張 穎

(遼寧有色勘察研究院， 遼寧 沈陽 110013)

大前石嶺隧道進(jìn)口巖堆體的穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

張 穎

(遼寧有色勘察研究院， 遼寧 沈陽 110013)

大前石嶺隧道進(jìn)口巖堆發(fā)育，覆蓋層較厚，巖堆邊坡表觀上處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在施工作業(yè)等人為作用以及外界環(huán)境擾動(dòng)(如降雨、爆破等)作用下巖堆極易失穩(wěn)?；诂F(xiàn)狀巖堆發(fā)育特征，分析隧道進(jìn)口巖堆體失穩(wěn)機(jī)理，從定性和定量的角度，給出現(xiàn)狀和施工2種工況下隧道進(jìn)口巖堆的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，同時(shí)分析對(duì)路基、隧道等工程造成的危害，并給出處理措施建議，以保證隧道施工、線路運(yùn)營的安全性，為工程建設(shè)中巖堆體誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的防治提供參考與借鑒。

隧道進(jìn)口；巖堆體；穩(wěn)定性評(píng)價(jià)；大前石嶺隧道

0 引言

隨著鐵路隧道的不斷興建，隧道洞口段極易受到偏壓地形以及潛在的滑坡、剝落、崩塌等各種邊坡變形破壞問題[1]，其中松散巖堆體變形破壞而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的問題，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成了極大的潛在威脅，是巖土工程領(lǐng)域中較為棘手的研究難點(diǎn)，因此，對(duì)隧道洞口松散巖堆體邊坡的穩(wěn)定性開展研究顯得十分重要。

巖堆是巖石山坡在各種物理、化學(xué)作用下失穩(wěn)，產(chǎn)生塌滑、剝落，形成大小不一的巖石碎塊、巖屑，在自然營力的作用下搬運(yùn)、堆積形成的松散堆積物體，屬于典型的不良工程地質(zhì)作用[2-3]。巖堆的穩(wěn)定性受巖堆體物質(zhì)組成、水文氣象、地震、施工等多種因素影響，導(dǎo)致其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有很大的復(fù)雜性和多變性。巖堆的形成一般可分為三個(gè)階段：母巖的風(fēng)化崩解、風(fēng)化崩解物的搬運(yùn)、堆積[4]。目前田師府至桓仁鐵路工程大前石嶺隧道進(jìn)口段巖堆已發(fā)展到第三個(gè)階段，堆積的松散介質(zhì)將嚴(yán)重影響隧道進(jìn)口邊坡的穩(wěn)定性，成為隧道安全施工過程中亟需解決的工程技術(shù)難題，因此，在經(jīng)濟(jì)性原則的基礎(chǔ)上需采取必要的工程措施保證進(jìn)口巖堆的穩(wěn)定性，使得工程得以順利進(jìn)行。

1 工程概況

大前石嶺隧道進(jìn)口巖堆分布于本溪市桓仁縣大雅河流域一側(cè)中低山區(qū)，海拔高度370～1338 m，山坡自然坡度15°～34°。在風(fēng)化剝蝕作用下，形成的松散堆積物體，屬于典型的不良工程地質(zhì)現(xiàn)象。該巖堆主軸方向上部稍陡，下部平緩，斷面呈近似線形，堆積體呈現(xiàn)錐體狀，且前緣基本都延伸到下覆巖層坎邊或河床，從分布形態(tài)上可定為單面坡。該區(qū)域內(nèi)為中低山及丘陵地貌，地形陡峭，沖溝發(fā)育，河流流經(jīng)地段地勢(shì)相對(duì)平緩，兩岸階地發(fā)育。地貌類型有山間沖洪積谷地、剝蝕構(gòu)造中低山。

目前隧道進(jìn)口自然坡度約23°，地勢(shì)起伏，大部分為植被覆蓋，少部分為裸露巖堆，石塊直徑0.3～1.2 m，巖堆呈塊石土、角礫土及碎石土狀，縫隙多充填粘性土。巖堆巖塊巖性為石英砂巖，屬于硬質(zhì)巖石。據(jù)鉆探及物探結(jié)果，覆蓋厚度為26.3～32 m。巖堆結(jié)構(gòu)松散，空隙度大，植被發(fā)育地區(qū)充填細(xì)顆粒，具有軟弱的粘結(jié)。下部地層為弱風(fēng)化石英砂巖。巖堆全貌如圖1所示。

