湖北省十白公路陽南溝隧道進口邊坡防護方案論證

田常兵,羅紅明,池澤成,潘　欣,劉光平,毛小敏

(1.湖北省十白高速公路建設指揮部，湖北 十堰 442000;2.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室,湖北 武漢 430071;3.中國地質大學(武漢)巖土鉆掘與防護教育部工程研究中心,湖北 武漢 430074;4.武漢生物工程學院,湖北 武漢 430415)

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湖北省十白公路陽南溝隧道進口邊坡防護方案論證

田常兵1,羅紅明2,3,池澤成2,潘欣1,劉光平1,毛小敏4

(1.湖北省十白高速公路建設指揮部，湖北 十堰 442000;2.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室,湖北 武漢 430071;3.中國地質大學(武漢)巖土鉆掘與防護教育部工程研究中心,湖北 武漢 430074;4.武漢生物工程學院,湖北 武漢 430415)

摘要：邊坡防護方案的合理有效是確保邊坡治理及邊坡長期穩定的關鍵，分析評價邊坡防護方案具有重要的工程意義。采用極限平衡方法對湖北省十堰至白河公路陽南溝隧道進口邊坡的穩定性進行了分析與評價，提出了整體加固和局部加固的綜合防護方案，并采用有限單元方法對邊坡防護方案進行模擬分析與評價，評估防護方案的合理性和有效性。結果表明：采取抗滑樁整體加固措施能保證邊坡整體穩定，可有效地控制邊坡的整體變形，減小邊坡變形對陽南溝隧道大橋橋墩的影響，而采取抗滑擋墻能有效地控制邊坡的局部穩定；整體加固和局部加固的邊坡綜合防護方案是合理的，可有效地確保陽南溝隧道進口邊坡在施工和運營期間的長期穩定。該研究可為類似地區邊坡的防護工程設計提供參考。

關鍵詞：隧道進口邊坡;極限平衡方法;綜合防護;有限單元法;防護方案論證

我國西部山區崇山峻嶺，溝壑縱橫交錯，地形地質情況復雜，高速公路隧道進、出口巖土體因風化而破碎，在隧道洞口削坡、隧道開挖等工程活動下，隧道進、出口邊坡的應力場發生重新調整，從而導致邊坡發生變形，在降雨或強降雨長期作用下，有可能引發滑坡，不僅對公路建設、運營安全和道路養護產生較大的影響，而且會損壞路面工程、路基工程、隧道工程，阻斷交通，甚至會迫使放棄已建成道路的使用。因此，山區高速公路隧道進口邊坡防治研究已成為影響西部山區高速公路建設的難題[1-2]。

湖北省十堰至白河公路陽南溝隧道進口邊坡為強風化絹云母鈉長石片巖，節理和裂隙發育，在開挖前自然斜坡未見明顯的變形和破壞現象，整體處于穩定狀態。由于隧道設計明洞長20 m，因此需要對自然邊坡進行開挖，在洞口部位形成了高陡邊坡，自然邊坡平衡被破壞，邊坡穩定性有所降低，表現為洞內局部變形和開裂，雖然仰坡采用噴錨支護，但仰坡土體的變形和開裂明顯，隧道拱頂截水溝附近有多條寬約2 cm的裂縫。在降雨等長期作用影響下，巖土體遇水易軟化，強度降低，必將使隧道進口邊坡穩定性進一步降低，造成局部或較大規模的變形破壞，因此需要對隧道進口邊坡等采取相應措施進行防護。而選擇合適的邊坡防護方案,不僅關系到工程建設的投資、施工難易程度,還涉及到施工期和營運期隧道進口邊坡的運行安全以及今后高速公路的維護管理等一系列問題[3-4]。

