焦國(guó)鋒

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

拉薩—日喀則鐵路盆因拉隧道進(jìn)口高邊坡穩(wěn)定性研究

焦國(guó)鋒

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

拉日鐵路經(jīng)過(guò)雅魯藏布江峽谷區(qū)，在隧道進(jìn)出口地段形成許多高陡邊坡。盆因拉隧道進(jìn)口邊坡地形陡峻，邊坡的工程穩(wěn)定性直接影響施工安全，需要對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)對(duì)工程地質(zhì)資料的分析，采用赤平投影法和有限元模擬方法對(duì)盆因拉隧道進(jìn)口邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。赤平投影分析結(jié)果表明：邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要采取相應(yīng)的工程防護(hù)措施。有限元法結(jié)果表明：在開(kāi)挖加載狀態(tài)下，潛在剪切破壞點(diǎn)主要集中在隧道開(kāi)挖處周?chē)退淼蓝纯谏喜窟吰缕旅嬉约皹蚺_(tái)下部巖體。建議在工程施工開(kāi)挖時(shí)，做相應(yīng)的工程防護(hù)措施。

拉日鐵路 巖石邊坡 赤平投影 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

拉日鐵路東起拉薩向西經(jīng)雅魯藏布江峽谷到達(dá)日喀則市，全長(zhǎng)253 km。線路在經(jīng)過(guò)雅魯藏布江峽谷區(qū)時(shí)，在隧道進(jìn)出口地段形成許多高陡邊坡，這些邊坡的工程穩(wěn)定性直接影響施工安全，因此很有必要對(duì)高陡巖石邊坡進(jìn)行工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

目前巖石邊坡穩(wěn)定性分析的方法很多，如數(shù)值法、DDA(discontinuous deformation analysis)法、矢量分析法、隨機(jī)方法和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法、赤平投影作圖法等［1］。在考慮邊坡的應(yīng)力分布及工程荷載作用下的邊坡應(yīng)力分布特征時(shí)通常采用有限元法。

本文在對(duì)盆因拉隧道進(jìn)口邊坡進(jìn)行工程地質(zhì)資料分析的基礎(chǔ)上，采用赤平投影分析法［2］和有限元法對(duì)邊坡穩(wěn)定性和應(yīng)力分布特征進(jìn)行研究。

1 工程地質(zhì)條件

隧道進(jìn)口地形陡峻，自然邊坡70°～85°，坡面基巖裸露，植被稀疏。洞口上方7 m處為一負(fù)地形，其上方為一高8 m，寬6 m，長(zhǎng)15 m的基巖凸起，現(xiàn)有主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)下端已脫落、懸空。在多組結(jié)構(gòu)面、巖體自重、雨水等綜合作用下，巖體易失穩(wěn)、墜落，對(duì)既有洞口、溝內(nèi)已建橋墩造成嚴(yán)重的安全隱患。隧道基底下方有一右傾的長(zhǎng)大節(jié)理，橋臺(tái)開(kāi)挖后，隧道縱向右側(cè)3～5 m范圍內(nèi)橋臺(tái)下方的巖體穩(wěn)定性較差。

隧道進(jìn)口基巖裸露，巖性單一，為燕山期閃長(zhǎng)巖。以青灰色、淺灰色為主，局部呈灰綠色或灰黑色，中粗粒結(jié)構(gòu)，碎塊狀構(gòu)造。礦物成分主要為角閃石、石英、長(zhǎng)石、黑云母等，巖體致密、堅(jiān)硬，局部夾石英巖脈，節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體較完整，強(qiáng)風(fēng)化，見(jiàn)圖1。

圖1 盆因拉隧道進(jìn)口節(jié)理發(fā)育情況

巖體受構(gòu)造影響較嚴(yán)重。受構(gòu)造、卸荷及風(fēng)化作用的影響，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，本次調(diào)查中在洞內(nèi)量測(cè)的節(jié)理面主要為NE，NW向節(jié)理，多為共軛節(jié)理，主要的節(jié)理特征如下:

節(jié)理 J1:N19°W/48°SW，d=0.1 ～0.5 m，l＞10 m，微張，略有充填，粗糙;

節(jié)理 J2:N50°W/41°NE，d=0.05 ～ 0.3 m，l＞10 m，微張，略有充填，粗糙;

節(jié)理 J3:N75°E/72°NW，d=0.1 ～0.5 m，l＞10 m，微張，略有充填，平直;

節(jié)理 J4:N34°E/65°SE，d=0.01 ～ 0.05 m，l＞5 m，微張，略有充填。

盆因拉隧道進(jìn)口邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征:表面風(fēng)化嚴(yán)重，巖體較破碎，但仍主要為大塊體。巖體結(jié)構(gòu)面延伸長(zhǎng)度多數(shù)在5 m以上，主要發(fā)育有3組節(jié)理，節(jié)理裂隙多數(shù)為微張，節(jié)理面多數(shù)呈微起伏～起伏粗糙。節(jié)理裂隙微張，一般略有充填，結(jié)構(gòu)面連續(xù)性高。其主要的3 組節(jié)理面產(chǎn)狀為 N77°W/66°NW，N41°W/66°SW 和N48°E/73°SE，結(jié)構(gòu)體形態(tài)主要為長(zhǎng)方體和塊體。隧道進(jìn)口線路的走向?yàn)榻麰W，根據(jù)既有隧道進(jìn)口邊坡坍塌現(xiàn)狀，結(jié)合巖體節(jié)理裂隙發(fā)育情況，進(jìn)口邊坡的穩(wěn)定性自溝底至山脊縱向可分為4段進(jìn)行評(píng)價(jià):

