高美奔，鄧 輝，涂國祥，劉云鵬

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都 610059)

在我國西南地區(qū)高速公路建設(shè)中會遇到需要開挖冰水堆積體邊坡的情況。這種邊坡具有復(fù)雜的沉積和結(jié)構(gòu)特征，主要由碎塊石和土組成，具有一定程度的弱膠結(jié)，膠結(jié)物成分一般為泥質(zhì)，局部呈弱鈣質(zhì)膠結(jié)，受地表水及地下水影響較大。文獻［1-6］對西南地區(qū)冰水堆積體的分布、成因、沉積特征、結(jié)構(gòu)特征、工程特性、形成演化歷史過程等方面展開了研究。文獻［7-8］研究了瀾滄江古水電站壩前冰水堆積體滲流及強度特性，認為冰水堆積體的透水能力較差，表現(xiàn)出一定程度的層流～紊流過渡狀態(tài)的特點。其抗剪強度較高，剪切破壞過程存在較明顯的應(yīng)變強化和剪脹現(xiàn)象，其強度包絡(luò)線在低應(yīng)力水平下呈直線狀，在高應(yīng)力水平下呈非線性下凹形。文獻［1，7-8］在對西南山區(qū)河谷冰水堆積體長期研究過程中發(fā)現(xiàn)，冰水堆積體顆粒粒徑分布范圍廣，主要以巨顆粒和2～60 mm的粗顆粒為主，土體不均勻系數(shù)高，組成堆積體的物質(zhì)成分復(fù)雜，且大多屬遠源物質(zhì)，結(jié)構(gòu)密實，少見架空現(xiàn)象，一般呈中密～密實狀，大多還具有一定程度的泥質(zhì)或弱鈣質(zhì)膠結(jié)。文獻［9］認為古水古湖形成于晚更新世早中期的末次間冰期晚期和末次冰期的早冰階與間冰階早期，很可能是大型冰川(如下游的明永冰川等)或巨量的冰水沉積物堰塞了瀾滄江河谷而造成的結(jié)果。文獻［10-12］對金沙江沿岸的部分冰水堆積體形成及演化作了較為深入的研究。

雅瀘高速公路崗子上隧道位于四川省漢源縣縣城西南約10 km的小堡鄉(xiāng)境內(nèi)，線路進口接青杠咀特大橋，出口接宰螺河大橋。下游瀑布溝電站蓄水后，將會使得岸坡前緣約1/4冰水堆積體處于水下。若崗子上隧道進口開挖邊坡產(chǎn)生失穩(wěn)，將致使瀑布溝水庫涌浪或淤堵，造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，研究崗子上冰水堆積體隧道進口邊坡開挖支護過程中的應(yīng)力、應(yīng)變特征及選擇合理的支護措施，確保邊坡穩(wěn)定，對瀑布溝水庫和雅瀘高速的安全運營具有重要意義。

1 工程概況

崗子上隧道進出口緊鄰大渡河右岸展布，橫穿大渡河右岸凸岸尖頂山山脊，為雙洞分離小凈距越嶺長隧道。隧道左右洞同長，全長1 460 m，單洞雙車道，建筑限界凈寬10.25 m，凈高5.0 m。隧道最大埋深約480 m，洞軸線走向在 225°57'～ 239°51'，公路下方的大渡河正常水位在768～770 m，下游瀑布溝電站蓄水后正常水位將抬升至850 m。隧道進口古冰水堆積體邊坡傾向約40°，坡度在32°～55°，坡面呈直線狀，前緣臨空。

據(jù)地面地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭露場地內(nèi)出露地層主要有上～中更新統(tǒng)冰積、冰水沉積層(Qgl+fgl2+3)及震旦系下統(tǒng)蘇雄—開建橋組(Zas-k)。