由于隧道進口邊坡防治工程往往存在很多不確定的因素，具有工程地質條件復雜、影響范圍大、后果嚴重等特點，因此在實際防治工程中需要對防護方案進行分析，并評價防護方案的合理性和有效性。一般來說，大多數的邊坡防護方案是在邊坡工程地質分析[5]和穩定性評價[6]的基礎上提出的，一般采用剛體極限平衡法來確定邊坡設計所需的推力，并根據推力的大小確定邊坡的防護方案，但該方法只能反映邊坡加固后的穩定性是否滿足設計規范要求，無法反映邊坡加固后的應力-應變和變形特征，單從穩定性方面是可以評價防護方案的合理性，卻不能評估防護方案的有效性。對于有變形控制要求的邊坡，該方法顯然不能適用，而有限元方法則成為邊坡防護方案評價的重要分析手段[7]。有限元分析不僅能評估邊坡加固前后的應力-應變規律，而且能評估邊坡加固前后的變形規律，一方面從應力-應變規律，可以評估邊坡防護方案控制邊坡穩定性的合理性，為防護方案的擬定提供重要的依據，另一方面從變形規律，可以評估邊坡防護方案控制邊坡變形的有效性[8-9]。因此，采用有限元分析方法來評價邊坡防護方案的有效性和合理性已成為邊坡防治研究的核心，并可為邊坡防護方案的確定和優化設計提供重要參考。

本文首先通過陽南溝隧道進口邊坡的工程地質環境條件的分析，判斷邊坡的可能變形失穩破壞地段和破壞方式，并建立陽南溝隧道進口邊坡穩定性分析模型；其次通過穩定性計算與分析，評價陽南溝隧道進口邊坡的穩定性；再次針對陽南溝隧道進口邊坡的工程地質條件和穩定性分析結果，提出了陽南溝隧道進口邊坡整體加固和局部加固的綜合防護方案；最后采用有限元方法對陽南溝隧道進口邊坡綜合防護方案進行模擬分析與評價，評估防護方案的合理性和有效性。

1陽南溝隧道進口邊坡工程地質環境

1.1邊坡工程地質條件

陽南溝隧道進口邊坡位于斜坡地帶(見圖1)，屬構造剝蝕丘陵-低山地貌區，位于溝谷西側，坡頂高程約290.0 m，谷底高程約210.0 m，坡高約80.0 m，隧道底板(高程262.00 m)以下的坡高約54.00 m，進口段溝谷邊坡呈臺階狀緩坡地形，地面坡度約20°左右，總體較緩，邊坡有多級小陡坎，邊坡中下部為公路，北側分布有民房。

隧址出口邊坡位于秦嶺褶皺系之東段，屬于南秦嶺印支冒地槽褶皺帶(南秦嶺構造帶)二級構造單元之武當山復背斜范圍之內，可見明顯的揉皺現象。邊坡區主要出露地層為中元古界武當山群(Pt2wd)片巖，節理裂隙較發育。

1.2邊坡地質結構

陽南溝隧道進口邊坡表層為中元古界強風化片巖，邊坡坡高約為80.0 m，坡長425 m，平均坡度為26°，坡面傾向107°，坡面傾向與巖層傾向夾角為52°，為巖質斜交坡。

邊坡強風化基巖厚約4.1～15.0 m，巖層為單斜構造，片巖片理產狀為55°～45°∠27°～30°，節理裂隙發育，主要發育兩組節理：第一組節理傾向為105°～130°，傾角為53°～59°，間距為20～30 cm，延伸長度大于5 m；第二組節理傾向為220°～240°，傾角為60°～70°，間距為10～50 cm，延伸長度一般為1～3 m。該邊坡節理赤平投影見圖2，可見邊坡不會沿結構面發生順層滑移。

圖1　陽南溝隧道進口邊坡地質剖面圖Fig.1　Engineering geological section plan of the entrance slope of Yangnangou tunnel

