞多見于坡體內部存在兩個大的構造節理面，多平面破壞常見于坡體內部存在大量相互交錯的細小節理面。由圖3可知，楔形體破壞多見于坡體表面節理裂隙發育，坡體被節理面分割為多個楔形體。旋轉體破壞大多是由于降雨下滲導致坡體內部形成圓弧破壞面，從而使坡體失穩破壞。傾倒式破壞常見于坡體內存在豎向貫穿節理面，由于開挖擾動，導致坡體傾倒破壞。

圖2 平面破壞形式(箭頭指示為滑動方向)

圖3 楔形體、旋轉體、傾倒式破壞形式(箭頭指示為破壞方向)

3 基于條塊模型法的邊仰坡穩定性分析

3.1 條塊力學模型

本文以基本條塊單元構建邊仰坡力學模型，如圖4所示。此模型的接觸類型為塊體平面接觸，條塊單元上受力以集中力表示。對于邊仰坡上任意條塊單元，一般認為其上受多種力的作用，分別為：條塊單元重力Wi、滑移面剪切力Ti以及法向力Ni、條塊單元兩側平推力Ei、Ei+1以及豎向摩擦力Xi、Xi+1。

圖4 邊仰坡力學模型

3.2 基本假設與安全系數定義

(1)邊仰坡的滑移破壞為漸進破壞，坡體啟動條塊失穩后，依次影響下一條塊。

(2)邊仰坡上條塊滑移破壞模式為沿條塊底面的剪切破壞，坡體最為穩定的條塊稱為控制條塊。

(3)啟動條塊不受其上部條塊的推力，其余條塊均受其上部傳遞的推力。

坡體上每一條塊發生滑移破壞的難易程度不一，可利用安全系數來描述每一條塊的穩定程度。根據以上假定，本文對邊仰坡上各條塊的安全系數定義如下：單一條塊安全系數f為阻滑力T與下滑力Q的比值。對于邊仰坡的漸進破壞過程，坡體上每一條塊具有不同的安全系數，啟動條塊安全系數最低，控制條塊安全系數最高，即控制條塊決定著整個坡體的安全系數。圖5為邊仰坡條塊模型示意圖。

圖5 邊仰坡條塊模型

3.3 邊仰坡受力分析

對邊仰坡條塊進行受力分析時，需要先對啟動條塊進行分析，然后依次對其他條塊進行分析，進而計算出每一條塊的安全系數，確定控制條塊的位置。條塊計算時，針對條塊的極限平衡狀態以及殘余應力狀態，分別對條塊進行兩次驗算，以求得更為精準的安全系數。圖6為條塊兩種狀態的受力示意圖，其受力分析即安全系數的求解過程。

圖6 邊仰坡力學模型

3.3.1 啟動條塊

(1)條塊單元底面壓力：

Ni=Wicosαi

(1)

式中：Ni為條塊單元底面壓力；Wi為條塊單元重力；αi為條塊單元底面與水平面的夾角。

(2)條塊單元下滑力：

Qi=Wisinαi

(2)

式中：Qi為條塊單元的下滑力。

(3)初始狀態下條塊單元底面摩阻力：

Ti=cili+Wicosαitanφi

(3)

式中：Ti為利用摩爾庫倫理論計算的摩阻力；ci為巖體材料的粘聚力；li為條塊單元底面長度；φi為巖體材料內摩擦角。

(4)破壞后條塊單元底面摩阻力：

(4)

(5)條塊單元安全系數：

(5)

式中：fi為第i個條塊單元的安全系數。

(6)殘余推力：

(6)

式中：Pi為殘余推力，巖土材料不存在拉力，故Pi≥0。

3.3.2 其余條塊

(1)條塊單元底面壓力：

Ni=Wicosαi+Pi+1sin(αi+1-αi)

(7)

式中：Ni為條塊單元底面壓力；Wi為條塊單元重力；Pi+1為前一條塊的殘余推力；αi為條塊單元底面與水平面的夾角。

(2)條塊單元下滑力：

Qi=Wicosαi+Pi+1cos(αi+1-αi)

