公路隧道正交下穿邊坡與軟弱夾層圍巖穩定性分析

陳家征,李 忠*,韓 煬

(1.石家莊鐵道大學 土木工程學院,河北 石家莊 050043;2.石家莊鐵道大學 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室,河北 石家莊 050043)

近年來,隨著我國隧道建設的蓬勃發展,大量公路隧道在山嶺地區修建,但由于山嶺地區地形地質條件復雜且受路線限制,隧道施工過程中,往往會正交下穿邊坡,使得隧道-邊坡結構形成同一整體,導致受力和破壞模式較為復雜[1-3],因此分析隧道-邊坡正交體系下的圍巖穩定性是隧道安全施工建設亟待解決的問題[4-5]。

目前為止,已有眾多專家學者對邊坡穩定性方面做了相關研究。曹雪等[6-7]將利用有限元強度折減法,將巖土體強度參數黏聚力和內摩擦角不斷折減,得出邊坡穩定安全系數,并顯示坡體實際滑動面。李志佳等[8]使用強度折減法研究不同邊坡角度、邊坡高度等因素對土質邊坡穩定性的影響,并采用灰色關聯度理論對各因素進行敏感性分析。靳曉光等[9]對巖土材料在不同應力情況下的破壞特征進行分析,指出巖土結構強度指標應包括黏聚力、內摩擦角和抗拉強度,并通過算例模型驗證理論的正確性。袁維等[10]提出一種考慮變形和強度參數協調折減方案,并探討彈性模量、泊松比和抗拉強度對塑性區和安全系數的影響。蔡元成等[11-13]依托某隧道,研究邊坡角度、土體含水率等因素對邊坡穩定性的影響,并對不同支護措施及其參數下的邊坡加固技術效果進行評價,以監測數據驗證其有效性。

從上述研究來看,目前針對邊坡穩定性和支護措施的研究成果極為豐富。但關于隧道正交下穿邊坡與軟弱夾層的圍巖穩定性研究較少,同時針對隧道-邊坡的安全系數求解大多采用的是抗拉剪強度非同步折減法,過高的估算圍巖材料的抗拉強度值,使得安全系數偏大,因此有必要應用現有的抗拉剪強度同步折減法理論,研究隧道正交下穿邊坡與軟弱夾層的圍巖穩定性,給類似工程提供參考借鑒價值。

1 抗拉剪強度折減法原理

1.1 抗拉剪強度非同步折減法

在常規三軸試驗下,巖土體的脆性破壞只有剪切破壞,在受壓時也往往受剪破壞。但當有拉應力時,當某一節點的最大拉應力超過巖土體抗拉強度時,則同樣會破壞。因此巖土體材料具有剪切、張拉破壞特征,在受壓時由抗剪強度決定其是否破壞,受拉時則由抗拉強度決定其是否破壞。

目前大多采用的強度折減法,僅對M-C屈服準則中的黏聚力c和內摩擦角φ折減。當σ1=σ2=0,σ3=-σt時,可以得到σt。

(1)

式中,c—黏聚力,Pa;φ—內摩擦角,(°);σt—巖土體材料單軸抗拉強度,Pa。

(2)

(3)

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由式(4)可知,在抗剪強度指標c、φ折減過程中,抗拉強度σt并未同等減少。例如:當φ=45°的巖土體材料,當F=10,Ft=4.58,說明當抗剪強度折減為原來的1/10時,單軸抗拉強度僅減少為原來的1/4.58。因此在原來的強度折減法中過高地估算了巖土體材料的抗拉性能,導致計算的安全系數偏大,不利于為隧道施工和支護設計提供參考。

(5)

1.2 抗拉剪強度同步折減法

由于巖土體的抗拉強度較低,一般為抗壓強度的1/10。而在M-C屈服準則下的強度折減法確定的巖土體抗拉強度不符合實際情況,因此提出增加抗拉強度指標T對M-C屈服準則進行拉伸截斷,而基于拉伸截斷的M-C屈服準則提出的強度折減法,稱其為抗拉剪強度同步折減法,通過該方法計算得到巖土體結構安全系數表示結構強度儲備大小。

安全系數即強度儲備,巖土體材料強度包括抗拉強度和抗剪強度,因此在強度折減時應將抗拉和抗剪強度指標同時同步進行折減。

(6)

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(8)

