路基_黄土隧道洞口段边坡稳定性研究现状与展望

　　摘要针对黄土地区公路隧道的特点,总结国内外隧道洞口段边坡稳定性的研究进展,通过比较分析以往研究成果,就亟待解决的问题进行展望,提出以后隧道洞口段边坡稳定性研究的重点问题和主体思路,为推进公路建设事业的“又好又快”发展提供借鉴和参考。
　　关键词隧道洞口;边坡稳定性;研究进展
　　中图分类号TU19文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)041-0070-01
　　
　　随着我国社会和经济的发展,越来越多的公路工程修建于黄土地区。由于工程地质条件、水文地质条件及人为等因素影响,隧道施工过程中易出现各种各样的地质灾害,其中隧道洞口边坡失稳便是隧道施工中常见的地质灾害之一。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,是隧道施工中的重中之重,因此,隧道洞口的边仰坡安全一直来都受到了隧道工程师们的极大关注,并采用了各种方法对隧道洞口的边仰坡进行安全评价,并作出合理的设计与施工方案。由于修筑在黄土地区的隧道有其特殊性,不象岩石那样具有较好的完整性,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失稳等地质灾害问题,一旦发生,轻则使工期延长,造成经济上的损失,重则造成人身安全等事故。因此,在施工过程中,对洞口的仰坡和边坡,特别是高陡坡体进行专门的稳定性分析、评价、预报等具有重要的意义。这些工作有利于业主及施工单位及时采取相应措施进行处理,并对处理效果进行检验,从而保证隧道的施工安全和运营安全。
　　1国内外研究现状
　　世界各国都很重视对隧道洞口段边坡稳定性的研究,各国规范中都有针对隧道洞口段设计、施工的专项条文,对边坡稳定的分析已有比较成熟的理论和方法。概括起来,可分为定量的理论计算方法和定性的分析评价方法两大类。
　　早在十九世纪中叶,西方国家就开始了对边坡稳定性的研究,形成了极限平衡理论体系。随着现代数学、岩体力学、土力学等的发展,边坡稳定性的理论计算方法也进一步完善。张悼元、王士天等对斜边坡稳定性分析的理论计算方法进行了汇总,认为主要包括刚度极限平衡计算法、弹塑性理论计算法、破坏概率计算法、变形破坏判据计算法等五大类定量的方法。近年来,随着计算机技术的发展及相关软件的开发,有限元法(FEM)、有限差分法(FDM)等数值计算分析方法得到了进一步的改进和完善,分析评价的结果也更加切合工程实践。
　　定性分析法是一种以稳定性地质判别标志为基础的地质分析法,工程地质类比法,又称地质比拟法就是其中最常用到的定性分析方法。它在对天然边坡的稳定性及以建工程边坡的稳定性进行统计研究的基础上,与待建工程边坡的各种条件进行对比,从而确定其稳定性的方法。其主要内容有自然成因历史分析法、因素类比法、类型比较法等。
　　1.1隧道洞口段边坡稳定性研究
　　隧道洞口段一般处于受地表水侵蚀严重、风化裂隙发育的斜坡面上,加上在洞口段隧道埋深往往较浅,结构上部岩土体难以形成承载拱,所以洞口仰坡地表坡面容易受拉开裂、经地表水侵入,其稳定性就很难得到保证。隧道洞口段经常是引起坍塌、构筑物开裂破坏的地段之一。因此,洞口段边坡的稳定性是隧道设计和施工时必须认真对待的问题。
　　隧道洞口段边坡稳定性的研究方法主要还是沿用工程地质中边坡稳定的研究方法。长期以来,在隧道设计和施工中多采用极限平衡理论计算分析洞门边坡的稳定性。如《日本土木工程手册?隧道》(1974)规定:覆盖土浅时用库仑土压公式;深则用科默累尔(kommerell)公式。我国铁路隧道自上世纪50年代开始编制标准设计起,就将洞门结构视作挡土结构,采用条分法设计。如《铁路隧道设计规范》(2001)规定洞门可视作挡土墙,检算强度、稳定性及基底应力。
　　20世纪70年代以来,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于隧道结构设计,尤其是在断面较大、地质条件复杂的情况下。邹启新等(2001),林正伟等(2003)隧道洞口边坡进行了二维有限元分析,得出了边坡变形和应力的变化规律,对加固效果进行了评价;沈春勇等(2001)对江西拓林水电站进水口边坡建立了三维有限元模型,将计算结果与现场监测的变形量对比,数值基本一致;朱合华等(2005),陈敏林等(2002)应用有限元软件法对洞口段隧道施工进行全过程三维弹塑性有限元模拟,分析了施工对隧道围岩变形的影响和施工中洞口边坡的稳定情况。从目前的发展趋势来看,三维模型、非线形并考虑动态施工工艺、地震荷载等的数值模拟法将是今后用于隧道洞口边坡稳定性研究的主要手段。
　　目前,对于隧道洞口段边坡的稳定性研究己有了很多方法和成果,但针对于黄土边坡,最合理的洞门位置及其对洞口边坡稳定的影响程度大小的研究还很不够充分,这是亟须解决的关键性问题之一。
