隧道洞口滑坡稳定性分析与防治措施

文章编号：1000－7598－(2008) 增－311－04

隧道洞口滑坡稳定性分析与防治措施

张 伟1，焦玉勇1，郭小红2

（1. 中科科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071；

2. 中交第二公路勘察设计研究院有限公司，武汉 430056）

摘 要：受工程地质条件、水文地质条件及人为因素等的影响，公路隧道洞口施工过程中易发生洞口滑坡。综合连霍国道主干线宝鸡天水高速公路码头隧道洞口滑坡的形成特点、工程地质及水文地质特征，采用非线性有限元法对该洞口滑坡进行了分析，探讨了变形和塑性区分布特征，得到了滑面位置，提出了加固治理方案，为今后类似工程提供参考与借鉴。 关 键 词：洞口滑坡；边坡稳定性分析；有限元；预应力锚索抗滑桩 中图分类号：U 459 文献标识码：A

Slope stability analysis and prevention method of tunnel portal slope

ZHANG Wei, JIAO Yu-yong1, GUO Xiao-hong2

(1. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences,

Wuhan 430071, China; 2. CCCC Second Highway Consultants Co. Ltd., Wuhan 430056, China)

1

Abstract: Landslide is easy to occur at the tunnel portal due to the engineering geological condition, hydrogeological condition and some human activities. Taking into account the landslide formation feature, the geological condition as well as hydrogeological condition of Matou tunnel of Baoji-Tianshui Expressway, the landslide of tunnel portal is analyzed by using nonlinear finite element method. The deformation characteristics and the distribution of plastic zones are obtained, and the sliding surface position is decided. Finally, the reinforcement scheme is proposed. This study can offer a reference for similar engineerings. Key words: landslide of tunnel portal; slope stability analysis; finite elements; prestressed anti-slide pile

1 引 言

近年来，随着我国国民经济的飞速发展，高速公路建设已成为我国公路建设的主流。然而，高速公路技术指标要求较高，需克服地形高差的影响，在山区开掘部分隧道就成了必然选择。由于工程地质、水文地质及人类活动等因素的影响，隧道施工过程中易出现各种各样的地质灾害，其中隧道洞口滑坡是隧道施工中常见的地质灾害之一

[1−2]

由于受诸多因素的影响，高速公路在设计选线时出现了许多高陡边坡，隧道洞口处的高陡边坡仰坡设计也时常存在。由于隧道洞口处岩性往往比较差，多为第四纪土层，且易受地表水或地下水的影响，因此，洞口的坡体在隧道施工中易出现滑坡等地质灾害[3−4]。在建连霍国道主干线宝（鸡）天（水）高速公路码头隧道进口端存在一崩滑坡体。本文在分析该隧道洞口崩滑坡体时，利用有限元数值计算来反映边坡的稳定与变形之间的关系，并采用了工程界惯用的安全系数来评价边坡的稳定性，将两者结合确定了该隧道洞口不稳定体的加固措施。

，如

2007年11月20日，位于湖北恩施州巴东县野3关镇的高阳寨隧道洞口发生岩崩滑坡，导致现场施工人员4人、318国道行驶中的大客车内36人中35人死亡、1人受伤，损失巨大。由于隧道洞口的安全关系到隧道能否顺利进洞并进行安全施工，因此是隧道施工中的重中之重。

2 工程概况

2.1 概况

在建连霍国道主干线宝―天高速公路码头隧道

收稿日期：2008-07-24

基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.50479071，No.40672191）。

作者简介：张伟，男，1985年生，硕士研究生，主要从事隧道及岩石力学数值计算方面的科研。E-mail: z1985w@126.com

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在施工中发现进口端存在一崩滑坡体，见图1。该滑坡体位于渭河西岸，倾向北东向，坡度交陡，介于40～55°之间，稳定性较差。崩坡积体较厚，物质组成主要为亚黏土混角砾和角砾土，呈松散状，拟建渭河2号大桥17号桥台接码头隧道进口，正 好位于该坡体上，严重影响了大桥及隧道进口的施工，且该坡体下临G310国道，北侧为宝―兰铁路，如产生大的滑动将产生严重的后果。

