（地质工程专业论文）隧道洞口仰坡稳定性评价及处治方案研究.pdf

摘要 随着我国高速公路事业的飞速发展，隧道工程的建设和应用越来越广泛。近些年来， 大量的公路隧道不断兴建。每条隧道的开工建设，首先要遇到和解决的就是洞口仰坡的 稳定性和处治问题。隧道洞口一般地质、地形条件较差，是经常引起坍塌、开裂破坏的 地段之一，故洞口段仰坡的稳定性是隧道设计和施工时必须认真对待的事宜。 本文依托内蒙古二连浩特至广州高速公路湖南永州蓝山段在建项目，根据边坡的 相关破坏理论，分析了影响隧道洞口仰坡稳定性的各种因素，对隧道洞口仰坡的破坏模 式和机理进行了研究；基于相应监测数据，总结了隧道仰坡破坏的发展过程，归纳了隧 道仰坡稳定性综合分析与判定方法，并讨论了提高隧道仰坡稳定性的洞口处理技术。 结合具体的工程实例，即永蓝高速第三合同段小牛塘隧道右线进口仰坡，详尽说明 了隧址区的环境地质条件、隧道进洞方式及洞口处理方案等现场实际情况；运用赤平投 影法对仰坡稳定性进行了定性分析；基于强度折减法，利用有限元分析软件m i d a s ， 分别对自然状态、开挖不考虑降雨及考虑降雨三种工况下的仰坡稳定性进行了模拟计 算，得出了不同工况下仰坡的稳定性安全系数；同时，以极限平衡理论为基础，采用 g e o s l o p e 软件中的b i s h o p 法对上述三种工况下仰坡稳定性再次进行了分析，验证了有 限元模拟的准确性，并提出了合理的处治方案。 关键词：隧道洞口，仰坡稳定性，破坏模式，有限元模拟，处治方案 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a sh i g h w a yi n d u s t r y , t h ec o n s t r u c t i o na n d a p p l i c a t i o no ft u n n e li sm o r ea n dm o r ep o p u l a r i nr e c e n ty e a r s ，al a r g en u m b e ro fh i g h w a y s t u n n e l sh a v eb e e nb u i l d e dc o n t i n u o u s l y w h e ns t a r tt oc o n s t r u c tat u n n e l ，t h ef i r s tp r o b l e m m u s tb ee n c o u n t e r e da n dr e s o l v e di st h es t a b i l i t ya n dt r e a t m e n to ff r o n ts l o p eu n d e rt h et u n n e l e n t r a n c ec o n s t r u c t i o n t h eg e o l o g ya n dt o p o g r a p h yc o n d i t i o n so ft h et u n n e le n t r a n c ea r e g e n e r a l l ys op o o r ，w h i c hi st h eo n eo fs p o t sa l w a y sm a k ec o l l a p s ea n dc r a z ed e s t r o y i nt h i s c a s e ，t h es t a b i l i t yo ff r o n ts l o p ea tt h ee n t r a n c eb e c o m et h ei s s u em u s tb et a k e ns e r i o u s l y d u r i n gt u n n e ld e s i g na n dc o n s t r u c t i o ns t a g e s t h er e s e a r c hc o n t e n to ft h i st h e s i sr e l i e do nt h ep r o j e c tt h ep a r to fe r e n h o ti ni n n e r m o n g o l i at og u a n g z h o uh i g h w a yf r o my o n g z h o ut ol a n s h a ni nh u n a np r o v i n c e a c c o r d i n g t or e l a t e ds l o p ef a i l u r et h e o r y , t h ei n f l u e n c ef a c t o ro ff r o n ts l o p es t a b i l i t ya tt u n n e le n t r a n c ei s a n a l y z e d ，t h ef a i l u r ep a t t e r n sa n dm e c h a n i s mo ft h ef r o n ts l o p ei ss t u d i e d t h e nb a s e do nt h e c o r