高速公路隧道洞口邊坡現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及穩(wěn)定性分析
2015-05-22
邊坡巖體的穩(wěn)定性受多種因素的影響，可以分為內(nèi)在因素和外在因素。內(nèi)在因素主要包括邊坡巖體的地層、組成邊坡巖體的巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖（土）體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力以及水的作用等；外部因素主要指邊坡形態(tài)的改造、氣象變化、震動(dòng)作用、工程荷載、植被作用以及人為因素的影響等。
1工程概況
1.1 地層巖性
隧址區(qū)地層上部為第四紀(jì)松散覆蓋層，下伏基巖有泥巖、頁(yè)巖、下統(tǒng)珍珠沖組砂質(zhì)泥巖以及三迭上統(tǒng)須家河組砂巖、中統(tǒng)雷口組泥灰?guī)r和頁(yè)巖、下統(tǒng)嘉陵江組灰?guī)r等。
根據(jù)鉆探資料隧址區(qū)的地下巖性以灰?guī)r為主，進(jìn)口部分局部為砂巖、頁(yè)巖，灰?guī)r中巖溶裂隙發(fā)育，雖然各鉆探孔內(nèi)為揭露有溶洞、空洞存在，但巖芯有明顯的溶蝕現(xiàn)象，說(shuō)明地下熔巖較為發(fā)育；同時(shí)物探勘察揭露有兩條溶飾裂縫發(fā)育帶，推測(cè)其深度達(dá)到或接近隧道的設(shè)計(jì)洞頂面；其余地段亦揭露有多處的溶洞、溶槽發(fā)育，將給隧道施工帶來(lái)較為不利的影響。
2 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析
2.1 原理分析
強(qiáng)度折減理論：將邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)（粘聚力 C和內(nèi)摩擦角值φ）均除以折減率F，得到一組新的C、φ，即經(jīng)過(guò)折減后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為：
C1 =C/Fφ1 =arctan[tanφ/F]
然后將 C 作為新的計(jì)算參數(shù)輸入 ,再進(jìn)行試算，直到計(jì)算沒(méi)有收斂為止 ,將沒(méi)有收斂的階段視為破壞 ,并將該階段的最大的強(qiáng)度折減率作為邊坡的最小安全系數(shù)，此時(shí)坡體達(dá)到極限狀態(tài)，發(fā)生剪切破。此外巖體按連續(xù)介質(zhì)處理，二維時(shí)采用平面應(yīng)變?nèi)切瘟?jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬，三維時(shí)采用結(jié)構(gòu)實(shí)體單元模擬，材料的本構(gòu)關(guān)系采用理想塑性模型，屈服準(zhǔn)則為莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則。
2.2模型的建立與參數(shù)取值
?、賲?shù)取值
根據(jù)實(shí)地工程調(diào)研，并參考《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中各級(jí)圍巖的物理力學(xué)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的選用，模型中各部分參數(shù)如下表2.1所示：
表2.1 模型參數(shù)取值
②邊坡開(kāi)挖前模型的建立
對(duì)尖峰嶺隧道洞口邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，根據(jù)實(shí)地調(diào)研與勘測(cè)，簡(jiǎn)略巖層位置和隧道位置的二維模型如圖2.1所示。計(jì)算時(shí)以Z軸為坐標(biāo)垂直方向，以X軸為水平方向，左下角為原點(diǎn)位置。在底部深度的取值時(shí)，由于下部基巖受到影響較小，故以隧道水平面向下取到20m的深度，模型的上部分取到邊坡的頂部，隧道洞口距離山體左側(cè)距離為20m，整個(gè)計(jì)算范圍為橫向X方向范圍50m，縱向Z方向范圍40m。
在二維模型中，有限元計(jì)算的模型并加以網(wǎng)格劃分后，模型的形狀如圖2.2所示（以Z軸為坐標(biāo)垂直方向，以X軸為水平方向），圖中，上層網(wǎng)格較密為土層， 中間部分網(wǎng)格為風(fēng)化巖層，下層為為基巖。
2.3 邊坡開(kāi)挖后的穩(wěn)定性分析
隧道開(kāi)挖以后，由于各種因素的影響，邊坡原有的平衡受到擾動(dòng)，穩(wěn)定性遭到破壞，出現(xiàn)變形以達(dá)到新的平衡，本節(jié)使用midas/GTS巖土與隧道分析系統(tǒng)模擬隧道開(kāi)挖情況，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，建立模型并劃分網(wǎng)格如圖2.2所示,圖中的三角區(qū)域?yàn)槟M洞口開(kāi)挖部分，開(kāi)挖后將不存在，模型材料的屬性同未加荷載狀態(tài)下的材料屬性，邊界條件與自重荷載與靜力荷載條件下相同，除去臨空面以外，其余三個(gè)面都分別施加X(jué)方向的約束，模型底面施加X(jué)方向和Z方向的約束條件，僅施加重力荷載。