路运营，因此对本段需进行综合评价。

3 有限元数值模拟

3.1 计算模型和材料参数

主滑断面有限元计算如图2所示。根据边坡区钻探资料建立尔二维平面应变有限元分析模型（图3）。计算程序为大型通用有限元软件ANSYS，按照重力施加荷载，不考虑构造应力，岩土体采用PLAN82单元来模拟，岩土体材料本构模型采用理想弹塑性模，屈服准则为Drucker-Prager破坏准则，数值计算方法用Newton-Raphson方法 进行迭代计算[5]。根据地质资料，计算中采用的物理力学参数见表1。

图1 崩滑坡体全貌照片

Fig.1 Photo of tunnel portal slope

2.2 地层岩性及水文地质条件

本崩滑坡体上部为第四系崩坡积（Q4e+dl）角砾土和亚黏土（混角砾）所覆盖，厚度为 16.0～ 29.50 m。下伏基岩为中元古界深变质岩组第一层（Pt21）片岩，局部见大理岩脉（透镜）体。水文地质条件简单，汇水面积小，地势陡峻，坡降较大，径流时间短，排泄条件，在钻孔范围内未见地下 水。

2.3 崩滑坡体特征

在平面上呈近半圈椅状接长条状，长条状向北方向延伸，与线路交于YK4+633-YK4+765、ZK4+664-ZK4+753，北侧有铁路隧道通过，现阶段正常运营。

该坡体主要由0～31 m厚角砾、亚黏土组成，为崩、滑坡积交互堆积而成，不均匀，主要以角砾混亚黏土为主，上部杂大量的亚黏土，往下黏粒成分减少，局部夹碎石层，呈松散至中密状。见一条拉张裂缝，约在ZK4+733位置与左洞呈大角度相交，宽约5 cm，长约50 m，现阶段未见滑移现象，尤其是北侧铁路隧道运营正常。但在修建隧道后有偏压，并对前缘破坏明显，形成较陡临空面，隧道基础可能不稳，隧道洞底承载力不足，且由于隧道及渭河2号大桥桥台加载后可能引起破坏，直至滑动，影响到桥及隧道的稳定，并可能波及到北侧铁

3.2 计算结果分析

图2 计算所用的典型断面

Fig.2 Cross section of slope

图3 有限元网格划分

Fig.3 Sketch of finite element mesh

表1 计算采用的物理力学参数

Table 1 Physico-mechanical parameters of materials

土体名称

重度 /(kN⋅m)

−3

弹性模量 泊松比 内摩擦角E /MPa

u

凝聚力c /kPa

ϕ /(°)

角砾土 21 50 0.36 26 15 弱风化片岩

24 3 500 0.3 39 150

有限元计算结果见图4～7。从塑性区分布图 可以看出，在自重作用下滑坡体与基底的分界面 附近塑性变形较大，上部已经完全贯通，下部有继续发展贯通的趋势，尤其在隧道洞口开挖时，隧道

增刊 张 伟等：隧道洞口滑坡稳定性分析与防治措施 313

下方的塑性区将进一步发展贯通，与上部塑性区贯通面连接为一个贯通面，该坡体极有可能沿该塑 性区贯通面产生滑移。

0 .002 037 .004 074 .006 111 .008 148

.001 019 .003 056 .005 093 .007 13 .009 167

下部逐渐减小，具有推移式滑坡的性质。在隧道开挖时，由于隧道施工的挠动以及坡脚处的卸载，极有可能造成坡体的滑动。将严重影响隧道和桥台的施工以及下部G310国道，北侧宝―兰铁路的正常运营，造成严重的后果。

4 滑坡稳定性评价[6−7]