r e s p o n d i n gm o n i t o r i n gd a t a , t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fs l o p ef a i l u r ei ss u m m a r i z e d a f t e r t h a t ，t h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sa n dd e t e r m i n em e t h o do fat u n n e lf r o n ts l o p es t a b i l i t yi s s u m m a r i z e dt o o m e a n w h i l e ，s o m ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt h a tc a ni m p r o v et h es t a b i l i t yo f f r o n ts l o p ea tt u n n e le n t r a n c ei sd i s c u s s e d a tl a s t ，c o m b i n i n gv v i me n g i n e e r i n ge x a m p l ew h i c hc a l l e dx i a o n i u t a n gt u n n e lf r o n t s l o p ei nt h et h i r dc o n t r a c ts e c t i o no fy o n g l a nh i g h w a y , t h ea c t u a ls i t u a t i o no nt u n n e ls i t ei s d e s c r i b e di nd e t a i l ，s u c ha se n v i r o n m e n t a lg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，t u n n e le n t r a n c ee n t e rw a y a n de n t r a n c ep r o c e s s i n gp r o g r a m a c c o r d i n gt ot h er e a l i t y ，t h es t a b i l i t yo ff r o n ts l o p ei s a n a l y z e dq u a l i t a t i v e l yb yu s i n gs t e r e o g r a p h i cp r o j e c t i o nm e t h o d t h e nb a s e do ns t r e n g t h r e d u c t i o n ，t h i sf r o n ts l o p e ss t a b i l i t yi si m i t a t e dr e s p e c t i v e l yb yu s i n gf e ms o f t w a r en a m e d m i d a su n d e rt h r e eo p e r a t i n gc o n d i t i o n sl i k es t a t eo fn a t u r e ，e x c a v a t i o nw i t h o u tr e g a r dt o r a i n f a l la n de x c a v a t i o nt oc o n s i d e rr a i n f a l l ，o b t a i n e ds l o p es t a b i l i t ys a f e t yf a c t o ru n d e r d i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s a tt h es a m et i m e ，b a s e do nl i m i te q u i l i b r i u mt h e o r y ，t h e f r o n ts l o p es t a b i l i t yi sa n a l y z e da g a i nb yu s i n gg e o - s l o p es o f t w a r ed u et ob i s h o pm e t h o d u n d e rt h et h r e es a m e o p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，v e r i f i e dt h ea c c u r a c yo ft h ef e m i m i t a t i o n , t h e nt h e r e a s o n a b l et r e a t m e n tp l a n sa r ep r o p o s e d k e yw o r d s ：t u n n e le n t r e n c e ，s t a b i l i t yo ff r o n ts l o p e ，f a i l u r ep a _ t t e m ，f e ms i m u l a t i o n ， t r e a t m e n tp l a n s i i 长安大学硕上学位论文 1 1 课题的研究背景和意义 第一章绪论 “1 9 世纪是桥梁腾飞的世纪，2 0 世纪是高层建筑辉煌的世纪，而2 1 世纪则是人类 开发利用地下空间的世纪”。