(8)

式中：Qi為條塊單元下滑力。

(3)初始狀態下條塊單元底面摩阻力：

Ti=cili+Wicosαitanφi+Pi+1tanφisin(αi+1-αi)

(9)

(4)破壞后條塊單元底面摩阻力：

Pi+1tan(φikφ)sin(αi+1-αi)

(10)

(5)條塊單元安全系數：

(11)

(6)殘余推力：

(12)

通過上述推導可見，計算條塊單元安全系數的過程是一個反復迭代的過程，利用靜力平衡法可得到條塊單元的唯一靜力解，進而可確定每一條塊單元的安全系數，這給邊仰坡的穩定性分析提供了計算依據。

4 算例分析

為了驗證上述邊坡穩定性計算方法的實用性，進行算例分析。如圖7所示，該邊仰坡模型坡腳為53°、滑移弧面角64°、坡高6.0m，坡體巖土的重度γ=17.5kN/m3，摩擦角φ=12°，粘聚力c=16.7kPa。

圖7 邊仰坡算例分析模型

分別采用安全系數法和瑞典條分法對邊仰坡穩定性進行計算對比，計算結果見表1和表2。

表1 瑞典條分法計算結果

表2 條塊模型法計算結果

由表2可見，瑞典條分法計算的坡體整體安全系數為0.841 2。通過條塊模型計算過程可知，此時坡體控制條塊為第六條快，啟動條塊同樣為第六條快，整個坡體安全系數確定為0.770 2，較之瑞典條分法偏小。對比兩種方法可知，條塊模型法可一一求出各條塊的安全系數，進而得到坡體的控制條塊，這對預測分析坡體的穩定性十分重要；而瑞典條分法僅能求出坡體整體安全系數，相比條塊模型法誤差較大，不夠精確。

為了進一步研究巖體強度參數c、φ對隧道邊仰坡穩定性的影響，在算例的基礎上分別確定c值為8.0kPa、12.0kPa，變化φ值求得各條塊的安全系數；確定φ值為12°、22°，變化c值求得各條塊的安全系數。最后將求得的安全系數值分別繪制F-c、F-φ曲線，如圖8和圖9所示。

圖8 安全系數-粘聚力關系

圖9 安全系數-內摩擦角關系

根據圖8和圖9中F-c、F-φ曲線所反映出的規律，邊仰坡條塊模型法、瑞典條分法計算得出的安全系數與巖體內摩擦角、粘聚力的關系：

針對F-c曲線所反映的規律，可以發現無論是瑞典條分法還是條塊模型法，隨著內摩擦角的增大，計算所得的安全系數相應增大。同一內摩擦角下，條塊模型法計算得到的安全系數較之瑞典條分法較小，更接近工程的實際情況。

針對F-φ曲線所反映的規律，可以發現條塊模型法所計算的安全系數隨著巖體粘聚力的增大而增大，當粘聚力達到一定程度時，曲線出現明顯的突變，安全系數快速增加。對于此現象，通過對條塊模型法計算過程特點分析，可將條塊模型法計算的安全系數與粘聚力的變化過程分為三個階段，三個階段同為漸進破壞，但反映的物理意義各異。

第一階段，由于粘聚力較小，條塊單元殘余推力較大，處于坡體下方條塊的累計推力逐漸增大，相應的安全系數逐漸減小，此時處于坡體上端的條塊單元同時為控制條塊和啟動條塊，一旦坡體上端條塊失穩，就可能導致整個坡體失穩破壞。