圖2　邊坡節理赤平投影Fig.2 Stereographic projection of slope

2陽南溝隧道進口邊坡防護方案

2.1邊坡穩定性評價

通過對陽南溝隧道進口邊坡工程地質條件和可能變化趨勢進行分析，可以得到該邊坡的可能變形失穩破壞地段和破壞方式有如下三種模式(見圖3)：①洞口仰坡發生從隧道口部位剪出的圓弧形滑移；②洞口下方的邊坡發生公路位置剪出的圓弧形滑移；③整個邊坡發生沿巖體分界面的整體折形滑移。

圖3　邊坡可能失穩破壞模式示意圖Fig.3　Possible failure mode of slope instability

根據邊坡失穩模式，邊坡圓弧形滑移擬采用Bishop法和Janbu法進行穩定性計算，邊坡折線形滑移擬采用Janbu法和Morgenstern-Price(M-P)法進行穩定性計算。邊坡穩定性計算考慮以下兩種工況：①正常工況，即邊坡處于天然狀態下的工況；②非正常工況Ⅰ，即邊坡處于暴雨或連續降雨狀態下的工況。但考慮到邊坡的施工情況，則需要進行原始邊坡和邊坡開挖后的穩定性計算。

采用以上計算方法對陽南溝隧道進口邊坡在原始狀況和開挖條件下的穩定性進行了計算，得到不同階段邊坡在正常工況和非正常工況Ⅰ條件下的穩定性系數，其計算結果見表1。

由表1可見，邊坡開挖后其整體穩定性略有增大，但邊坡穩定性系數增幅很??；而隧道仰坡的穩定性降低幅度最大，對隧道下方村級公路邊坡的穩定性影響最小。

通過對邊坡穩定性計算結果進行分析可知，陽南溝隧道進口邊坡在正常工況和非正常工況Ⅰ條件下整體處于穩定狀態；隧道下方村級公路邊坡的穩定性一般，安全儲備不高，在施工荷載及長期降雨和風化作用下，可能出現滑移失穩，一旦發生滑移失穩，有可能引起陽南溝隧道進口邊坡整體失穩；原始斜坡削坡和明洞開挖后，在隧道洞口形成高陡邊坡，其穩定性迅速降低，在正常工況和非正常工況Ⅰ條件下處于欠穩定狀態，處于臨界滑移狀態，在長期暴雨、施工爆破等不利作用下會發生滑動破壞。

表1　邊坡穩定性計算結果

2.2邊坡綜合防護方案的擬定

根據前面的邊坡穩定性分析，陽南溝隧道進口邊坡存在邊坡局部失穩的可能，為了確保陽南溝隧道進口仰坡、陽南溝大橋施工和運行安全，需要對邊坡進行防護(見圖4)，擬采取邊坡綜合的防護方案如下：

圖4　邊坡防護方案設計圖Fig.4　Design diagram of slope protection scheme

(1) 斜坡削坡和明洞開挖，洞口仰坡會發生從隧道口部位剪出的圓弧滑動，擬采用錨噴預加固措施防止洞口斜坡因開挖而發生失穩，但仍需在洞口位置增加抗滑樁墻，其基礎形式采用鋼管樁，長度須穿過強風化帶并進入弱風化片巖。

(2) 在長期降雨和風化作用下，隧道洞口邊坡巖土體的強度會進一步劣化，邊坡會發生沿強弱風化界面的蠕動變形，從而導致陽南溝大橋橋墩的水平推力增加，對大橋橋墩基礎的長期安全性有一定的影響，因此在陽南溝隧道進口段平臺下方擬采取抗滑樁支護措施，減小邊坡整體變形，有力保護大橋橋墩基礎。

(3) 在陽南溝隧道進口下方村級公路邊坡由于上方重載汽車荷載的作用，邊坡穩定性將進一步降低，易引起從公路位置剪出的圓弧形滑移，如果一旦發生失穩，有可能誘發陽南溝隧道進口邊坡整體失穩，因此在隧道下方村級公路邊坡擬采用抗滑擋墻防護措施。