隧道是人类开发利用地下空间的一种方式。随着工程技术 水平的不断提升，交通、水利、资源开发等与地下工程有关的事业飞速发展，地下工程 的建设与利用日益增多，规模也逐渐加大，部分有代表性的大型或超大型地下工程相继 建成。中国过去十几年来在基础设施建设尤其是交通基建领域取得了举世瞩目的成就。 高速公路的建设和发展是代表国家经济发展水平的一种标志。中国高速公路的发展 现状同世界发达国家还存在一定的差距，建设和管理方面的体制还需要完善，加快高速 公路发展进程是中国经济增长的需要。随着国民经济的日益好转，降低运输成本、提高 运输效率的要求日益迫切，应该说对高速公路的需求还是很突出的【1 1 。 湖南省高速公路建设是我国交通投资发展的重要组成部分。目前，湖南省在建高速 公路项目2 8 个，分3 2 条建设，总里程2 8 2 7 公里，总投资1 8 1 3 亿元，其中国家投资项 目1 4 个，b o t ( b u i l d o p e r a t e t r a n s f e r ) 项目1 4 个。二广高速公路( 内蒙古二连浩特至 广州) 永州蓝山段即是今后几年湖南交通发展的重点控制工程之一。 永蓝高速公路起始于湖南永州零陵区东北方的接履桥镇，与已经建成的泉州至南宁 高速公路衡枣段相交，北接正在建设中的邵永高速公路终点，全长1 4 5 1 4 6 公里，总投 资预算为1 0 7 9 2 亿元。该项目已于2 0 0 8 年5 月2 8 日正式开工建设，预计2 0 1 2 年左右 建成通车。其中设计隧道1 7 座，包括特长隧道3 座，长隧道2 座，中隧道8 座，短隧 道4 座。永蓝高速公路穿越海拔将近2 0 0 0 m 的南岭山脉，地形起伏颇大，地质构造较为 强烈，溶洞暗河非常发育，存在隐伏性地质灾害，属湖南省近几年地形地质复杂，施工 难度相对较大的项目之一。 笔者作为设计单位的驻现场设计代表，参与了该路线第三合同段的隧道建设工作。 本合同段共设长隧道l 座、中隧道3 座、短隧道l 座。隧址区多为低山、中低山地貌， 隧道围岩地层岩性主要为泥盆系灰岩、泥灰岩和泥质灰岩、寒武系砂岩、燕山期花岗斑 岩。根据钻探结果，部分隧道进出口部位坡积土较少，岩石风化层较发育，围岩级别为 v 级，隧道洞身围岩岩体结构以双中厚层状为主，部分隧道钻孔揭露局部发育有溶 洞，围岩级别为级。隧址地下水不甚发育，大多钻孔未见地下水或水量较小。 一般来讲，隧道洞口上部沿着隧道纵向的坡体称之为仰坡，在洞口两侧的坡体称为 1 第一章绪论 洞 图1 1 隧道洞口仰坡示意图 边坡，如图1 1 所示。综合整条线路的隧道洞口施工情况来看，受工程地质条件、气候 条件、施工水平等诸多因素的影响，多条隧道洞口出现了仰坡失稳滑塌的现象。这不仅 在很大程度上影响了施工进度，增加了不必要的建设成本，同时也降低了部分一线施工 人员的工作积极性。因此，对此段路线隧道洞口的仰坡稳定性进行综合评价和处理措施 的研究，提出行之有效的防治措施或适当对策建议，为加快隧道施工进度，确保施工质 量和安全提供一定的技术保障，为当地的高速公路建设和经济发展服务，同时，对同类 工程的建设提供参考，具有一定的实际和借鉴意义。 隧道洞口仰坡的稳定性分析目前还是沿用工程地质学中边坡稳定的研究手段，常采 用极限平衡法和数值分析法计算分析洞口仰坡的稳定性。下面就边坡稳定研究方法的现 状和发展趋势进行说明。 1 2 边坡稳定性分析的现状与发展趋势 1 2 1 边坡稳定性分析现状 对于边坡稳定性的研究已有1 0 0 年以上的历史。以往的边坡研究主要是以土体为研 究对象，大多采用均质弹性理论和材料力学为基础的研究方法。但由于其假设条件的不 合理或力学机制的粗浅，其研究结果往往存在较大误差。理论基础的发展使定量评价成 为可能，极限平衡法、有限元法被应用到边坡的稳定性问题研究中，并逐渐过渡到数值 分析方法，使边坡稳定性分析进入新的研究阶段。上世纪八十年代以来，随着工程规模 不断加大，边坡岩土体条件也变得相对复杂，一些不确定性分析方法被应用到边坡稳定 研究中，如模糊理论和随机方法等，为此领域开辟了新途径。随着计算机的普及，加之 计算理论的发展，在以往的理论方法基础之上，实现了定量或半定量地模拟边坡变形破 坏机制及发展过程，以宏观和微观相结合的角度研究边坡破坏的发展、演化过程【2 1 。 2 长安大学硕士学位论文 1 2 2 边坡稳定性分析方法 边坡稳定性分析一直以来都是土木工程界关注的研究课题，在土木工程或岩土工程 领域中占据十分重要的地位。多年以来，许多学者精心致力于这方面工作，这也促使边 坡稳定分析理论具有非常丰富的内容。常用的边坡稳定性分析方法有以下几种。 1 、定性分析法 定性分析主要有成因历史分析法、工程地质类比法、图解法等。 ( 1 ) 成因历史分析法 成因历史分析法主要是以边坡地质演变和构造运动为基础，依据边坡岩土体的构 造、结构等特性，研究边坡的形成过程及其演化的各个阶段，对边坡的稳定状态、发展 趋势做出定性的评价。此方法主要适用于自然边坡稳定性评价。 ( 2 ) 工程地质类比法 以往的工程地质类比法有观测地质现象判断边坡稳定法、自然边坡类比法等。传统 的工程类比法效率高、速度快，而且可在详细勘察资料不充足的情况下评价边坡稳定性。 但受评价入主观因素的影响其可靠性有所不同。该法目前仍旧然是边坡稳定性分析评价 的一种重要方法。 ( 3 ) 图解法 图解法中比较常用的包括赤平投影法、摩擦圆与实体比例投影等。它具有以下优点： 1 ) 能直观、快速地识别出控制边坡稳定性主要、次要结构面；2 ) 确定边坡体的稳定类 别；3 ) 判断出不稳定坡体的规模、形状及滑向。 2 、常用的定量分析方法 极限平衡法和数值分析法为边坡稳定性分析中常用的定量分析方法。 ( 1 ) 极限平衡法 极限平衡法是根据边坡体上的抗滑力和下滑力之间的比值评价边坡稳定性。它的基 本原理是：假使边坡的稳定性安全系数为f ，则当岩土体材料的抗剪强度参数( 粘聚力 c 和摩擦因数t a n # ) 降低f 倍后，边坡体内某一最危险滑面上的滑体将达到极限平衡， 临于失稳状态。该法分析边坡需要事先假定滑裂面为任意可能形状，为了弄清沿滑裂面 的应力分布，需将滑体分成若干垂直土条，通过分析土条上的作用力建立平衡方程，这 就是条分法。目前主要包括：f e l l e n i u s 法( 1 9 3 6 ) f 3 1 、毕肖普法( 1 9 5 5 ) 4 1 、m o r g e n s t e m 法( 1 9 6 5 ) 1 5 1 、s p e n c e r 法( 1 9 7 3 ) 、b e l l 法( 1 9 6 8 ) 、简布法( 1 9 7 3 ) 【6 】、s a r m a 法 ( 1 9 7 3 ，1 9 7 9 ) 等。各种方法不同之处在于对土条问的内力假定不同，条分法的详细比较 3 第一章绪论 如表1 1 所示【刀。 极限平衡法的不足之处主要表现在以下几方面： 1 ) 极限平衡条分法事先需要假定出一滑裂面，因此它的最终解一定脱离不了假定 的滑裂面，找出的滑动面很有可能存在一定的人为误差，不是最优的； 2 ) 非均质边坡及节理裂隙较发育的岩质边坡，由于滑面不是圆弧形，所以很难通 过假设来确定滑裂面； 表1 1 条分法比较 分析方法假设条件力学分析适用范围 1 滑面为圆弧滑坡 1 滑动面为圆弧：1 力矩整体平衡2 垂向条分滑体 瑞典圆弧法 2 不考虑条块间作用力2 条间垂直向作用力为零3 计算简单，稳定系数 较小 1 滑面近似圆弧； 1 力矩整体平衡 b i s h o p 法 2 条间垂直向作用力为 1 滑面为圆弧滑坡 2 忽略条间垂直向作用力2 垂向条分滑体 零 条问力的作用点位置在距滑面 1 分块力平衡 简布法2 分块力矩平衡 1 垂直向条分滑体 l 3 处2 适用于复合滑体 3 考虑条间的作用力 m o r g e n s t e r条间剪应力和法向力o 。 1 分块力平衡 1 垂向条分滑体； 2 用于任意形状滑面滑 p r i c e 法 存在比例关系t 。o 。= 九f ( x ) 2 分块力矩平衡 坡 1 滑体内发生剪切 1 不必垂直条分滑体； s a r m a 法 各条块力平衡2 用于任何形状滑面的 2 滑体作用有临界水平加速度 滑坡 1 条间作用力的合力方向与滑 面倾角一致； 1 任何形状滑面滑坡 传递系数法各条块力平衡 2 条间作用力的合力为负值时2 垂直向条分滑体 传给下一条块的作用力为零 1 条间作用力作用点位于离滑 动面1 3 处； s p e n c e r 法2 t a n 8 i = k i t a n o i ( 8 1 为条间 1 分块力平衡1 任何形状滑面的滑坡 作用力的倾角，k i 为常数，0 i 2 分块力矩平衡2 垂直向条分滑体 用于确定的角度) 3 ) 极限平衡条分法仅能给出边坡的稳定性安全系数及相应的滑裂面形状、位置， 无法反映出边坡岩土体内部的应力应变之间的关系； 4 ) 极限平衡法自身的人为假设对安全系数的影响有多大，需要进一步研究论证。 ( 2 ) 数值分析方法 数值分析方法中较常用的有限元法、边界单元法和离散单元法。 1 ) 有限元法 有限元法是从应力应变特性的角度来分析边坡的变形破坏机理，为掌握边坡体的应 4 长安大学硕士学位论文 力应变变化特征创造有利条件，因此应用非常广泛。有限元法的基本原理是把一个连续 体进行离散，转换成有限大和有限数量的单元集合体，所有单元个体是由它们之间的节 点来相互连接和制约的，以转变后的结构系统来替代原来的系统，采用结构力学方法来 进行分析计算【8 1 。 2 ) 边界单元法 边界单元法的计算精度相对比较高，在处理无限域问题上有显著的优势。该方法具 有输入数据少的优点，只需要对研究区域边界进行离散化，。但是此方法也存在着它的 不足之处：一般边界单元法求出的线性方程组不便应用到有限元中；此外，对于边坡问 题中岩土体材料的非均质方面的处理，都远远不如有限元法简便有效。 3 ) 离散单元法 离散单元法可以直观地反映出岩土体变化过程中的速度场、应力场及位移场等参数 的变化，可模拟出边坡失稳的整个过程。