式中,c′—折減后的黏聚力,Pa;φ′—折減后的內摩擦角,(°);T—抗拉強度,Pa;T′—折減后的抗拉強度,Pa。

1.3 圍巖穩定性分析指標

1.3.1 圍巖最大剪應變增量判據

圍巖最大剪應變增量是現在圍巖穩定性判定最常用的研究手段,其主要通過建立數值模型,在模擬隧道開挖后,查看其最大剪應變增量云圖,運用云圖來對圍巖穩定性進行分析。其具體的判別原則是觀察云圖中圍巖剪切應變的大小,剪切應變數值越大,則表示圍巖受剪切破壞的風險也越大,進而圍巖穩定性越差,同時從云圖中可以看出圍巖最易受到剪切破壞的位置。

1.3.2 圍巖塑性區判據

圍巖塑性區是圍巖穩定性的重要分析指標之一,其分布范圍和發展趨勢是判斷圍巖是否會進一步破壞的重要依據。圍巖塑性區判據是在巖體強度判據的基礎上發展而來。因隧道開挖不可避免造成圍巖應力集中,當剪應力超過巖土體抗剪強度后,隧道周圍會出現破壞區。即當某一測點的巖土體受到隧道開挖的影響而屈服時,說明此時該測點的應力狀態已從彈性狀態轉變為塑性狀態。因此常用塑性區大小來判斷隧道圍巖穩定性。一般而言,圍巖的強度越大,開挖過程中產生的塑性區越小,相反圍巖的強度越小,開挖過程中產生的塑性區越大,同時在隧道開挖過程中塑性區變化可在一定程度上反映圍巖失穩的演化過程。

2 工程地質概況及計算模型

2.1 工程地質概況

依托某隧道邊坡擬擴建公路工程,隧道設計為單洞雙車道雙向行駛,地表傾角為30°～65°,上覆土層厚度較淺。隧道洞口段的中風化泥巖中節理裂隙呈微張狀,發育較為嚴重,洞身段為強風化泥巖,圍巖穩定性較差,屬于Ⅳ級圍巖。綜合判斷確定隧道圍巖等級為Ⅴ級,隧道出露段由土層全部覆蓋,邊坡安全等級屬于一級。經鉆孔地質勘查可知,擬擴建公路隧道邊坡一旦施工開挖后,在隧道拱頂處將會形成臨空面,邊坡存在滑塌的風險較大,影響邊坡整體穩定性。

2.2 基本假設

(1)圍巖為各向同性、連續、均勻介質,采用M-C彈塑性本構模型;(2)因隧道淺埋,圍巖初始應力場僅考慮自重應力;(3)不考慮地下水對圍巖和支護結構的影響。

2.3 模型建立

采用FLAC3 D有限差分軟件,建立三維數值模型,基于圣維南原理[14],模型左右邊界取3～5倍洞徑,為98 m,模型上邊界取至地表面,下邊界取4倍洞徑,為81 m,縱向開挖長度為5 m,如圖1所示。隧道斷面尺寸按照標準的公路雙車道隧道輪廓尺寸選取,隧道寬12.84 m,高10.27 m,如圖2所示。模型除表面外,左右、前后側均施加水平約束,底部施加法向約束。

圖1 二維模型示意圖

圖2 隧道斷面尺寸圖(單位:mm)Fig.2 Section size of tunnel(unit:mm)

2.4 參數選取

根據《公路隧道設計規范》[15],結合室內模型試驗,得到圍巖和支護結構物理力學參數,見表1。

表1 圍巖材料參數表Tab.1 Table of material parameters of surrounding rock

3 結果分析

3.1 不同邊坡坡度的影響

在隧道-邊坡正交體系工程設計中,邊坡坡度的大小與地質和水文狀況、路基填料、坡體高度等影響因素有關。但是目前針對隧道-邊坡正交體系的研究中,關于邊坡坡度對隧道穩定性的影響較少,特別是當圍巖中存在軟弱夾層的情況,至今尚不明確不同邊坡坡度下的隧道-邊坡正交體系的受力特性,以至于僅依據工程類比法進行設計,缺乏理論基礎研究。

因此,針對不同邊坡坡度下的隧道-邊坡正交體系圍巖穩定性變化規律進行分析。設置邊坡坡度分別為40°、50°、60°、70°共四個工況組。各工況下隧道-邊坡的相對位置關系如圖3所示。

圖3 不同邊坡坡度計算模型(單位:cm)Fig.3 Calculation models for different slope gradients (unit: cm)