(4) 通過邊坡穩定性計算與分析，結果表明降雨對邊坡的穩定性影響較大，因此必須采取邊坡排水措施，以減少降雨對邊坡的作用。

3陽南溝隧道進口邊坡防護方案評價

在前面邊坡穩定性分析的基礎上，采用有限元方法對陽南溝隧道進口邊坡加固后的應力場特征和變形規律進行模擬與分析，并評價邊坡防護方案的合理性和有效性。具體模擬步驟如下：①陽南溝隧道進口邊坡僅采取抗滑樁加固措施，分析抗滑樁加固邊坡整體穩定性的有效性；②在陽南溝隧道進口邊坡的洞口位置以及下方村級公路邊坡位置均采取抗滑擋墻，分析抗滑擋墻加固邊坡局部穩定性的有效性。

陽南溝隧道進口邊坡僅采取抗滑樁整體加固措施，邊坡的最大剪應變等值線見圖5，邊坡位移矢量圖見圖6。

由圖5和圖6可見，僅在邊坡采取抗滑樁加固措施后抗滑樁附近土體的位移很小，形成位移約束區，有利于減小上部土體對下部土體的滑動推力，對下部土體的位移有減小作用，減小了邊坡變形對大橋橋墩的推力，有力地保護了大橋橋墩；但僅采取抗滑樁加固無法控制較小洞口土體的變形，因此洞口仍需要設置適當的抗滑措施。

圖5　邊坡最大剪應變等值線圖(僅采取抗滑樁)Fig.5　Contour map of maximum shear strain of slope　　　(adopting anti-slide piles)

圖6　邊坡位移矢量圖(僅采取抗滑樁)Fig.6　Vector map of slope displacement　　　(adopting anti-slide piles)

陽南溝隧道進口邊坡的洞口位置以及下方村級公路邊坡位置均采取了抗滑擋墻，其邊坡剪應變等值線圖見圖7，邊坡位移矢量圖見圖8。

圖7　邊坡最大剪應變等值線圖(抗滑樁+　　　抗滑擋墻)Fig.7　Contour map of maximum shear strain of　　　slope(adopting anti-slide piles and　　　anti-slide retaining walls)

圖8　邊坡位移矢量圖(抗滑樁+抗滑擋墻)Fig.8　Vector map of slope displacement (adopting　　　anti-slide piles and anti-slide retaining walls)

通過對比圖5和圖7以及圖6和圖8可見，陽南溝隧道進口段設置抗滑樁墻，減小了洞口邊坡的剪應變，有利于隧道進口仰坡的穩定，位移也有一定程度的降低；邊坡下方村級公路邊坡位置采取抗滑擋墻后，邊坡位移有明顯的減小，使得邊坡的穩定性增加，有利于邊坡的穩定。

綜上分析可見，陽南溝隧道進口邊坡僅采取整體加固措施是可以確保邊坡的整體穩定，且能有效控制邊坡的蠕動變形，減小邊坡變形對陽南溝大橋橋墩的影響，但不足以確保邊坡的局部穩定，必須增加局部加固措施；而局部加固措施對提高隧道仰坡和村級公路的穩定性非常有效，有利于陽南溝隧道進口邊坡長期穩定?？偟膩碚f，陽南溝隧道進口邊坡采用整體加固與局部加固的防護方案是合理的，且能保證陽南溝隧道進口邊坡在施工和運營期間長期穩定。

4結論

(1) 通過對陽南溝隧道進口邊坡巖體結構面和工程地質條件的分析，邊坡不會沿結構面發生順層滑移，但有可能會發生從隧道口部位剪出和從公路位置剪出的局部圓弧形滑移以及發生沿巖體分界面的整體折線形滑動。

(2) 通過對陽南溝隧道進口邊坡穩定性進行計算分析，結果表明：陽南溝隧道進口邊坡整體處于穩定狀態；隧道下方村級公路邊坡的穩定性稍差，安全儲備不高，在施工荷載和長期降雨及風化作用下，可能出現滑移失穩，一旦發生滑移失穩，有可能引起陽南溝隧道進口邊坡整體失穩；洞口仰坡在正常工況和非正常工況Ⅰ條件下處于欠穩定狀態，處于臨界滑移狀態，在長期暴雨、施工爆破等不利因素作用下會發生滑動破壞。