　　1.2地震条件下边坡稳定性研究
　　地震荷载是一种典型的动荷载,其性状和静荷载有较大不同,因此其研究方法和静荷载的研究方法有较大不同,从工程应用的角度,可以通过一定的近似关系将地震荷载视为动荷载,这就是拟静力法。
　　自Terzaghi首次将拟静力法应用于边坡地震稳定性分析中以来,拟静力法因应用简便而得到大量应用,至今仍备受工程技术人员的青睐。拟静力法实质上是将地震动的作用简化为水平、竖直方向的恒定加速度作用,并施加在潜在不稳定的滑体重心上,加速度的作用方向取为最不利于边坡稳定的方向,将所产生的地震动作用作为水平和竖直方向的拟静荷载因子,其大小通常用地震系数 和 来表示,数值上等于水平或竖直加速度与重力加速度之比。将地震所产生的惯性力作为静力作用在边坡潜在不稳定滑体上,根据极限平衡理论,便可求出边坡的抗震安全系数。这个分析实质上与静力稳定性分析完全相同,所采用的方法是由静力稳定分析方法拓展而来的,只是添加了一个反映地震作用的地震系数,因而十分简便。抗滑安全系数与边坡抗剪强度指标(c、Φ)及密度、最危险滑动面的形状及位置、地下水位和地震系数等密切相关。在拟静力分析时,边坡抗剪强度指标可通过现场或试验室相应试验测定,亦可结合试验反算而定;而破坏面形状和位置常根据边坡地质条件用经验、工程类比等方法来确定,亦可用优化算法来确定。
　　自20世纪60年代有限元法用于土坝地震反应分析以来,特别是20世纪90年代中后期,伴随着计算机技术和计算力学的高速发展,有限元法及其它数值模拟法在边坡地震稳定性分析中获得了深入的研究和广泛的应用。目前,对边坡地震稳定性分析常采用的数值方法有有限元法、离散元法和快速拉格朗日元法;对于边坡的稳定性评价所采用的判定指标有安全系数和永久位移两种,从查阅的国内外文献来看,国内以安全系数为主,国外以永久位移为主。下面以边坡地震稳定性评价指标来分别论述:
　　就安全系数而言,结合极限平衡原理,国内取得了一些有价值的研究成果。钱胜国等选择三峡三号船闸作为研究对象,用反应谱法对开挖完工期间尚未浇筑混凝土时的闸首及闸室断面进行了二维有限元动力计算分析,提出了三号船闸高边坡在七度地震作用下的应力分布、变位、动力放大系数沿高程分布以及局部区域二维动力稳定安全系数。张建海等提出了采用刚体弹簧元计算边坡、坝基、坝肩等结构物在地震波作用下的动力安全系数,该方法给出的安全系数是随地震波的作用而发生波动,从而更深刻地反映了动力现象本质,并将该方法应用于工程实际。薄景山等将土边坡动应力作用下的应力状态概化为自重应力和附加动应力的叠加,采用时域集中质量的显式波动有限元法,结合多次透射公式,来分析地震过程中的动位移场、动应力场及稳定性系数的波动时程。刘汉龙等考虑到在地震过程中,边坡的稳定安全系数最小值出现在某一瞬间,用这个值评价边坡在地震荷载作用下的抗滑稳定性不太合适,提出了用最小安全平均安全系数作为评价指标,并给出了相应的计算方法,即利用安全系数最大振幅的0.65倍作为平均振幅来反映安全系数随地震波动变化的过程。陈玲玲等建立了评价岩质陡高边坡的稳定性计算公式,用反应谱法和时程分析法进行了计算,获得了动态特性、地震动力响应,并给出了可能滑裂面的抗剪强度储备比值,其结果可用于评价其稳定性。
　　全面比较各支护方式下高边坡的地震稳定性、提出提高边坡地震稳定性的措施是亟须解决的问题。
　　2问题与展望
　　以往对边坡稳定性的研究主要集中在各种岩石上,如风化岩等,针对黄土地区隧道洞口边坡稳定的研究甚少;以往对边坡的研究主要是集中在稳定性分析上,从边坡失稳机制分析、稳定性评价、施工关键技术等系统、综合考虑洞口边坡的稳定性研究成果较少。应具有针对性地研究黄土地区隧道洞口的边坡稳定性,并系统地通过现场实体工程,采用室内外试验和数值仿真相结合的方法,系统研究洞口段边坡失稳机制分析、评价其稳定性,并提出相应的施工关键技术,为工程实践提供理论依据。
　　以后研究的重点方向和总体思路可概括为以下几点:
　　1)在对黄土地区公路边坡稳定性研究现状调研的基础上,结合工程实体,通过传感技术(在工程实体埋设应力、应变传感器),辅以数值方法,采用定性与定量分析相结合的方法。
　　2)对黄土地区公路边坡,特别是隧道洞口边坡失稳机制和稳定性进行认真分析和评价后,
　　3)提出黄土地区隧道洞门位置的选择原则和洞口施工工艺的控制措施,为提高施工安全性和降低工程造价提供理论依据。
　　4)通过编制可操作性强的施工指南,为黄土地区公路设计和施工提供理论依据和参考。
　　
　　参考文献
　　[1]王哲,石豫川,柴贺军,万国荣.山区公路边坡岩体结构特征及其对边坡稳定性影响浅析[J].地质灾害与环境保护,2004,2.
　　[2]李育枢,高广运,李天斌.偏压隧道洞口边坡地震动力反应及稳定性分析[J].地下空间与工程学报,2006,2(5).