3.1.1 最大剪切應變增量分析

從圖4(a)—(d)可知,隨著邊坡坡度的不斷增大,圍巖最大剪切應變值不斷增加,從2.468 1增加至4.979 6,增加了2.511 5。同時隨著邊坡坡度的不同,圍巖最大剪切應變范圍有所差別。當邊坡坡度為40°～50°時,在軟弱夾層與邊坡坡腳相交處存在剪切應變,且沿著軟弱夾層方向不斷延伸至隧道右拱腳,隧道左右拱肩處也出現大范圍剪切應變并不斷向地表面和邊坡坡面延伸直至貫通。當邊坡坡度為60°～70°時,因隧道右側與邊坡的距離逐漸減小,使得隧道右拱肩和右拱腳處出現大范圍的剪切應變并逐漸向邊坡坡面延伸直至貫通,隧道左拱肩的剪切應變逐漸向地表面延伸,但并未貫通。說明隨著邊坡坡度的不斷增加,最大剪切應變延伸貫通的范圍不同,因此針對具體工程中的邊坡坡度,應對隧道和邊坡不同位置采取支護措施,保證圍巖穩定性。

圖4 不同邊坡坡度下圍巖剪切應變增量云圖Fig.4 Cloud diagram of shear strain increment of surrounding rock under different slope gradients

3.1.2 塑性區分析

從圖5(a)—(d)可知,當邊坡坡度為40°時,塑性區在隧道右側大范圍集中分布,從隧道右拱肩向邊坡坡面延伸直至貫通,從隧道右拱腳沿著軟弱夾層向邊坡坡腳延伸直至貫通形成破壞區。隧道左側塑性區主要集中在隧道肩處,并逐漸向地表面延伸直至貫通。當邊坡坡度為50°～70°時,塑性區以軟弱夾層為分界線,集中分布在其上部,從隧道右側向邊坡坡面延伸,直至全部貫通,從隧道左拱肩延伸貫通至地表面。因此當隧道-邊坡為正交體系且與軟弱夾層相交時,應著重注意隧道與軟弱夾層相交的上部,及時加強監測和支護。

圖5 不同邊坡坡度下圍巖塑性區云圖Fig.5 Cloud diagram of plastic zone of surrounding rock under different slope gradients

從表2可知,隨著邊坡坡度的增大,無論是否存在軟弱夾層、采用何種理論計算,隧道-邊坡正交體系下圍巖穩定性安全系數均不斷減小,因此邊坡坡度的變化對圍巖穩定性的影響較大,更應深入研究。研究不同情況下的安全系數可以發現,在無軟弱夾層時采用同步折減法理論計算安全系數最大,當存在軟弱夾層時不論采用何種理論計算,得到的安全系數均較小,說明軟弱夾層對圍巖穩定性的影響較大,應著重關注。存在軟弱夾層時,采用非同步折減法理論計算的安全系數比同步折減法高,主要因為同步折減法理論將抗拉強度與抗剪強度同步折減,而非同步折減法中抗拉強度折減較小,導致過高地估算巖土體材料的抗拉性能,使得計算的安全系數偏大。

表2 不同邊坡坡度隧道-邊坡圍巖穩定性安全系數表Tab.2 Table of Safety factors for stability of tunnel-slope surrounding rock with different slope gradients

3.2 不同隧道埋深的影響

因不同隧道埋深會使得隧道位于邊坡內不同位置,同時不同覆蓋層厚度會使得隧道穿越軟弱夾層位置不同,對隧道-邊坡圍巖穩定性造成不同影響。所以針對不同隧道埋深下的隧道-邊坡圍巖穩定性進行分析。設置隧道埋深分別為15、20、25、30 m共四個工況組。各工況下隧道-邊坡的相對位置關系如圖6所示。

圖6 不同隧道埋深計算模型(單位:cm)Fig.6 Calculation models for different tunnel burial depths (unit: cm)