從開(kāi)挖后的各方向和整體位移得出，邊坡開(kāi)挖后，開(kāi)挖區(qū)域附近大部分發(fā)生位移，巖體在強(qiáng)度折減的過(guò)程中發(fā)生了塑性變形，并且發(fā)生的區(qū)域較大，應(yīng)力集中的區(qū)域在坡腳，從最大剪切應(yīng)變圖中可以看出，潛在軟弱面的變形較未開(kāi)挖的時(shí)候大，邊坡的中下部發(fā)生了較大的剪切滑移。根據(jù)有限元強(qiáng)度折減法的原理，模擬出邊坡的安全系數(shù)為1.1875，在經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范要求之內(nèi)，但在洞口開(kāi)挖以后，邊坡洞頂部分的穩(wěn)定性是比較差的。如遇到雨水施工或者隧道內(nèi)施工產(chǎn)生的爆破震動(dòng)，邊坡是很容易發(fā)生垮塌的現(xiàn)象的，所以，在隧道洞口的施工過(guò)程中，正確的開(kāi)挖方法和支護(hù)手段是必要的。
3工程實(shí)際監(jiān)測(cè)分析
3.1邊坡沉降監(jiān)測(cè)
由于隧道的開(kāi)挖，使洞口邊坡應(yīng)力重新分布，破壞了邊坡巖土體相對(duì)平衡的應(yīng)力狀態(tài),導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)變形開(kāi)裂,并在薄弱部位形成滑動(dòng)面。特別是邊坡腳被破壞，使得邊坡腳附近的巖體出現(xiàn)剪應(yīng)力集中，對(duì)邊坡的穩(wěn)定造成影響。隧道開(kāi)挖后，為隧道上方巖體移動(dòng)提供了臨空面，導(dǎo)致隧道上方巖體向隧道內(nèi)移動(dòng)；在埋深較淺的洞口段會(huì)出現(xiàn)地表沉降，使得邊坡蠕動(dòng)變形。由于洞口段覆蓋層較薄，邊坡受爆破震動(dòng)的影響很大。爆破沖擊波向四周?chē)鷰r傳播時(shí)，會(huì)對(duì)巖體產(chǎn)生拉應(yīng)力，使得巖體產(chǎn)生拉伸破壞，對(duì)邊坡穩(wěn)定十分不利。另外，地下水會(huì)對(duì)邊坡產(chǎn)生浮托力、靜水壓力和動(dòng)水壓力,并且能大幅降低巖體的強(qiáng)度,從而加劇邊坡的不穩(wěn)定。大氣降水的沖刷也會(huì)直接對(duì)邊坡產(chǎn)生破壞。
2011年8月1日2011年10月30日期間，對(duì)隧道進(jìn)口端變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別進(jìn)行了多次監(jiān)測(cè)工作。各點(diǎn)變形量數(shù)據(jù)見(jiàn)表3.1所示。（單位：mm）。
3.2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析
對(duì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，沉降變化量最大的是8月22日和10月16號(hào)。
可知8月22日和10月26日邊坡的沉降相對(duì)量比較大，由于邊坡暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，并有大量的雨水滲入坡體，使巖土體飽和，重力增加，下滑力變大，巖土體抗剪強(qiáng)度受到了一定的影響。
從中可以看出，1#，2#，8#，9#幾個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置離洞口比較遠(yuǎn)，施工過(guò)程和其他因素對(duì)這幾個(gè)點(diǎn)的影響不大，所以這幾個(gè)點(diǎn)的沉降相對(duì)比較穩(wěn)定，而對(duì)于3#，4#，5#，6#，7#這幾個(gè)測(cè)點(diǎn)的觀(guān)測(cè)來(lái)看，由于這幾個(gè)點(diǎn)的位置位于洞口的正上方，施工過(guò)程中對(duì)這幾點(diǎn)的影響較大，另外監(jiān)測(cè)這些數(shù)據(jù)的時(shí)期內(nèi)，隧道內(nèi)掘進(jìn)比較快，且以陰雨天氣較多，所以導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)沉降較大，最終導(dǎo)致了局部的小范圍滑坡，及時(shí)采取錨桿和噴漿支護(hù)等加固措施。
4結(jié)論
經(jīng)過(guò)后期的觀(guān)測(cè)，次沉降量減小。邊坡趨于穩(wěn)定，并與數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)相比較，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和分析我們可以得到以下的結(jié)論：
?、?nbsp;隧道洞口的施工，合理的施工方式以及合理的結(jié)構(gòu)施工時(shí)間對(duì)洞口邊坡的穩(wěn)定性至關(guān)重要，應(yīng)盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，加強(qiáng)支護(hù)；
?、?nbsp;及時(shí)支護(hù)隧道洞口結(jié)構(gòu)：錨桿，混凝土澆筑等，使邊坡以形成合理的受力體系；
?、?nbsp;加強(qiáng)隧道進(jìn)洞施工期間的施工監(jiān)控，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性分析以及發(fā)展，具有重要的指導(dǎo)意義。