(3) 針對陽南溝隧道進口邊坡的穩定現狀，并結合該邊坡可能的變形失穩模式和工程實際要求，提出了陽南溝隧道進口邊坡采取抗滑樁整體加固和抗滑擋墻局部加固的綜合防護方案。

(4) 通過對陽南溝隧道進口邊坡整體加固防護方案和綜合加固防護方案的有限元分析，結果表明：整體加固方案不僅能保證邊坡整體穩定，也能有效控制邊坡的蠕動變形，減小邊坡變形對陽南溝隧道大橋橋墩的影響，但不足以保證邊坡局部穩定；而綜合加固防護方案不僅能有效地控制邊坡整體蠕動變形，保證邊坡的整體穩定，也能保證陽南溝隧道進口邊坡的局部穩定，確保了陽南溝隧道進口邊坡在施工和運營期間長期穩定。

(5) 通過前面的分析，陽南溝隧道進口邊坡防護采取單一的加固措施不足以保證邊坡長期穩定的要求，本文結合邊坡的工程地質條件穩定性分析及防護要求，提出了整體加固與局部加固的綜合防護方案，可為類似地區邊坡的防護工程設計提供參考。

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Proof of Protection Scheme for Yangnangou Tunnel Entrance Slope of Shiyan-Baihe Expressway in Hubei Province

TIAN Changbing1,LUO Hongming2,3,CHI Zecheng2,PAN Xin1,LIU Guangping1,MAO Xiaomin4

(1.HubeiProvinceShibaiExpresswayConstructionCommand,Shiyan442000,China;2.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,InstituteofRockandSoilMechanics,ChineseAcademyofScience,Wuhan430071,China;3.EngineeringResearchCenterofRock-SoilDrilling&ExcavationandProtectionofMinistryofEducation,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China;4.WuhanInstituteofBioengineering,Wuhan430415,China)

Abstract:The reasonable and effective method of slope protection is the key to ensure the slope treatment and long-term stability,which has important engineering significance.This paper adopts the limit equilibrium method for the analysis and evaluation of Yangnangou tunnel entrance slope of Shiyan-Baihe Road in Hubei province.The paper also proposes a comprehensive protection scheme of overall strengthening combined with local reinforcement,simulates and analyzes the scheme by using FEM and evaluates the rationality and effectiveness of the protection scheme.The results show that the overall reinforcement measure by anti-slide piles can ensure the overall stability of the slope,and effectively control the slope deformation and reduce the influence of slope deformation on the bridge pier of the Yangnangou tunnel,while the anti-slide retaining walls can effectively control the local stability of the slope;the comprehensive slope protection scheme with both overall and local reinforcement is found to be reasonable and effective to ensure the long-term stability of Yangnangou tunnel entrance slope during construction and operation process.It will serve as a reference for the subsequent similar engineering design.

Key words:tunnel entrance slope;limit equilibrium method;comprehensive protection;finite element method;protection scheme proof

文章編號：1671-1556(2016)03-0140-06

收稿日期：2015-08-25修回日期：2015-12-01

基金項目：國家自然科學基金項目(41402318)；湖北省交通科技項目“環境變化與工程活動條件下滑坡體演化特征及其防治技術研究”；中國地質大(武漢)巖土鉆掘與防護教育部工程研究中心開放課題基金項目(201306)

作者簡介：田常兵(1978—)，男，碩士，高級工程師，主要從事橋梁、隧道工程技術方面的研究。E-mail:43078174@qq.com

中圖分類號：X93;P642

文獻標識碼：A

DOI：10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.03.024

通訊作者：羅紅明(1980—)，男，博士，助理研究員，主要從事巖土體工程特性及災害處治技術研究。E-mail:hmluo@whrsm.ac.cn