3.2.1 最大剪切應變增量分析

從圖7(a)—(d)可知,隨著隧道埋深的逐漸增大,最大剪切應變增量呈現先增大再減小后增大的變化趨勢,當隧道埋深從15 m增加到20 m時,剪切應變從0.893 4增加至2.667,當隧道埋深從25 m增加到30 m時,剪切應變從1.331 8增加至1.866 0。當隧道埋深為15～20 m時,軟弱夾層與邊坡坡面相交,剪切應變在相交處集中分布并沿著軟弱夾層向隧道右拱腳延伸直至貫通,在隧道左右拱肩處集中分布剪切應變并逐漸向地表面延伸。當隧道埋深為20～25 m時,軟弱夾層與邊坡右坡面相交,位于邊坡坡腳以下時,剪切應變在邊坡坡腳處集中分布并逐漸延伸至隧道右拱腳處貫通,同時在隧道右拱肩和左拱肩處出現大范圍的剪切應變,并逐漸延伸至邊坡坡面和地表面直至貫通。說明隨著隧道埋深的逐漸增大,剪切應變增量分布范圍逐漸擴大,同時當隧道埋深增加到一定值且軟弱夾層的位置在邊坡坡腳以下時,剪切應變直接在邊坡坡腳處集中分布,并延伸至隧道右拱腳形成潛在滑移面,因此針對不同隧道埋深、不同軟弱夾層與邊坡相交的位置,應采取不同的支護措施,以控制圍巖穩定。

圖7 不同隧道埋深下圍巖剪切應變增量云圖Fig.7 Cloud diagram of shear strain increment of surrounding rock under different tunnel depths

3.2.2 塑性區分析

從圖8(a)—(d)可知,隨著隧道埋深的不斷增加,塑性區范圍基本集中分布在隧道與軟弱夾層相交的上部。當隧道埋深為15～20 m時,在隧道右側,塑性區從右拱腳處向軟弱夾層與邊坡坡面相交處延伸直至貫通,從左右拱肩處向地表面和邊坡坡面延伸直至貫通。當隧道埋深為25～30 m時,雖然此時軟弱夾層與邊坡最右側坡面相交,位于邊坡坡腳以下,但塑性區基本從邊坡坡腳處延伸至隧道右側,在隧道周邊大范圍貫通,同時從隧道拱肩和左拱肩處貫通至地表面。隨著隧道埋深的不斷增大,圍巖塑性區體積不斷增大,主要是因為埋深越大隧道上覆土越厚,重力作用增加。

圖8 不同隧道埋深下圍巖塑性區云圖Fig.8 Cloud diagram of plastic zone of surrounding rock under different tunnel depths

從表3可知,隨著隧道埋深的不斷增大,邊坡無論是否存在軟弱夾層、采用何種理論計算,隧道-邊坡正交體系下圍巖穩定性安全系數均先減小再增大,但隧道埋深對圍巖穩定性安全系數的變化較小。當無軟弱夾層時,計算得出安全系數較大,說明軟弱夾層對圍巖穩定性存在一定影響。當存在軟弱夾層時,采用非同步折減法計算的安全系數普遍高于同步折減法的安全系數,主要因為采用非同步折減法過高的估計材料抗拉強度,使得計算的安全系數偏大,不利于為隧道施工和支護設計提供參考。因此采用同步折減法對評價隧道—邊坡正交體系下圍巖穩定性較為適用。

表3 隧道-邊坡圍巖穩定性安全系數表Tab.3 Table of Safety factors for stability of tunnel-slope surrounding rock

4 結論

1)隨著邊坡坡度的不斷增加,圍巖最大剪切應變數值和分布范圍逐漸增大,但貫通范圍不同。當坡度為40°～50°時,剪切應變延伸直至與地表面和邊坡面貫通。當坡度為60°～70°時,剪切應變逐漸延伸但并未與地表面貫通。

2)隨著隧道埋深的不斷增加,圍巖最大剪切應變數值呈現先增大再減小后增大的變化趨勢,但其分布范圍不斷增大。當埋深為15～20 m時,剪切應變在軟弱夾層與邊坡面相交處、隧道左右拱肩處分布。當埋深為20～25 m時,剪切應變在邊坡坡腳處集中分布并逐漸延伸至隧道右拱腳處貫通,同時在隧道左右拱肩處逐漸延伸直至與邊坡面和地表面貫通。

3)隨著邊坡坡度和隧道埋深的不斷增加,圍巖塑性區范圍不斷增大,但基本集中分布在隧道與軟弱夾層的上部,在隧道左右拱肩、右拱腳和拱頂處不斷延伸直至地表面和邊坡面。

4)隨著邊坡坡度的不斷增加,無論是否存在軟弱夾層、采用何種理論計算,隧道-邊坡正交體系下圍巖安全系數均不斷減小,而在隧道埋深的不斷增加下,安全系數呈現先減小再增大的變化趨勢。當無軟弱夾層時計算的安全系數最大,說明軟弱夾層對圍巖穩定性的影響較大,應著重關注。當存在軟弱夾層時,采用非同步折減法計算的安全系數比同步折減法高。