摘要：以某隧道开挖过程为工程背景，分析开挖过程中边坡的稳定安全状态，在分析过程中分别采用了极限平衡法和数值计算方法进行研究，结果表明：考虑隧道开挖影响后，作用于支护结构上的竖向均布荷载是不考虑情况下的1.14倍。隧道施工对进口边坡土体的稳定性有较大的影响，应注意和加强边坡位移的监测。
关键词：隧道 边坡 稳定性 开挖
Analysis for the safety status of slope due to the excavation of tunnel
CAO XIAN-FENG， LI LIANG， YANG FEI
WISDRI Engineering & Research Incorporation Limited， Wuhan 430223， China
Abstract： One tunnel is taken as the engineering background， the stability of slope is analyzed during excavation procedure. In the study， the limit equilibrium method and numerical calculation method are used. Results show that， when taking the influence of tunnel excavation， the loading at the reinforcement structure is 1.14 times of the situation without considering tunnel excavation influence. The excavation of tunnel has large effect on the stability of slope， so it is needed to enhance the monitoring for the slope displacement.
Key words： tunnel slope stability excavation
1、引言
滑坡灾害贯穿整个隧道施工过程中[1，2]，由于隧道围岩是复杂的地质体的产物，不同的地质条件、不同的隧道开挖方法等都对隧道开挖引起的滑坡灾害产生影响[3-5]，因此对隧道开挖过程中的边坡稳定性进行研究是很有必要的。本文以某隧道开挖过程为工程背景，分析开挖过程中边坡的稳定安全状态，为工程实践提供参考。
2、工程概况
根据现场调查及勘察报告，计算选取隧道右洞进口边坡进行稳定性分析。隧道右洞进口上覆坡积粘土层，最大厚约20m左右。坡积粘土层下覆强风化砂岩，随着隧道的掘进，如支护结构强度不够，坡积粘土层有可能沿着岩土分界面向隧道内滑动。选取的围岩物理、力学参数如表1。
由于隧道右洞进口土体自稳定性较差，在洞口开挖的过程中有可能引起土体的移动而出现滑坡。为了分析隧道施工过程对土体稳定性的影响，采用极限平衡法和三维有限元法对该边坡稳定性进行定性和定量的分析和评价。
3、稳定性分析
3.1 极限平衡法边坡稳定性分析
采用基于极限平衡理论的折线型滑动面的推力传递系数法对滑坡进行稳定性分析及计算。传递系数法稳定性计算公式如下：
Fs= （1）
式中，Fs为稳定系数；Qi为第i块段滑体所受的重力（kN/m）；Ri为作用于第i 块段的抗滑力（kN/m）；Ni为第i 块段滑动面的法向分力（kN/m）；Φi为第i 块段土的内摩擦角（°）；ci为第i块段土的粘聚力（kPa）；Li为第i块段滑动面的长度（m）；θi为第i块段滑动面倾角（°）。Ti为作用于第i 块滑动面上的滑动分力（kN/m）；ψi为第i 块段的剩余下滑力传递至i +1块段的传递系数（j =i）。
洞口边坡的条块划分见下图1。一般洞口浅埋段隧道衬砌设按上部全部土层重量作用在支护结构上进行设计。第4和第5条块相交处的覆盖土层厚度为24.6m，作用在支护结构上的竖向均布荷载q =19.4×24.6=477.24kN/m2。进行考虑洞口边坡来对支护结构上的荷载进行计算。由于第5条块位于隧道顶部，因此计算时仅计算1～4条块传至第5块的下滑力，从而计算作用在支护结构上的竖向均布荷载。经计算，至第4条块边坡稳定系数为1.03，属于基本稳定状态。第4条块传至第5条块的竖向下滑力的分力为2592kN/m。考虑其作用宽度，第4和第5条块相交处竖向下滑力的分力为2592/40=64.8kN/m。因此考虑边坡影响后，第4和第5条块相交处作用于支护结构上的竖向均布荷载为542.04kN/m，是不考虑边坡影响情况下的1.14倍。因此该段按上覆全部土层重量来进行支护结构设计不能满足承载能力要求。
3.2 有限元法边坡稳定性分析
依据工程地质详勘报告，建立的数值分析模型如图2所示。弹塑性数值分析采用的屈服准则为M-C准则。模型前后左右边界水平位移约束，下边界竖向位移约束。
隧道横断面施工力学数值仿真模拟，分1～4个施工步。在MIDAS/GTS中，对于隧道开挖引起的围岩塑性区以屈服率来表示，与破坏接近度类似，是一个表示接近破坏程度的量值。当屈服率等于1.0时表示围岩接近破坏，也即通常所说的塑性区，屈服率与安全系数互为倒数。隧道洞口主要施工阶段边坡土体的屈服率分析结果如图3所示。可以看出，随着隧道的开挖（2～4步），边坡土体屈服率大于0.8的范围（安全系数按1.25计算）分别占土体体积的64.2%、70.3%和70.7%。应注意的是没有考虑隧道施工爆破对边坡动力稳定性的影响。可见，隧道施工对进口边坡土体的稳定性有较大的影响。应注意和加强隧道进口围岩位移和边坡位移的监测，特别是边坡土体的地质观察和监测，及时提供信息，采取措施，防患于未然。
4、结语
通过极限平衡法和数值计算方法，研究隧道开挖过程中，边坡的稳定性情况，得到：
（1）至第4条块边坡稳定系数为1.03，属于基本稳定状态。考虑边坡影响后，第4和第5条块相交处作用于支护结构上的竖向均布荷载是不考虑边坡影响情况下的1.14倍；该段按上覆全部土层重量来进行支护结构设计不能满足承载能力要求。
（2）随着隧道的开挖，边坡土体屈服率大于0.8的范围（安全系数按1.25计算）占土体体积较大部分。隧道施工对进口边坡土体的稳定性有较大的影响。应注意和加强隧道进口围岩位移和边坡位移的监测，特别是边坡土体的地质观察和监测。
参考文献
[1]李海波，马行东，李俊如.地震荷载作用下地下岩体洞室位移特征的影响因素分析[J].岩土工程学报，2006，28（3）：358–362.
[2]林正伟，何江达，李莉等.瀑布沟水电站泄洪洞出口段偏压应力及边坡稳定性分析[J].红水河，2004，23（l）：25-30.
[3]李建林，胡兴娥，熊俊华等.三峡地下电站进水口边坡稳定分析及加固优化[J].岩石力学与工程学报，2001，20（5）：676-679.
[4]祁生文，伍法权，兰恒星.盘石头水库泄洪洞、导流洞进出口高边坡稳定性分析[J].岩石力学与工程学报，2002，21（3）：353-359.
[5]徐卫亚，宋晓晨，周维垣.水电站进水口岩石高边坡及坝坡与洞室相互作用的三维数值分析[J].岩石力学与工程学报，2004，23（16）：2712-2717.
