孙孝敏

(中交公路养护工程技术有限公司 北京市 100089)

近些年，随着我国中西部地区交通基础设施建设的快速发展，出现了许多黄土隧道。由于黄土特殊的环境地质与地貌特征，在黄土地区修建隧道工程时，常会遇到黄土边坡稳定性及变形问题[1-2]。隧道洞口坡体在施工过程中易发生滑塌等地质灾害，坡体的稳定性直接关系到隧道能否安全顺利进洞，如何治理由边坡滑塌产生的灾害问题成为一大难题[3-4]。

以某高速公路隧道为例，根据拟建隧道边坡的工程地质条件及边坡设计的实际情况，采用理正软件分析隧道洞口边坡在自然、暴雨、地震工况下的稳定性。结合边坡设计支护情况，利用plaxis有限元软件，分析边坡在支护前后隧道边坡应力分布及位移变化情况，验证设计合理性，为今后类似工程提供设计借鉴。

1 自然地理概况

拟建隧道位于定西市团结镇北侧3km处，有乡村便道相通，交通较为不便。

研究区属于温带半干旱气候区。总的气候特点是：降水稀少，干燥寒冷，昼业温差大，冬季较长。据多年气象资料统计：多年平均降雨量约390mm。境内降水分布很不均匀，区域降水量从西向东递减。

隧址区沟道内有地下水出露，但水量较小，形成小股流水，由于下渗和蒸发的原因，断流较严重。拟建隧道区址主要河流是关川河，隧道出口位于东河的关门口沟内。

2 隧道洞口工程地质条件

拟建隧道属黄土梁峁区，地势西南高东北低。隧道穿越关川河东河与西河之间的贺家岔山梁，最高海拔为2220m，最低海拔2020m，相对高差200m。洞口为黄土斜坡，坡度6～15°，坡面走向与隧道走向大角度相交。

3 岩土体物理力学性质评价

隧道围岩类型主要为上更新统黄土，上部为风积黄土，下部冲积黄土。

(1)风积黄土层厚在20～75m，天然含水率平均值14.93%，天然密度平均值1.71g/cm3，孔隙比平均值0.92，液限含水率平均值26.23%，塑限含水率平均值17.86%，塑性指数平均值8.37，液性指数平均值0.07，湿陷性平均值0.048，自重湿陷性系数平均值0.036，湿陷性等级Ⅳ级，粘聚力平均值26.70kPa，标准值21.91kPa，内摩擦角平均值25.84°，标准值23.50°。

(2)冲积黄土粘粒含量略高于上部风积黄土，孔隙也较小，下部孔隙很少，根据钻孔揭露局部软塑，发生缩孔。

总体上，冲积黄土含水率平均值21.41%，天然密度平均值2.0g/cm3，孔隙比平均值0.65，液限含水率平均值29.09%，塑限含水率平均值18.03%，塑性指数平均值11.06，属粉质粘土夹粉土，液性指数平均值0.38，可塑。压缩系数平均值0.26MPa-1，标准值0.31MPa-1，压缩模量平均值7.88MPa，压缩模量标准值7.23MPa，中压缩性土。粘聚力平均值25.43kPa，标准值23.33kPa，内摩擦角平均值23.80°，标准值22.65°。

4 隧道边坡稳定性评价

4.1 参数的确定

本次所分析边坡位置处共布设3个钻孔，根据勘察及钻孔资料分析，该隧道出口边坡的物质组成主要为风积黄土和冲积黄土，计算参数的选取结合边坡的稳定状态，类比同类工程经验的基础上，采用综合取值法进行确定，具体取值见表1所示。

表1 各土层参数取值表

4.2 边坡稳定分析计算

隧道边坡稳定性分析分三种工况进行计算，即天然工况、暴雨工况和地震工况[5-9]。为保证勘察工作的有效性，以及保证治理设计工程的安全可行性，结合该边坡的实际情况，采用理正软件进行计算，具体结果见表2所示。

表2 理正软件边坡稳定性计算结果

根据《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2013)[10]规定，经计算，该隧道出口左线边坡在天然工况下欠稳定，安全系数为1.25，最终剩余下滑力为168.8kN；在暴雨工况和地震工况下不稳定：在暴雨工况下，安全系数为1.15，最终剩余下滑力为354.7kN；在地震工况下，安全系数为1.10，最终剩余下滑力为405.2kN。