冰水堆積層根據(jù)其顆粒組成主要為碎塊石土，紫紅色、紫灰色，覆于地表或伏于含礫低液限粉土下，分布于隧道進口附近及其下部坡體山梁一帶。組成成分濕，松散～中密，泥質(zhì)弱膠結(jié)，一般粒徑＞200 mm約占35% ～55%，60～200 mm約占10% ～20%，20～60 mm約占10% ～20%，2～20 mm約5% ～20%，余為砂及細粒土充填，級配較好，分選差，最大塊徑達2.9 m，呈棱角狀及少量次棱角狀、次圓狀。石質(zhì)成分主要為弱風(fēng)化花崗巖、流紋斑巖，其次為花崗閃長巖、安山巖等，土質(zhì)不均，局部為小塊石。厚度一般約25～40 m。

邊坡出露基巖主要是震旦系下統(tǒng)蘇雄—開建橋組(Zas-k)，主要為暗紫紅色、紫灰色、綠灰色流紋斑巖，?；郀罱Y(jié)構(gòu)，流紋斑雜狀、塊狀構(gòu)造，礦物成分以鉀長石及石英為主，斑晶礦物以鉀長石、石英、酸性斜長石為主，斑晶1～10 mm，含量25% ～45%，基質(zhì)為玻璃質(zhì)及長英質(zhì)。裂隙發(fā)育，巖體呈破碎～較完整狀，節(jié)理裂隙面見少量絹云母化蝕變礦物，表層巖體較破碎，呈塊狀及碎石狀，強風(fēng)化帶厚度在0～13.2 m。

2 邊坡開挖主要問題

下游瀑布溝電站蓄水后，會使得岸坡前緣約1/4冰水堆積體處于水下。據(jù)調(diào)查，該部分冰水堆積體由碎塊石和土組成，具有一定程度的弱膠結(jié)，膠結(jié)物成分一般為泥質(zhì)，局部呈弱鈣質(zhì)膠結(jié)，在水的軟化作用及孔隙水壓力作用下將可能誘發(fā)隧道進口開挖邊坡產(chǎn)生失穩(wěn)，此外由于隧道進口仰坡開挖坡度較大，導(dǎo)致前緣臨空側(cè)巖土體變薄，為冰水堆積體開挖邊坡下滑提供了較為有利的前緣剪出條件，存在失穩(wěn)的可能。因此崗子上隧道進口冰水堆積體邊坡主要面臨兩方面問題:一是開挖邊坡穩(wěn)定性問題，二是如何選取合適的開挖邊坡治理方案。

3 邊坡支護措施

根據(jù)開挖邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果以及破壞面形態(tài)，同時考慮到隧道外接跨河大橋?qū)吰伦冃慰刂频奶厥庖?，提出?級放坡。放坡線下部開口線位于樁號K95+190，自下而上第1，2級坡比為1∶1.75;第3級坡比為1∶1.5;第 4，5 級(隧道仰坡)坡比為 1∶0.75。在開挖隧道進口下部，剪出口上部布設(shè)抗滑樁，并用橫梁將2排樁頂部連接，以提高支擋結(jié)構(gòu)物整體剛度。其中，坡腳樁號K95+190設(shè)置一排抗滑樁(C排樁)，樁長為24 m，截面尺寸為2 m×3 m，間距為5 m。另外在樁號約K95+244處設(shè)置2排抗滑樁，2排樁之間間距為6.5 m。外側(cè)樁(A排樁)長為27 m，截面尺寸為2 m×3 m，樁間距為5 m。內(nèi)側(cè)樁(B排樁)長27 m，截面尺寸為2 m×3 m，間距為5 m。2排樁頂采用承臺相連，樁頂以下4 m設(shè)置一地梁相連。隧道仰坡采用錨桿框架支護，第1級坡布設(shè)5排長10 m，直徑φ28的普通全漿錨桿，第2級仰坡布設(shè)5排長15 m，直徑φ28的全漿錨桿。支護方案設(shè)計如圖1所示。

圖1 支護方案設(shè)計(單位:m)

4 邊坡開挖支護過程數(shù)值分析

運用Geo-studio(sigma)軟件，研究崗子上邊坡工程開挖支護過程中邊坡變形破壞趨勢及應(yīng)力、應(yīng)變特征，探討抗滑樁+錨桿支護措施的效果。

4.1 計算參數(shù)及邊界條件選取

根據(jù)前期勘查資料及試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研資料及工程地質(zhì)類比，綜合確定了邊坡內(nèi)各巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