离散单元法尤其适合于大变形问题。 3 、不确定性分析方法 ( 1 ) 系统分析方法 边坡稳定性问题是一种系统工程研究问题。运用系统分析方法分析边坡稳定性，首 先应对岩土体力学环境条件进行研究，继而研究边坡的变形破坏机理，最后对边坡的稳 定性进行分析评价。目前，该方法被广泛应用到边坡稳定性分析评价中。 ( 2 ) 灰色系统方法 灰色系统方法在边坡研究中是应用聚类方法对边坡稳定性进行分类、分级。此方法 所得的结果与实际情况相一致，且该方法具有简单、直观的优点。 ( 3 ) 可靠度分析方法 该方法充分考虑了各个随机要素对安全系数的影响，如岩体及其结构面的力学性质， 各种荷载，地下水的作用等的变异性。结合边坡系统的具体状态，通过对各种不确定因 素的认识，运用可靠尺度和概率分析来衡量边坡总体质量。 ( 4 ) 模糊数学评判法 模糊理论是在综合考虑所评事物及其属性的相关因素的基础上，运用模糊变换原理 及最大隶属度原则，进行级别或等级评价。从各次实践可以看出，模糊评判法具有良好 的效果，为复杂因素影响下的边坡稳定性的分析评价创造了有利条件。但由于各个因素 的权值多由经验来确定，因此该方法存在主观判断性较大的缺陷【9 1 。 5 第一章绪论 1 2 3 边坡稳定性分析发展趋势 经历了几十年的发展，边坡稳定性分析方法在极限平衡理论基础之上，已经取得了 长足的进步。边坡稳定性分析的发展趋势如下： 1 、理论基础的新突破：在边坡稳定性理论方面的研究已取得了很大进展，但大规 模边坡工程的理论研究尚缺乏系统性，需要进一步深化； 2 、分析方法的创新：边坡介质存在不确定性及复杂性，针对于此，只有加强实验 研究，准确分析边坡破坏机制，把握正确的计算方法才可促进边坡分析方法的发展。这 就需要将传统边坡稳定性的定量分析和非确定理论相结合，从而使它们相互交叉、相互 渗透，为较复杂边坡的稳定性分析创造条件； 3 、新应用技术的出现：物理模拟技术的发展，遥感技术及红外线技术等应用技术 和测试方法不断进步；此外，边坡稳定性的灰色系统分析及人工神经网络的研究与运用， 也为边坡稳定性分析开辟了新途径【l0 1 。 1 3 隧道洞口仰坡稳定性分析的研究现状 隧道洞口仰坡的稳定性将从三个方面影响隧道工程的建设：能否顺利迸洞、能否减 少投资和能否安全运营，它的重要性是不言自明的。为了设计较为合理的隧道洞口，应 当遵照“早进洞晚出洞”的基本原则。为了实现其合理性，就要确保洞口仰坡稳定。因此 公路隧道设计规范中提出了隧道洞口仰坡的坡度和高度设计参考值【1 1 1 。但是工程场 地的环境地质条件往往是复杂多样的，影响仰坡稳定的因素除了围岩类别外，还有地层 的结构状态，这是一个重要的因素，它将直接影响到最危险滑动面的形成。由于每座隧 道的地层状态都是不相同的，因而难以将其以一种规律性的结论概括到隧规中去，所以 在仰坡设计中往往忽略了它的影响，事实上洞口仰坡塌方的发生经常同地层状态有关。 隧道洞口段仰坡稳定性的分析评价主要仍是沿用工程地质中边坡稳定的研究方法。 很长时间以来，在隧道洞口仰坡稳定性分析中多采用极限平衡法。 蒋楚生( 2 0 0 0 ) 应用反算分析法确定最危险滑面，计算分析了二郎山隧道出口仰坡稳 定性；叶小兵等( 2 0 0 2 ) 采用了有效的反分析方法对楚大高速公路九顿坡洞1 3 仰坡进行了 稳定性计算，对仰坡滑塌危险性进行了预报【1 2 】；秦之富、文志兵( 2 0 0 6 ) ，详细讨论了塘 朗山隧道洞口仰坡工程地质特征，并对仰坡开裂原因进行了全面的分析，运用极限平衡 法对塘朗山隧道洞口仰坡进行了稳定性分析计算，并提出了合理的加固设计方案；苗永 杰( 2 0 1 0 ) 对某隧道进口仰坡进行分析，在r m r 评价的基础上确定岩体的力学参数， 6 长安大学硕士学位论文 利用赤平投影法对仰坡的稳定性进行定性分析，找出其最可能的破坏形式，然后计算了 仰坡的稳定安全系数。 随着计算机技术的发展及应用，数值模拟法越来越多的应用到隧道洞口仰坡稳定性 分析与评价中。沈春勇等( 2 0 0 1 ) 建立了三维有限元模型，对拓林水电站进水口处仰坡进 行计算分析，并将结果和现场监测变形量对照，数值基本相符；陈敏林等( 2 0 0 2 ) 、朱合 华等( 2 0 0 5 ) 运用有限元软件评价了施工时洞口仰坡的稳定性及施工对隧道围岩的影响 【1 3 】；董永、张予新( 2 0 0 7 ) 针对隧道洞口处不同的边仰坡形式，采用有限元软件a n s y s ， 通过对边仰坡非线性有限元模型进行强度折减，得到边仰坡的稳定性系数，同时得到边 仰坡破坏的滑动面及破坏过程；向安田、朱合华等( 2 0 0 8 ) 以江西某高速公路一浅埋偏 压连拱隧道为背景，用m a r c 有限元程序对其出口段进行了动态施工的三维数值模拟，从 施工过程中的应力( 剪应力和正应力) 集中、塑性区的分布形态和发展规律、仰坡轴向和 横向地表位移的分布特征等方面，系统研究了偏压连拱隧道强风化仰坡因施工而引起的 失稳机制；付黎龙等( 2 0 0 8 ) 针对常吉高速公路清水冲隧道节理岩质边仰坡，在现场勘 察及量测结果分析的基础上，运用离散元软件u d e c 进行稳定性分析；张晓荣等( 2 0 0 9 ) 依托龙头山单洞四车道隧道，运用基于强度折减理论的m i d a s 有限元软件，对特大断面 洞口仰坡稳定性进行了分析和研究。 