隧道洞口滑坡稳定性分析与防治措施

2008年11月 Rock and Soil Mechanics Nov. 2008

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@

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 1

, JIAO Yu-yong 1, GUO Xiao-hong 2

(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)

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]

，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。

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。

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

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。

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（Q 4e+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（Pt 21）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

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 E /MPa

泊松比 u

内摩擦角ϕ /(°)

凝聚力c /kPa

角砾土 21 50 0.36 26 15 弱风化片岩

24 3 500 0.3 39 150

3.2 计算结果分析

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