據(jù)區(qū)域資料顯示，該邊坡地區(qū)應(yīng)力場以重力場為主，構(gòu)造應(yīng)力較小。尤其在地殼淺表層，構(gòu)造應(yīng)力場在斜坡形成過程中受后期風(fēng)化卸荷作用，已經(jīng)基本釋放完畢。因此，本次有限元計算模擬邊界條件采用邊界節(jié)點固定約束類型。

4.2 模型構(gòu)建及計算方法選取

綜合考慮邊坡巖性組合及巖體結(jié)構(gòu)特征等邊坡實際工程地質(zhì)條件，假定邊坡巖體應(yīng)力、應(yīng)變之間的本構(gòu)關(guān)系為彈塑性，巖體的破壞服從摩爾—庫侖準則。本次有限元計算中，有限元單元的劃分以三節(jié)點、三角形單元為主，輔以少量四節(jié)點、四邊形單元。模型共劃分了1 612個單元。整個有限元計算網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 有限元計算網(wǎng)格模型

4.3 邊坡初始應(yīng)力、應(yīng)變場特征

邊坡初始應(yīng)力、應(yīng)變場見圖3，從圖中可見:

1)應(yīng)力特征。由圖3(a)可見，初始狀態(tài)下邊坡最大主應(yīng)力方向在坡內(nèi)深部與重力方向近于一致，靠近邊坡表層最大主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在邊坡表層其方向變?yōu)榕c坡面近于平行;由圖3(b)可見，邊坡最大剪應(yīng)力方向在坡內(nèi)深部與重力方向近于一致，與最大主應(yīng)力一樣，靠近邊坡表層最大主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在邊坡表層其方向變?yōu)榕c坡面近于平行。

2)應(yīng)變特征。由圖3(c)和圖3(d)可見，變形方向與坡面平行，在隧道入口一定深度處有變形集中帶。

3)總體而言，邊坡初始應(yīng)力場表現(xiàn)出明顯受重力場控制的斜坡應(yīng)力場特征。

圖3 邊坡初始應(yīng)力、應(yīng)變場(應(yīng)力單位:kPa;應(yīng)變單位:m)

4.4 邊坡開挖后應(yīng)力、應(yīng)變場特征

邊坡開挖后應(yīng)力、應(yīng)變場見圖4，從圖中可見:

1)應(yīng)力特征。由圖4(a)可見，開挖后，邊坡最大主應(yīng)力變化不大，與初始狀態(tài)下相似，最大值約為4 500 kPa;由圖4(b)可見，開挖后邊坡剪應(yīng)力在隧道入口處有一定的變化。方向有突變，出現(xiàn)應(yīng)力集中。

2)應(yīng)變特征。從圖4(c)和圖4(d)中可見，邊坡開挖后在基覆界面處形成應(yīng)變集中帶，應(yīng)變明顯增加，最大剪應(yīng)變可達0.8 mm，最大應(yīng)變值約為0.5 mm。

圖4 邊坡開挖后應(yīng)力、應(yīng)變場(應(yīng)力單位:kPa;應(yīng)變單位:m)

3)總體分析。開挖后，邊坡應(yīng)力、應(yīng)變場與初始應(yīng)力、應(yīng)變場相比有一定變化。因工程挖方量較大，開挖對邊坡應(yīng)力、應(yīng)變場產(chǎn)生了一定范圍的改變，致使應(yīng)變明顯增加，若無支護，高程850～910 m段邊坡體將從環(huán)湖公路沿應(yīng)變集中帶在開挖形成的前緣臨空位置剪出。

4.5 邊坡支護后應(yīng)力、應(yīng)變特征

抗滑樁+錨桿支護后邊坡應(yīng)力、應(yīng)變場見圖5，從圖中可見:

圖5 邊坡支護后應(yīng)力、應(yīng)變場(應(yīng)力單位:kPa;應(yīng)變單位:m)