1 4 本文的研究目的、内容和技术路线 1 4 1 研究目的 “ 隧道仰坡处理是隧道顺利进洞的关键，尤其是浅埋、偏压及岩土体松散等地质条件 较差的隧道洞口，如处理不当或不能引起高度重视，将造成洞口坍塌，延续洞内覆盖层 的下滑，造成洞内施工困难。 笔者结合湖南省永蓝高速公路隧道洞口仰坡的实际情况和现场洞口仰坡破坏过程 中所显现出来的特点，对隧道开挖过程中仰坡破坏模式和机理进行了一定的研究；同时， 提出了隧道仰坡破坏发展阶段，总结出其发展和变形的一般规律，并给出了隧道仰坡稳 定性的综合分析和判定方法；结合隧道洞口段的一些设计原则和施工方法，讨论了提高 隧道仰坡稳定性的洞口处理技术；通过对在建隧道洞口仰坡稳定性分析，揭示出不同工 况下仰坡稳定性系数的改变，并提出相应的处治加固方案，确保隧道的顺利进洞和施工 安全。从而为采取合理的工程措施提供科学依据，为今后同类工程的建设提供一定程度 的参考借鉴。 7 第一章绪论 1 4 2 研究内容 笔者在借鉴他人研究成果的基础上，以永蓝高速公路为依托，对在建的隧道洞口仰 坡工程的地质条件作详细的调查和分析，本文的研究内容主要包括以下几个方面： 1 、隧道洞口仰坡破坏模式和机理：分别针对岩质、土质和岩、土复合边坡的破坏 模式和机理进行了阐述，总结了影响隧道洞口仰坡稳定性的基本因素，并着重分析了隧 道洞口修建过程中仰坡所呈现出来的变形破坏模式； 2 、隧道洞口仰坡稳定性分析与综合判定方法：重点讨论了隧道洞口仰坡稳定性分 析的方法与步骤，并提出了仰坡稳定性的综合判定方法； 3 、隧道洞口仰坡稳定处理技术：从洞口位置的选择、洞门类型的确定及进洞方式 的采用等方面说明了提高洞口仰坡稳定性的各种处理技术； 4 、结合具体的工程实例，分别运用赤平投影、有限元软件和极限平衡方法，对在 建隧道洞口仰坡稳定性进行了分析，得出自然和开挖状态等不同工况下的稳定性安全系 数，并提出了相应的处理方案。 1 4 3 技术路线 笔者以前人的理论研究成果为指导，采用理论结合实践的方法，通过对实际工程中 发现问题的调查研究与综合分析，总结出有参考价值的规律，从而来为设计方案和施工 方法提供科学依据。本文通过以下技术路线实现： 1 、查阅有关资料，加深对仰坡稳定性研究方法的理解，为后续仰坡稳定性的综合 分析打下基础； 2 、通过实地调查分析，归纳总结出岩质边坡、土质边坡及岩、土复合边坡的破坏 模式和机理，并提出隧道洞口仰坡稳定性的影响因素和破坏模式； 3 、对现场实际情况和仰坡破坏状况的整理分析，总结隧道仰坡的沉降破坏发展过 程，并全面考虑各种因素确定了隧道仰坡稳定性综合判定方法； 4 、通过对隧道洞口处理技术的讨论，提出了各种提高仰坡稳定性的洞口处理技术； 5 、结合实际工程，首先运用赤平投影法对洞口仰坡进行定性分析，并应用基于强 度折减法的有限元软件m i d a s 对仰坡稳定性进行了模拟，得出不同工况下的稳定性安 全系数，再利用以极限平衡理论为基础的g e o s l o p e 软件进行分析验证，最后提出合理 的处治方案。 本文的研究技术路线如图1 2 所示。 8 长安大学硕士学位论文 图1 2 本文研究技术路线图 9 第二章隧道洞口仰坡破坏模式和机理 第二章隧道洞口仰坡破坏模式和机理 隧道洞口仰坡稳定性的关注和处理将直接关系到整个工程的成败，因而隧道工程中 进洞、出洞问题一直困扰着工程建设者们。但是不同的区域、不同的建设项目中，工程 地质条件的差异性又决定了我们对不同的洞口仰坡不能完全采取相同的处理措施，要因 地制宜，具体问题具体分析。本章结合各种常见边坡破坏模式，以期对隧道洞口仰坡破 坏模式和机理的分析有所帮助。下面就岩质边坡、土质边坡和岩、土复合边坡的破坏模 式和机理分述讨论。 2 1 岩质边坡的破坏模式 岩体结构面是影响岩质边坡稳定性的重要因素。岩质边坡的稳定性与岩体中破坏面 及不连续面的存在和性质密切相关，并且岩体的物理力学性质主要是随着破坏面的状 态、形状及空间分布的变化而变化的。所以，岩质边坡和土质边坡的稳定性的评价因素 是不同的，其稳定性是通过分析岩体中的不连续结构面进行评价的【1 4 1 。 岩质边坡的破坏很复杂，其简单的破坏形式有崩塌和滑移等，但几种破坏形式相互 交织成复杂的破坏模式也是比较常见的。本文把较常见的岩质边坡的破坏模式划分为： 圆弧破坏模式；平面滑动破坏模式；楔形破坏模式；倾倒破坏和溃屈破坏模式； 复合滑移破坏模式。其实无论是哪一种破坏的发生，与岩土体的结构都是紧密相关的， 岩体的结构类型不同，发生破坏的类型也不一样。因此岩质边坡的破坏模式很大程度上 是由岩体结构类型决定的。 1 、圆弧破坏模式 这类模式常常发生在散体结构边坡中。发生这种破坏的条件为：岩体的单个块体和 坡体尺寸相比极小，并且当这些单个块体的形状关系不相互咬合时，较大型的岩质边坡 也会发生圆弧形破坏。因而发生在散体一碎裂结构中的滑坡，滑面往往都为圆弧形，如 图2 1 所示。此时若有隧道通过坡体，且与破坏面相交，那么隧道本身在坡体蠕动挤压 作用下出现变形开裂、拱部挤压破碎、掉块等现象，多横裂少纵裂，并且拱部变形要强 于边墙。严重者，隧道会发生坍塌。 边坡圆弧型破坏的发展过程通常分为三个阶段：滑坡坡脚蠕动变形、滑坡后缘拉张 裂缝扩张以及滑坡中部滑床的剪断贯通。