1)溝底至高程H3769附近，該高程為洞口下方殘留卵石土上界。該段發(fā)育有2～3組節(jié)理，巖體多切割成塊狀、巨塊狀，完整性好。主節(jié)理走向總體為 NE向，傾向北，與線路大角度相交，在縱斷面中的反映為傾向山里的1組節(jié)理。且自然邊坡近似直立，巖體新鮮、完整。因此，本段邊坡穩(wěn)定性好，無(wú)需防護(hù)。

2)高程 H3769附近至隧道基底高程 H3798。該段巖體發(fā)育以上4組節(jié)理，其中節(jié)理J2，J4為順坡向節(jié)理，為不利結(jié)構(gòu)面。在橋臺(tái)開(kāi)挖后，其線路右側(cè)基巖山體較薄，在爆破、機(jī)械振動(dòng)、附加荷載等綜合因素的影響下，隧道基底下方的長(zhǎng)大節(jié)理J3易延伸、擴(kuò)張，導(dǎo)致其上方右側(cè)巖體失穩(wěn)。同時(shí)，對(duì)橋臺(tái)、隧道基礎(chǔ)的穩(wěn)定性造成威脅。

3)隧道基底高程H3798至洞頂凸起基巖上方高程H3820附近。本段為塌方段落，塌方導(dǎo)致洞頂以上7 m處高程H3812為一負(fù)地形，其上方巖體凸起、懸空。該塌方體受J1，J2，J4節(jié)理面控制，形成一個(gè)菱形砌體，在人為機(jī)械擾動(dòng)作用下墜落。

4)洞頂凸起基巖上方高程 H3820附近至山脊。本段施工中已采取了主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的處理措施，但本段由于受塌方體的影響，加之對(duì)其前端懸空巖體的爆破清除、刷方，導(dǎo)致原本處于穩(wěn)定狀態(tài)的坡面，在以上4組節(jié)理面、巖體自重、雨水等的共同作用下，形成新的危石。

2 赤平投影分析

邊坡在高程H3769附近至隧道基底高程H3798和洞頂凸起基巖上方高程H3820附近至山脊這兩段邊坡發(fā)育有4組節(jié)理，但兩段邊坡的傾角不同。通過(guò)工程地質(zhì)斷面圖可以得出H3769附近至隧道基底段邊坡的產(chǎn)狀為N10°W/62°NE，洞頂凸起基巖上方至山脊段邊坡的產(chǎn)狀為 N10°W/44°NE。隧道基底 H3798至洞頂凸起基巖上方H3820附近段邊坡主要發(fā)育有J1，J2，J4 3 組節(jié)理，邊坡的產(chǎn)狀為 N10°W/84°NE。

2.1 計(jì)算參數(shù)選取

該段邊坡閃長(zhǎng)巖應(yīng)用產(chǎn)狀:節(jié)理 J1，N19°W/48°SW;節(jié)理 J2，N50°W/41°NE;節(jié)理 J3，N75°E/72°NW;節(jié)理 J4，N34°E/65°SE。

坡面 Slope1:N10°W/62°NE(H3769 ～ H3798);坡面 Slope2:N10°W/84°NE(H3798 ～ H3820);坡面Slope3:N10°W/44°NE(H3820 ～ 山脊)。應(yīng)用的相關(guān)參數(shù):巖石層間綜合摩擦角38°。

2.2 赤平投影法穩(wěn)定性分析［3-5］

采用赤平投影分析法，繪出節(jié)理、邊坡臨空面空間組合關(guān)系圖(圖2)，從圖2(a)和圖2(c)可以看出:坡面投影區(qū)穿過(guò)單滑面1，2，3和 4，雙滑面 12，13，14以及墜落體 G，未穿過(guò)雙滑面23，24和34。故雙滑面23，24和34的滑塌形式是在邊坡臨空面出露的滑塌體，從各切割錐的穩(wěn)定性系數(shù)分析得知，雙滑面23，24和34的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.06，0.89，1.31。故雙滑面滑塌體34處于穩(wěn)定狀態(tài)，雙滑面滑塌體23處于基本穩(wěn)定，雙滑面滑塌體24不穩(wěn)定，會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)。故盆因拉隧道進(jìn)口邊坡 H3769～H3798段和H3820～山脊段巖體在自然狀態(tài)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在施工前需采取工程防護(hù)措施。