第二階段，隨著粘聚力的增大，條塊單元殘余應力逐漸減小，條塊單元安全系數逐漸增大，抵抗破壞的能力增強。此時，坡體安全系數為各條塊單元安全系數的最大值。

第三階段，隨著粘聚力的持續增大，條塊單元殘余推力很小，安全系數快速增大，坡體上多數條塊都處于穩定狀態，即使啟動條塊失穩破壞，也不會導致坡體整體失穩。

5 邊仰坡不同破壞階段的控制措施

邊坡防治措施較多，常見的措施如圖10所示。邊仰坡的漸進破壞是一個隨著施工工序、時間變化的動態過程，因此，根據坡體不同的破壞階段，可制定針對性的防治措施。

圖10 隧道邊仰坡處置措施

5.1 初始滑移階段

初始階段邊仰坡滑移破壞幾乎都是由于隧道進洞產生的擾動造成的，該類型的破壞原因大致分為兩種：(1)進洞過程中，開挖順節理面方向，由于上覆巖體的開挖清除，使得坡體抗滑阻力減小，進而導致獨立塊體安全系數減小，導致坡體滑移破壞。(2)由于坡體破碎、巖體松散，開挖擾動易導致洞口塌陷破壞。

工程上常見的處理措施：采用土錨釘、錨索樁和抗滑樁等，加強滑移面的垂直壓力，以提高抗滑阻力，變被動受力為主動抗滑；采用群樁、復合擋土墻等鋼筋混凝土支擋結構；對坡體巖體進行錨噴支護，提高坡體的整體強度。

5.2 平穩蠕變階段

坡體經過初始滑移階段穩定后，邊仰坡巖體經過長期蠕變形成新的滑移面，此階段發展緩慢且不易察覺，坡體破壞程度較小。工程上常見的處理措施：灌縫處理出現的縫隙；采用砂漿錨桿或預應力錨索加固；優化開挖流程，減小開挖擾動和爆破荷載對坡體的影響。

5.3 快速沉降階段

由于爆破振動及施工擾動影響，平穩蠕變階段形成的滑移面進一步擴大，坡體內部的裂隙急劇擴展，進而導致滑移面的抗滑阻力減小，獨立塊體安全系數降低。當抗滑阻力小于下滑力時，坡體發生整體滑移破壞。此類破壞發生時大多可以由監控量測反映出來且坡體破壞征兆明顯，其處治措施復雜且整修范圍較大,投入資金較高。此類破壞發生時，應及時停工整改，進行坡體縱深支護處理，以穩定邊仰坡形態，重新制定邊仰坡防護措施。

6 現場處治

其古頂隧道邊仰坡滑移采用洞頂鋼花管注漿的處治方案。鋼花管從洞頂延伸至隧道開挖范圍，注漿方式為一次劈裂注漿。該方案一方面通過鋼花管注漿發揮限制邊仰坡滑移面、穩定滑移體的作用；另一方面通過注漿改善巖體的粘聚力，顯著提高了各條塊的安全系數。同時，通過對隧道開挖范圍內巖體的預注漿加固，使隧道開挖過程的穩定性得到提高，施工產生的擾動影響變小。

經過處治，其古頂隧道邊仰坡逐漸趨于穩定，在后續隧道開挖過程中，未發生類似的滑移情況，處治方案取得了預期效果。

7 結論

(1)邊坡破壞模式多種多樣，隧道邊仰坡巖體中節理面的存在，是影響隧道邊仰坡穩定性的關鍵因素，邊仰坡破壞基本都是巖體沿一個節理面或多個節理面組產生剪切破壞和錯動變形而造成的。

(2)提出了一種新的分析邊仰坡穩定性的方法，即條塊模型法。條塊模型法是一種基于邊仰坡漸進破壞的分析方法，它以坡體上條塊為研究單元，逐個條塊依次分析，確定條塊局部安全系數，最終確定坡體整體的安全系數。

(3)結合實際算例分析，對比了條塊模型法與瑞典條分法的優劣。結果表明，條塊模型法計算得出的安全系數更加準確，初步論證了條塊模型法的正確性。此外，對安全系數-粘聚力、安全系數-內摩擦角的關系進行了分析。

(4)分別對邊仰坡初始滑移階段、平穩蠕變階段和快速沉降階段的破壞機理進行了分析，并提出了具體的處治防護措施。