通常情况下前两阶段发展过程往往比较缓慢， 第三阶段发展过程比较迅速。 1 0 长安大学硕士学位论文 圆弧形剪切破坏有平直剪切面的圆弧形破坏 有拉裂缝时圆弧形剪切破坏沿完整岩石和不连续面破坏 图2 1 圆弧破坏剪切破坏模式示意图 2 、平面滑动破坏 平面滑动破坏指的是部分岩体沿层面、断层、裂隙或节理面等地质软弱面发生滑动 ( 图2 2 ) 。块体运动沿平面滑移是平面滑动的特点。平面滑动的破坏机制为岩体在自重 作用下岩体内剪应力比层间结构面的抗剪强度大，从而致使不稳定岩体产生顺层滑动。 在发生此类破坏时，隧道洞口处顶部围岩会随着边坡滑移而发生剪切破坏，仰坡上部， 般会产生不同程度的张拉裂缝，随着滑体的变形增加，裂缝宽度也会不断加大，严重时 仰坡会全部滑塌破坏。 顺层面滑移破坏在所有边坡破坏类型中是发生最多的一种。对于顺层滑坡，其滑移 破坏可分为两类：一类是沿单一层面的滑移破坏，另一类是坐落式平推滑移破坏。 图2 2 典型岩质边坡的平面滑动破坏 3 、楔形体破坏 楔形体破坏主要发生在中厚层状及块状边坡岩体内，为岩质边坡的一种主要变形破 坏模式。其破坏机理为两组结构面的交线与坡面斜交且倾向坡外( 这两组结构面中至少 有一组为中缓倾结构面) ，沿着两组结构面的交线发生滑动。当2 - - - 3 组节理与开挖坡面 第二章隧道洞口仰坡破坏模式和机理 行成不利组合时，会形成楔形不稳定块体滑动，这是楔形滑动的主要表现，如图2 3 所 不。 软弱面 坡面 图2 3 楔形滑动破坏模式示意图 隧道洞口处围岩若发生楔形体破坏，一般是由于坡脚开挖使某块较完整的大型岩体 失去有效支撑导致的。其主要特点是发生比较突然，对工程本身影响并不是很大，但会 危及现场施工人员的生命安全，因些要做好相应的防护措施。 4 、倾倒破坏 倾倒破坏是岩质边坡破坏类型中是一种较特殊形式，常常发生于层状结构岩体内。 倾倒破坏的典型结构特征是边坡面走向与岩层层面一致而倾向相反。如果有一组或者多 组顺坡向节理同时存在，且把岩层切割为离散块体，就更容易产生这种形式的破坏。这 种边坡剪切破坏模式和边坡失稳在变形特征、力学机制与边界条件上都存在着很大的区 别。就边坡的稳定性来说，虽然这类变形边坡危岩耸立于坡面上，但由于边坡中不会切 断边坡岩层而形成统一滑动面，因此通常不会有大规模整体滑动发生。总的来说倾倒变 形破坏有三种类型：弯曲倾倒破坏；块体倾倒破坏；块体弯曲倾倒破坏。具体情 形见图2 4 。 此类破坏一般发生围岩节理较发育的洞口段。由于隧道的开挖，使得原有平衡被破 坏，严重时直至冒顶。 ( 1 ) 弯曲倾倒破坏( 2 ) 块体倾倒破坏 ( 3 ) 块体弯曲倾倒破坏 图2 4 倾倒破坏类型 1 2 长安大学硕士学位论文 5 、溃屈破坏 溃屈破坏常常发生于坡高大于2 0 0 - - 3 0 0 m 的陡高边坡中，并且在具板裂结构的顺层 岩质边坡中更易发生。通常如果岩层倾角大于4 0 0 ，则易发生溃屈破坏；若坡脚的岩层 产状在2 0 0 左右，且上部滑坡推动区岩层倾角大于4 0 0 的边坡也会产生溃屈破坏1 5 1 。 这种破坏也一般发生在隧道洞口围岩较好的地段，特别是在严重偏压的连拱隧道洞 口段容易发生。由于隧道的开挖，受高地应力的影响，高边坡岩体由于岩块应力的突然 释放，将发生此类破坏。这种破坏发生破坏性很强，对工程影响较大，但是只有仅在高 边坡隧道中才可能出现。 2 2 土质边坡破坏模式 土质边坡可分为均质土边坡与类土质边坡两个亚类。就均质土边坡来说，其由相对 均匀的物质组成、较为单一的土层性质及简单的坡体结构；而对类土质边坡，因其坡体 组成物质的结构状态变化及成因性质差异等，坡体结构条件较复杂。土质边坡的变形破 坏模式通常分为四类：崩塌破坏、滑塌破坏、滑动破坏( 圆弧滑动，及沿滑动面是基岩 接触面) 和坡面破坏。 1 、崩塌 若陡坡坡体中发育着大量的节理，那么此时边坡易发生张拉变形，并发生倾倒、倒 塌及翻转的崩塌破坏。其产生的机理为，在陡边坡坡顶因张拉变形产生大量微裂缝，这 些微裂缝在雨水冲刷侵蚀作用下，向坡体深处发展，导致被节理切割的土块或土柱发生 翻转和滚动破坏，从而形成崩塌。 土质隧道洞口边坡发生崩塌，一般是由于陡崖坡脚的不合理开挖造成的，崩塌下来 的土体堆积在洞口，易形成倒石堆。 2 、滑塌 滑塌指的是在自然因素或者人类工程活动的影响下由高陡边坡引发的突发性且兼 有滑动、崩塌特点的特殊灾害类型。滑塌具有滑坡与崩塌两种机制，其在破坏土体内局 部可见滑动面但是整体不会下滑，而是带有快速崩塌破坏的特征，在高陡边坡的顶部和 中部都会发生。 此种破坏具有发生突然、频繁和群发性等特点，在隧道或其他工程中会带来维修和 维护上的麻烦及大量资金浪费，并导致其它环境地质问题。 3 、滑坡 1 3 第二章隧道洞l 仰坡破坏模式和机理 滑坡指的是在重力作用下岩土斜坡( 坡角通常小于3 0 0 ) 沿一定的软弱结构面向前 方整体下滑的现象。分两种类型：层状平移式滑坡和渐进型旋转滑坡。滑动破坏的滑面 形态有：圆弧形、平面形、折线形、连续曲面形、复合形等。 ( 1 ) 圆弧形：此种破坏常出现在均质土坡中。其滑动面的形成主要与坡形造成的 最大剪应力面有关。滑坡发生前会在坡脚附近出现应力集中现象，如果滑面中段一旦全 部出现剪应力超过土体抗剪强度，则滑坡会发生整体滑移，( 图2 5 a ) 。