高速公路隧道洞口边坡现场监测及稳定性分析
2015-05-22
边坡岩体的稳定性受多种因素的影响，可以分为内在因素和外在因素。内在因素主要包括边坡岩体的地层、组成边坡岩体的岩性、地质构造、岩（土）体结构、地应力以及水的作用等；外部因素主要指边坡形态的改造、气象变化、震动作用、工程荷载、植被作用以及人为因素的影响等。
1工程概况
1.1 地层岩性
隧址区地层上部为第四纪松散覆盖层，下伏基岩有泥岩、页岩、下统珍珠冲组砂质泥岩以及三迭上统须家河组砂岩、中统雷口组泥灰岩和页岩、下统嘉陵江组灰岩等。
根据钻探资料隧址区的地下岩性以灰岩为主，进口部分局部为砂岩、页岩，灰岩中岩溶裂隙发育，虽然各钻探孔内为揭露有溶洞、空洞存在，但岩芯有明显的溶蚀现象，说明地下熔岩较为发育；同时物探勘察揭露有两条溶饰裂缝发育带，推测其深度达到或接近隧道的设计洞顶面；其余地段亦揭露有多处的溶洞、溶槽发育，将给隧道施工带来较为不利的影响。
2 边坡稳定性数值模拟分析
2.1 原理分析
强度折减理论：将边坡岩土体物理力学参数（粘聚力 C和内摩擦角值φ）均除以折减率F，得到一组新的C、φ，即经过折减后的抗剪强度指标为：
C1 =C/Fφ1 =arctan[tanφ/F]
然后将 C 作为新的计算参数输入 ,再进行试算，直到计算没有收敛为止 ,将没有收敛的阶段视为破坏 ,并将该阶段的最大的强度折减率作为边坡的最小安全系数，此时坡体达到极限状态，发生剪切破。此外岩体按连续介质处理，二维时采用平面应变三角形六节点实体单元模拟，三维时采用结构实体单元模拟，材料的本构关系采用理想塑性模型，屈服准则为莫尔-库伦准则。
2.2模型的建立与参数取值
①参数取值
根据实地工程调研，并参考《公路隧道设计规范》中各级围岩的物理力学指标标准值的选用，模型中各部分参数如下表2.1所示：
表2.1 模型参数取值
②边坡开挖前模型的建立
对尖峰岭隧道洞口边坡的稳定性进行分析，根据实地调研与勘测，简略岩层位置和隧道位置的二维模型如图2.1所示。计算时以Z轴为坐标垂直方向，以X轴为水平方向，左下角为原点位置。在底部深度的取值时，由于下部基岩受到影响较小，故以隧道水平面向下取到20m的深度，模型的上部分取到边坡的顶部，隧道洞口距离山体左侧距离为20m，整个计算范围为横向X方向范围50m，纵向Z方向范围40m。
在二维模型中，有限元计算的模型并加以网格划分后，模型的形状如图2.2所示（以Z轴为坐标垂直方向，以X轴为水平方向），图中，上层网格较密为土层， 中间部分网格为风化岩层，下层为为基岩。
2.3 边坡开挖后的稳定性分析
隧道开挖以后，由于各种因素的影响，边坡原有的平衡受到扰动，稳定性遭到破坏，出现变形以达到新的平衡，本节使用midas/GTS岩土与隧道分析系统模拟隧道开挖情况，对边坡稳定性进行分析，建立模型并划分网格如图2.2所示,图中的三角区域为模拟洞口开挖部分，开挖后将不存在，模型材料的属性同未加荷载状态下的材料属性，边界条件与自重荷载与静力荷载条件下相同，除去临空面以外，其余三个面都分别施加X方向的约束，模型底面施加X方向和Z方向的约束条件，仅施加重力荷载。
从开挖后的各方向和整体位移得出，边坡开挖后，开挖区域附近大部分发生位移，岩体在强度折减的过程中发生了塑性变形，并且发生的区域较大，应力集中的区域在坡脚，从最大剪切应变图中可以看出，潜在软弱面的变形较未开挖的时候大，边坡的中下部发生了较大的剪切滑移。根据有限元强度折减法的原理，模拟出边坡的安全系数为1.1875，在经验和规范要求之内，但在洞口开挖以后，边坡洞顶部分的稳定性是比较差的。如遇到雨水施工或者隧道内施工产生的爆破震动，边坡是很容易发生垮塌的现象的，所以，在隧道洞口的施工过程中，正确的开挖方法和支护手段是必要的。
3工程实际监测分析
3.1边坡沉降监测
由于隧道的开挖，使洞口边坡应力重新分布，破坏了边坡岩土体相对平衡的应力状态,导致边坡出现变形开裂,并在薄弱部位形成滑动面。特别是边坡脚被破坏，使得边坡脚附近的岩体出现剪应力集中，对边坡的稳定造成影响。隧道开挖后，为隧道上方岩体移动提供了临空面，导致隧道上方岩体向隧道内移动；在埋深较浅的洞口段会出现地表沉降，使得边坡蠕动变形。由于洞口段覆盖层较薄，边坡受爆破震动的影响很大。爆破冲击波向四周围岩传播时，会对岩体产生拉应力，使得岩体产生拉伸破坏，对边坡稳定十分不利。另外，地下水会对边坡产生浮托力、静水压力和动水压力,并且能大幅降低岩体的强度,从而加剧边坡的不稳定。大气降水的冲刷也会直接对边坡产生破坏。
2011年8月1日2011年10月30日期间，对隧道进口端变形监测点，分别进行了多次监测工作。各点变形量数据见表3.1所示。（单位：mm）。
3.2监测数据分析
对监测的数据进行分析，沉降变化量最大的是8月22日和10月16号。
可知8月22日和10月26日边坡的沉降相对量比较大，由于边坡暴露时间过长，并有大量的雨水渗入坡体，使岩土体饱和，重力增加，下滑力变大，岩土体抗剪强度受到了一定的影响。
从中可以看出，1#，2#，8#，9#几个测点的位置离洞口比较远，施工过程和其他因素对这几个点的影响不大，所以这几个点的沉降相对比较稳定，而对于3#，4#，5#，6#，7#这几个测点的观测来看，由于这几个点的位置位于洞口的正上方，施工过程中对这几点的影响较大，另外监测这些数据的时期内，隧道内掘进比较快，且以阴雨天气较多，所以导致测点沉降较大，最终导致了局部的小范围滑坡，及时采取锚杆和喷浆支护等加固措施。
4结论
经过后期的观测，次沉降量减小。边坡趋于稳定，并与数值模拟实验相比较，通过监测数据和分析我们可以得到以下的结论：
① 隧道洞口的施工，合理的施工方式以及合理的结构施工时间对洞口边坡的稳定性至关重要，应尽量减少对围岩的扰动，加强支护；
② 及时支护隧道洞口结构：锚杆，混凝土浇筑等，使边坡以形成合理的受力体系；
③ 加强隧道进洞施工期间的施工监控，对边坡的稳定性分析以及发展，具有重要的指导意义。