4.1 稳定性分析

滑坡稳定性计算目前普遍采用极限平衡法。该方法是将滑坡体分成若干条块，将每一条块作为刚体对待，假定其处于极限平衡状态，建立平衡方程进行计算。本文采用在评价滑坡稳定时广泛使用的不平衡推力传递方法。该方法假定任一条块上的下滑力和抗滑力都平行于滑动面，采用以下公式计算其稳定安全系数：

n−1⎛⎞

Rψ⋅∑⎜i∏j⎟+Rni=1j=i⎠ （1） Fs=⎝

n−1n−1⎛⎞∑⎜Ti⋅∏ψj⎟+Tni=1⎝j=i⎠

n−1

图4 塑性区分布图（单位：m）

Fig.4 Plastic zone distribution (unit: m)

-0.000 183 .002 82 .005 824 .008 828 .011 832

326 .010 33 .013 334 .001 319 .004 322 .007

图5 X方向位移图（单位：m）

Fig.5 Displacement of X direction (unit: m)

式中

31 -.006 786 -.002 262

-.020 357 -.015 834 -.011 -.018 096 -.013 572 -.009 048 -.004 524 0

图6 Y方向位移图（单位：m） Fig.6 Displacement of Y direction (unit: m)

ψj=cos(θi−θi+1)−sin(θi−θi+1)tanϕi+1； ⎫

Ti∏ψj=ψi⋅ψi+1⋅ψi+2\"ψn−1；

j=in−1

Ri=(Ni−ui)tanϕi+ciLi

⎪

⎪

⎬（2） ⎪⎪⎭

式中：Fs为稳定系数；Qi为第i块滑块体所受的重力（kN/m）；Ri为作用于第i块段的抗滑力（kN/m）；

ci为第i块段土的凝聚力（kPa）；ϕi为第i块段土的内摩擦角；Li为第i块段滑动面长度；ui为第i块段滑动面上的孔隙水压力（kN）。

根据有限元计算结果及滑坡岩土体特征，确定滑坡面的位置及形状如图8所示。

0 .004 607 .009 214 .013 821 .018 429

304 .006 911 .011 518 .016 125 .020 732 .002

图7 总位移图（单位：m）

Fig.7 General displacements (unit: m)

图5～7中位移显示， 自重作用下的位移主要集中在亚黏土土体上，下部弱风化片岩岩土体位移很小。亚黏土土体上位移方向向下，上部位移大，

图8 极限分析条分计算图

Fig.8 Configuration of limit equilibrium analysis

314 岩 土 力 学 2008年

对所选断面按照天然状态、天然+地震状态和天然+饱水状态三种工况进行稳定性计算，地震影响系数取ke=0.08，地震按等效静载叠加，方向水平指向坡外。计算参数与进行有限元计算采用的参数相同，根据各条块的坐标及岩土参数得天然状态下斜坡体的稳定系数为1.03，处于欠稳定状态。饱水状态下斜坡体的稳定系数为0.95，已产生滑动。地震状态下斜坡体的稳定系数为0.90，已产生滑动。 4.2 滑坡推力计算

为了对滑坡采取有效的支挡措施，需要计算滑坡的下滑力，按照路基规范中推荐的方法计算，公式为

5.3 明洞结构加固工程

由于明洞结构位于滑坡体中，考虑到滑动面对

明洞结构的影响，根据荷载结构法计算，对明洞结构的受力重新进行计算。计算过程中，考虑了滑坡体对明洞结构左侧的推力。根据计算结果，明洞结构拱部厚度采用 80 cm，仰拱厚度采用 70 cm，结 构配筋每延米内外侧均采用 10 根φ25 mm钢筋， 间距为10 cm，在左侧拱腰处布设双排φ25 mm钢筋进行加强。 5.4 进洞方案

根据地质补勘钻孔资料所揭示的覆盖层为角砾土，厚度约为30 m，隧道开挖方法上采用CRD法开挖，尽可能减少对围岩的扰动。本治理方案得到了同行专家的认可，并被业主及施工单位所才用。