此时若有隧道通 过坡体，且与破坏面相交，如岩质边坡圆弧形滑动一样，会使隧道本身在坡体蠕动挤压 作用下出现变形开裂、拱部挤压破碎、掉块等现象。严重者，隧道会发生坍塌。 ( 2 ) 平面形：平面形滑动往往与地质上先期已存在的软弱结构面有关，滑体通常 沿着下伏平直基岩顶面、老地面及不同成因堆积面滑动( 图2 5 b ) 。此种破坏一般会使 隧道围岩发生剪切破坏，仰坡上部地表会产生张拉裂缝。隧道本身在滑坡体蠕动挤压作 用下出现变形开裂，导致靠山侧边墙破坏。 臻纛x 江 b ) c ) 图2 5 土质滑坡滑动面形态 ( 3 ) 折线形：滑动面通常为许多平直面的组合，基岩顶部的剥蚀面及不同成因( 或 成份) 的堆积面等是较为常见的滑面形态( 图2 5 c ) 。 ( 4 ) 复合形：这类滑面包含上述各滑面形态的组合，也包含滑体在剖面结构上的 组合。滑坡剖面可有多种组合形式，如图2 6 所示。其中a ) 为多级滑坡：它与基岩顶 面形状或者岩体结构构造关系密切，此类滑坡在阶梯状山坡上较常见；b ) 为多层滑坡： 一个滑坡内含有多层滑动面，成因及性质雷同或各异，因边坡中存在多种软弱层，所以 一定条件下边坡内可能会形成多层滑坡，在一些大型堆积层滑坡内这种情况较为常见； c ) 为多层、多级牵引式滑坡：因前级l 先滑动导致后部2 、3 相继失去支撑而滑动；d ) 和e ) 都是多级滑坡；f ) 为牵引式滑动。 1 4 长安大学硕士学位论文 土质复合型滑坡对隧道洞口及本身的危害也是多种多样，这取决于隧道位置与滑面 的关系，一方面受到围岩压力的作用，另一方面又受到滑坡滑动和滑坡推力的影响，因 此其受力和变形机理是十分复杂的。 b ) 玉受 d ) e )f ) 图2 6 复合形滑面形态示意图 4 、坡面冲刷 植被覆盖率较差的土质边坡易受洪水冲刷而发生坡面破坏，尤其在黄土地区这种情 况较为常见。坡面岩土体较松散，土体结构浸水后发生破坏，粘聚力快速降低，容易形 成坡面冲刷。由于隧道洞口一般围岩比较松散，风化较严重，若在黄土土区修建隧道， 较容易发生坡面冲刷破坏，因此在隧道选址时最好要选择植被较为发育且岩土体较完好 的地段【1 6 】。 2 3 岩、土复合边坡的破坏模式 岩、土复合边坡是一种复杂特殊边坡，其上部是由土和岩石全风化层构成、下部是 由基岩构成。此种类型边坡可能产生的破坏模式比较多，通常存在若干个潜在滑动面。 例如土体内部产生圆弧滑动、上覆土体沿岩石与土体接触面滑动、边坡沿着基岩中的软 弱结构面整体发生滑动等。 岩、土复合型边坡的破坏模式主要有以下几种类型【1 7 】： 1 、上部土层内部发生滑动 这种类型的边坡破坏模式，如图2 7 所示。对砂性均质土坡而言，由于其粘聚力为 零，在发生滑坡时通常为平面滑动模式，滑移面是一通过坡脚点的直线；对具有粘聚力 的粘性土坡而言，主要表现为圆弧形滑动，滑动面为通过坡脚点的圆弧。 由图2 7 可以看出，当隧道以此种方式通过时，若发生表层土内部滑移，那么对隧 1 5 第二章隧道洞口仰坡破坏模式和机理 道本身的影响不会很大，主要是在隧道洞口会出现不同规模的滑塌或堆积，因此，要做 好洞口仰坡的防护。 土 图2 7 岩土复合边坡土层内滑动示意图 2 、上部土层沿土和基岩的接触面滑动 此类边坡破坏模式的特点是变形破坏主要沿土和基岩的接触面滑动，如图2 8 所示。 整个滑体可以看作刚体，滑面后缘易切割土体产生张拉裂缝。若接触面的岩土体剪切强 度比较低或基岩与土层的接触面较陡时，受水的作用、震动荷载及人为因素的影响很容 易发生接触面滑动。这种破坏模式的边坡稳定性的影响因素主要还包括接触面岩土体强 度、边坡形态、接触面倾角等。该种破坏模式主要受接触面强度及倾角的控制，通常由 长时间的降雨或动荷载等诱发。 图2 8 各层接触面可能滑动趋势示意图 这种地层条件和破坏类型在隧道洞口处较为常见。由图2 8 可以看出，坡体中表层 土和全或强风化基岩的接触面、全风化基岩与弱风化基岩的接触面都可能成为滑面。而 两种情况对隧道的影响是不同的，前者由于表层土一般不会太厚，破坏时主要是影响洞 口部分及洞门结构，而后者对隧道本身影响较大，会造成隧道衬砌开裂、拱部挤压破碎、 1 6 长安大学硕士学位论文 掉块及至隧道发生坍塌。 3 、边坡沿岩体内部结构面产生破坏 此类变形的进程受软弱结构面的产状及特征控制。若滑面向临空向倾角足可以使得 上覆岩体下滑力大于此面实际的抗滑阻力，则该面一旦临空，岩体就会沿着结构面向临 空方向滑动，且会使坡体产生拉裂乃至解体。 此类破坏模式多数是受自重荷载作用，坡体沿层间软弱结构面产生相对位移。通常 来讲，滑动面和岩层产状基本相符。顺层状边坡的破坏多由岩层的倾角和坡脚的关系来 决定。这种情况的破坏对隧道工程的影响和岩质边坡较为类似，两者都是受岩体结构面 的影响而发生不同类型的破坏，所以隧道在在修建前期的勘测、选线工作显得尤为重要， 这在某种程度上决定着一个隧道工程的质量和成败。 4 、复合破坏模式 边坡的变形破坏虽然常常以一种模式为主，可是由于边坡岩体结构及形态上的复杂 性，一些边坡可能同时发生两种或者多种变形破坏模式，且以一定的方式进行组合；也 可能在变形破坏时从一种模式转化到另一种模式。边坡岩土体结构和形态特征的多种组 合，使得变形破坏模式也可以有多种组合形