5 隧道边坡设计参数

根据隧道设计资料要求，进洞前，应严格按图纸及施工规范要求施作边、仰坡的锚、喷、网支护，应从上到下分级开挖、支护，明洞及明洞回填应及时施作；及时完成明洞、明洞回填及洞门结构后，方可进行暗挖进洞作业。团结隧道出口边坡采用削坡处置，分三级坡，从上至下分级开挖，采用喷、锚、挂网防护，3.5m锚杆，20cm×20cmΦ6钢筋网，喷混凝土采用C20混凝土。厚8cm，隧道拱顶预留变形量30cm。

6 设计边坡变形特征分析

6.1 有限元网格划分

根据隧道边坡设计特征，运用Plaxis岩土有限元分析软件建立计算模型，采用自动划分网格法对模型进行网格划分，网格类型为15节点三角形单元，进行网格划分时，对设计边坡的坡脚及锚杆加固区域进行局部细化，以提高计算精度，计算模型共划分572个单元，1986个节点，网格划分结果见图1所示。

6.2 边界条件定义

根据边坡实际情况对边界条件进行定义。在本模型中，假定竖直方向深度10m范围以外，在重力作用下，边坡产生的位移变形为零，因此，对模型底部进行固定；假定水平方向左侧10m范围以外，水平位移为零，故模型左侧固定；模型右侧为隧道出口明暗洞交接处，隧道掌子面未开挖时，通常采用锚杆及喷射混凝土做封闭处理，故假定水平位移为零，因此模型右侧固定。

6.3 计算参数的选取

土体材料的物理力学参数主要根据岩土工程勘察资料并查阅相关参考文献进行取值，其具体取用的参数，如表3所示。

表3 各层土体物理力学参数取值

在Plaxis有限元软件中，锚杆自由端采用点对点锚杆模拟，锚固端采用土工格栅单元模拟。

采用Plaxis中的分步施工模拟锚杆未加固时初始设计边坡的稳定状况，此时锚杆显示为灰色；模拟锚杆加固后边坡稳定状况，施加锚杆作用力，此时锚杆呈黄色，具体见图2及图3所示。

6.4 计算结果分析

(1)土体应力特征分析

土体应力特征分析采用Plaxis软件中的塑性分析方法，在重力作用下，土体的应力发生变化。图2及图4分别为锚杆为未支护时隧道边坡土体应力变化及锚杆支护加固后隧道边坡土体应力变化。根据图2可知，随着深度的增加，土体应力随深度呈逐渐增大的趋势，在边坡底部应力达到最大值，应力最大值达857.95kN/m2。通过对比锚杆支护前后土体应力可知，锚杆未支护时，边坡坡脚处表现为应力集中，并且有向隧道洞口扩散趋势；锚杆支护加固后，隧道边坡坡脚处应力明显减小，说明锚杆对边坡稳定起到了良好的加固效果。

(2)最大水平及竖向位移

在土体重力作用下，锚杆未加固时的水平位移云图如图4所示，竖向位移云图如图5所示；锚杆加固后的水平位移云图如图6所示，竖向位移云图如图7所示。

根据plaxis有限元计算结果可知，锚杆未加固时，隧道边坡水平位移达68.70mm，垂直位移达42.70mm。锚杆加固后，隧道边坡水平位移达13.33mm，垂直位移达12.79mm。从位移云图上看，锚杆未加固时，水平位移最大值主要集中在边坡坡面处，沿软弱滑动面横向挤出，最大达到68.70mm。锚杆加固后，水平位移明显减小，尤其在锚杆加固区范围内起到了良好的加固效果，能够满足设计要求，水平位移最大值仅有13.33mm；锚杆未加固时，竖向位移最大值达68.70mm，主要集中在上部土层。锚杆加固后，竖向位移明显减小，竖向位移最大值仅有12.79mm；随着隧道掌子面开挖，锚杆支护能够起到很好的加固作用，竖向位移远小于隧道设计预留变形量，验证了设计合理性。

7 结论

(1)根据理正软件计算结果可知，原始坡面在天然工况下欠稳定，在暴雨工况和地震工况下不稳定。

(2)运用plaxis有限元分析锚杆支护前后隧道边坡应力变化可知，锚杆未支护时，边坡坡脚处表现为应力集中，并且有向隧道洞口扩散趋势；锚杆加固后，隧道边坡坡脚处应力明显减小。

(3)锚杆支护后，隧道洞口边坡的水平位移和竖向位移均减小，能够满足隧道设计预留变形量要求，起到良好的加固效果，同时，验证了设计的合理性。