1)應(yīng)力特征。由圖5(a)可見，支護后邊坡最大主應(yīng)力等值線在B排樁后緣發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)和突變，最大主應(yīng)力等值線圖變?yōu)椤巴馔箖?nèi)凹”，致使B排樁與錨桿(長5 m)區(qū)間最大主應(yīng)力增大約200 kPa，第1根等值線位置處由原來200 kPa增加到500 kPa;由圖5(b)可見，剪應(yīng)力在排樁底部和錨桿尾端均發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)和突變，剪應(yīng)力等值線在樁底變?yōu)椤巴獍純?nèi)凸”，致使臨近區(qū)域剪應(yīng)力水平值低于原來水平。

2)應(yīng)變特征。從圖5(c)和圖5(d)可見，支護后應(yīng)變在B排樁后近坡表位置處發(fā)生了明顯偏轉(zhuǎn)，該區(qū)域最大應(yīng)變變?yōu)榧杏跇逗?，且位移值有一定程度的降低?/p>

3)總體分析?？够瑯?錨桿支護措施有效地控制了坡體的變形，剪切破壞面未貫通，在與抗滑樁接觸面附近，方向發(fā)生了明顯改變，保證了邊坡的穩(wěn)定性。同時錨桿能起到輔助坡面的作用。

5 結(jié)論

通過對崗子上隧道口冰水堆積體邊坡開挖與支護過程的分析，可以得出以下結(jié)論:

1)在天然狀態(tài)下，崗子上隧道口冰水堆積體邊坡應(yīng)力場表現(xiàn)出明顯受重力場控制的斜坡應(yīng)力場特征，整體穩(wěn)定性較好。

2)工程開挖致使基覆界面處應(yīng)變明顯增加，若無支護，高程850～910 m段邊坡體將從環(huán)湖公路沿應(yīng)變集中帶在開挖形成的前緣臨空位置剪出。

3)抗滑樁+錨桿支護措施有效地控制了邊坡的變形，能確保邊坡的穩(wěn)定性，將為隧道的安全使用和運營提供有力保證。

［1］中國第四紀冰川與環(huán)境研究中心，中國第四紀研究委員會.中國西部第四紀冰川與環(huán)境［M］.北京:科學(xué)出版社，1996.

［2］涂國祥.西南河谷典型古冰水堆積體工程特性及穩(wěn)定性研究［D］.成都:成都理工大學(xué)，2011.

［3］劉云鵬，黃潤秋，鄧輝.庫岸再造對雅瀘高速公路崗子上隧道進口岸坡的影響［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2011，19(3):417-427.

［4］姚鑫，張永雙，李宗亮，等.四川瀘定磨西臺地第四紀冰水臺地邊坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2009，17(5):597-605.

［5］周家文，徐衛(wèi)亞，孫懷昆.古水水電站工程區(qū)域堆積體邊坡工程地質(zhì)分析［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2009，17(4):489-495.

［6］王運生，黃潤秋，段海澎.中國西部末次冰期一次強烈的侵蝕事件［J］.成都理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2006，33(1):73-76.

［7］涂國祥，黃潤秋，鄧輝.瀾滄江某冰水堆積體演化過程及工程地質(zhì)問題探討［J］.山地學(xué)報，2009，27(1):54-62.

［8］涂國祥，黃潤秋，鄧輝.典型冰水堆積體浪蝕作用下變形破壞機制研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2006，16(5):598-604.

［9］張永雙，趙希濤.瀾滄江云南德欽古水一帶第四紀堰塞湖的沉積特征及其環(huán)境意義［J］.地質(zhì)學(xué)報，2008，82(2):262-268.

［10］趙希濤，鄭綿平，李道明.云南迪慶小中甸古湖的形成演化及其與石鼓古湖和金沙江河谷發(fā)育的關(guān)系［J］.地質(zhì)學(xué)報，2007，81(12):1845-1851.

［11］趙希濤，張永雙，曲永新，等.玉龍山西麓更新世冰川作用及其與金沙江河谷發(fā)育的關(guān)系［J］.第四紀研究，2007，27(1):35-44.

［12］張明，胡瑞林.金沙江下咱日堆積體的成因和穩(wěn)定性初步分析［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2008，16(4):445-449.