圖2 邊坡赤平投影

從圖2(b)可以看出:坡面投影區(qū)未穿過(guò)雙滑面24，故雙滑面24的滑塌形式是在邊坡臨空面出露的滑塌體。雙滑面24的穩(wěn)定系數(shù)為0.89，故雙滑面滑塌體24不穩(wěn)定，會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)。故盆因拉隧道進(jìn)口邊坡H3798～H3820段巖體在自然狀態(tài)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在施工前需采取工程防護(hù)措施。

3 有限元分析

基于邊坡工程地質(zhì)資料和有限元法模型建立原則［6］，建立地質(zhì)模型和離散模型，見(jiàn)圖3(a)和圖3(b)，對(duì)模型進(jìn)行邊界約束:側(cè)面X向不變形，底面Y向不變形。計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。開(kāi)挖狀態(tài)下邊坡剪應(yīng)力分布見(jiàn)圖3(c)。

圖3 盆因拉隧道計(jì)算模型

表1 數(shù)值模擬巖石物理力學(xué)參數(shù)取值

應(yīng)力變形分析:最大水平向應(yīng)力、最大垂直向應(yīng)力和最大剪應(yīng)力均出現(xiàn)在隧道開(kāi)挖加載的邊角處。由于隧道的開(kāi)挖加載，應(yīng)力發(fā)生重新分布，在隧道開(kāi)挖邊角處產(chǎn)生較明顯的局部應(yīng)力集中。根據(jù)以上分析，邊坡開(kāi)挖加載改變了巖體內(nèi)原始應(yīng)力狀態(tài)，并產(chǎn)生局部應(yīng)力集中。為適應(yīng)新的應(yīng)力狀態(tài)，邊坡向開(kāi)挖臨空面方向發(fā)生回彈變形，邊坡臨空面變形較大。

強(qiáng)度分析:采用莫爾強(qiáng)度理論準(zhǔn)則［7］對(duì)開(kāi)挖后邊坡巖體抗拉強(qiáng)度進(jìn)行破壞分析，取強(qiáng)度因子 σt=2 MPa，C=0.3 MPa，φ =38°。在隧道開(kāi)挖加載處發(fā)生應(yīng)力集中，潛在剪切破壞點(diǎn)主要集中在隧道開(kāi)挖處周?chē)⑺淼蓝纯谏喜窟吰缕旅嬉约皹蚺_(tái)下部巖體。

4 結(jié)論與建議

盆因拉隧道進(jìn)口邊坡發(fā)育4組節(jié)理，其中節(jié)理J1傾向與邊坡傾向相反，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較小，節(jié)理J3的傾向與邊坡傾向垂直。節(jié)理J2，J4為順坡向節(jié)理，為不利結(jié)構(gòu)面，嚴(yán)重影響邊坡的穩(wěn)定性。由結(jié)構(gòu)面切割形成的楔形體可能沿節(jié)理面J2和J4，J2和J3，或者J3和J4滑動(dòng)，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在降雨、隧道施工、橋臺(tái)開(kāi)挖等作用下，邊坡上將形成滑塌體，需要采取相應(yīng)的工程防護(hù)措施。

盆因拉隧道進(jìn)口邊坡在自然狀態(tài)下是處于穩(wěn)定的，開(kāi)挖加載狀態(tài)下，隧道開(kāi)挖加載處發(fā)生應(yīng)力集中，潛在剪切破壞點(diǎn)主要集中在隧道開(kāi)挖處周?chē)?、隧道洞口上部邊坡坡面以及橋臺(tái)下部巖體。建議在工程施工開(kāi)挖時(shí)，采取相應(yīng)的工程防護(hù)措施。

盆因拉隧道進(jìn)口邊坡巖體穩(wěn)定性差。坡面巖體在4組結(jié)構(gòu)面的作用下，形成潛在不穩(wěn)定巖體，對(duì)隧道基底、橋臺(tái)基礎(chǔ)均構(gòu)成嚴(yán)重威脅，需采取清危、主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)、錨索框架梁等綜合治理措施。隧道洞口上方楔形危巖體，在降雨、機(jī)械震動(dòng)、施工擾動(dòng)等作用下很可能發(fā)生滑塌，影響邊坡穩(wěn)定性，對(duì)下部的隧道口、橋臺(tái)施工及已建橋墩的安全造成嚴(yán)重威脅。需采取爆破清除、刷方、錨索框架梁等綜合治理措施。邊坡在開(kāi)挖加載橋臺(tái)時(shí)，需加固隧道洞口上部邊坡巖體，并對(duì)橋臺(tái)基礎(chǔ)巖體采取加固措施，提高基礎(chǔ)巖體強(qiáng)度。

［1］楊志法，王思敬，高丙麗．坐標(biāo)投影圖解法及其在巖石塊體穩(wěn)定分析中的應(yīng)用［M］．北京．科學(xué)出版社，2009．

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U453．1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．09．21

1003-1995(2013)09-0068-03

2012-12-23;

2013-05-20

鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2011G027-B)

焦國(guó)鋒(1974— )，男，山西運(yùn)城人，高級(jí)工程師。

(責(zé)任審編 趙其文)