P=FstTi+Pi−1ψ−Ri （3）

式中：Pi、Pi−1分别为第i和i−1块滑体的剩余下滑

力（kPa）；Fst为安全系数，根据设计标准给定。

在考虑地表排水、填缝、防渗等综合措施的同时，取地震作用下的工况进行计算，取地震作用下的安全系数为1.08， 得到滑坡体滑坡推力为1 908 kN/m。

6 结 论

通过对码头隧道洞口滑坡的成因、有限元分析及治理得出如下结论：（1）建设高速公路隧道时，要特别注意隧道洞口的滑坡问题，应尽量避免高陡边仰坡的设计和施工方案。（2）治理公路隧道滑坡应当与隧道建设特别是隧道洞口建设结合起来，不应只作为单一的滑坡处理。（3）在现场勘察滑面不确定时数值模，拟是确定滑面的一种很好的辅助措施。（4）隧道洞口存在地质灾害的情况目前普遍存在，建议勘探、设计单位今后在勘探和线路设计方案的比选中重视地质危害，尽可能将洞口设置在地质构造简单、汇水面积较小、不易发生地质灾害的地段。不能为节约投资而盲目缩短隧道，将洞口设置在山凹等地质复杂易发生地质灾害的地方。

参 考 文 献

[1] 马同骧. 隧道的地质灾害及其防治[J]. 铁道建筑技术，

1990, (1): 35－38. [2] 于宁，朱合华，苏生瑞. 公路隧道施工中的地质灾害及

相应措施的分析[J]. 地下空间，2003, 23(2): 119－123. [3] 舒家华，闫天俊，谢超美. 复杂地层隧道洞口施工方案

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析[J]. 中国公路学报，2001, 14(4): 80－84.

[5] 赵尚毅，郑颖人，时卫民，等. 用有限元强度折减法求

边坡稳定安全系数[J]. 岩土工程学报，2002, 24(3): 343－346.

[6] 陈祖煜，汪小刚，杨健，等. 岩质边坡稳定性分析[M].

北京：中国水利水电出版社，2005: 373－410.

[7] 陈祖煜. 土质边坡稳定性分析[M]. 北京：中国水利水

电出版社，2005: 197－236.

[8] 祝玉学. 边坡可靠性分析[M]. 北京：冶金工业出版社，

1993: 136－146.

5 治理措施选择与设计

5.1 截水和排水工程

由于该地区属于高原半干旱区，排水工程只考虑地面排水工程。在隧道洞口上方修截水沟，截排山坡上的汇水；顺隧道两侧修急流槽，将其引入滑坡区外，防止渗入滑体。截水沟和激流槽交汇处设消力池，以防冲刷。 5.2 锚固支挡工程

[8]

由于该滑坡体推力大，滑动面深且陡，本工程选用预应力锚索抗滑桩。根据有限元计算的结果，滑坡体目前塑性区已基本贯通，切剪出口推力大，同时考虑到隧道洞口位于滑坡体上，为了保证隧道洞口的安全以及整个滑坡的稳定。在隧道洞口处设置一排抗滑桩，间距为5 m，共10根（图略），起到了既治理滑坡又保证了洞口安全的双重作用。由于隧道洞口处于偏压状态，需要把隧道洞口两侧的抗滑桩与隧道洞口的建设结合起来。根据计算结果，共采用 10 根抗滑桩，抗滑桩采用的截面为 2 m× 3 m，桩中距为 5 m，抗滑桩打入基岩以下，长 36 m。桩头设置单孔预应力锚索，锚索长30 m，倾角

为25°单孔锚索轴向拉力设计值为800 kN，预应力锚索深入到基岩持力层 10 m，以保证抗滑所必须 的锚固拉拔力。抗滑桩采用人工挖孔，护壁厚250 ，C25混凝土浇注。 mm