圖1 巖堆全貌

2 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法及原理

巖堆體邊坡穩(wěn)定性分析需要結(jié)合巖體和土體邊坡穩(wěn)定性分析方法。對(duì)巖堆穩(wěn)定性分析，首先應(yīng)考慮堆積體整體穩(wěn)定性，其次為堆積體自身的坡面穩(wěn)定性。本次隧道進(jìn)口巖堆邊坡穩(wěn)定性計(jì)算考慮巖堆實(shí)際情況，以最危險(xiǎn)地段斷面為施工階段穩(wěn)定性評(píng)價(jià)對(duì)象，采用極限平衡法——畢肖普(Bishop)法和簡(jiǎn)布(Janbu)法進(jìn)行。

依據(jù)《鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)》(修訂版)等規(guī)程[5-7]規(guī)定：通常應(yīng)根據(jù)滑坡的現(xiàn)狀，對(duì)其研究程度以及它的危害性、工程的重要性等，確定滑坡穩(wěn)定安全系數(shù)KST值。

本次評(píng)價(jià)對(duì)象為位于田師府至桓仁鐵路沿線大前石嶺隧道進(jìn)口的巖堆，屬于重要工程，但就施工措施而言，又屬于臨時(shí)工程，因此，本次評(píng)價(jià)穩(wěn)定性安全系數(shù)取為KST=1.4。

2.1 定性評(píng)價(jià)

2.1.1 現(xiàn)狀工況

本項(xiàng)目巖堆已發(fā)展到母巖崩解物的堆積階段，堆積的松散介質(zhì)將嚴(yán)重影響隧道進(jìn)口邊坡的穩(wěn)定性[8]。從巖堆的地貌形成分區(qū)來看，總體上與巖堆的形成階段相對(duì)應(yīng)，本項(xiàng)目區(qū)形成區(qū)與流通區(qū)的界限明顯，流通區(qū)與堆積區(qū)已連接在一起，沒有明顯界限，依巖堆的發(fā)展變化，各區(qū)均在不斷地變動(dòng)，堆體分布面積大于形成區(qū)。

從松散巖堆體的穩(wěn)定性定性分析來看，現(xiàn)場(chǎng)可較為明顯地看到巖堆體整體滑動(dòng)后緣滑壁呈弧形分布，總體上前部較平緩，中后部較陡。依據(jù)滑體的變形特征與形成機(jī)制，該滑坡為推移式滑坡。坡體表象穩(wěn)定，屬于趨于靜止階段，但是在不良自然作用(如降雨、凍融、地震等)和人為作用(如施工開挖、爆破等)下，土質(zhì)粘結(jié)的松散堆積坡體極易產(chǎn)生滑動(dòng)。尤其降雨工況下，雨水順著滑坡后壁滲入，在基巖與松散介質(zhì)接觸面上形成軟弱滑帶，造成巖堆整體滑動(dòng)的破壞模式。

2.1.2 施工工況

大前石嶺隧道進(jìn)口巖堆在施工作用下，考慮到上覆巖堆松散介質(zhì)的特殊性以及土質(zhì)粘結(jié)強(qiáng)度弱，隧道明挖區(qū)仰坡部位易發(fā)生塌滑現(xiàn)象。且?guī)r堆體內(nèi)聚力很小，整體抗剪強(qiáng)度低，圍巖自穩(wěn)性差，雖然隧道開挖面在開挖過程中會(huì)采取支護(hù)襯砌等措施，但在隧道開挖施工中上覆巖堆會(huì)產(chǎn)出較大的松動(dòng)壓力，巖堆堆積體在重力作用下易形成地表下沉，可能發(fā)生坍塌、冒頂現(xiàn)象，存在重大安全隱患[9]。此外，該巖堆邊坡中下部坡度較為平緩，起到主要支持作用，對(duì)巖堆滑坡穩(wěn)定有利，但施工中在坡腳處開挖隧道進(jìn)口，將會(huì)削弱此支持作用，誘發(fā)邊坡上部堆積體下滑，且造成地表開裂。

隧道施工對(duì)巖堆體穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在巖堆體局部失穩(wěn)(坍塌)和沿基巖面整體失穩(wěn)兩方面，巖堆體邊坡在施工中，對(duì)爆破等施工荷載作用敏感，松動(dòng)圍巖易發(fā)生淺層滑動(dòng)，因此，在施工條件下，巖堆體的破壞模式主要分析為沿巖堆體內(nèi)部的滑面滑動(dòng)，當(dāng)在降雨等影響下，會(huì)進(jìn)一步加重邊坡的失穩(wěn)。且?guī)r堆坡體破壞面主要集中在表層，表層活動(dòng)碎石被沖刷、搬運(yùn)，發(fā)生小范圍滑動(dòng)破壞，坡體深層滑動(dòng)的可能性較小。

2.2 定量評(píng)價(jià)

2.2.1 計(jì)算模型的確定

以隧道進(jìn)口主剖面為研究對(duì)象，結(jié)合定性分析巖堆體的滑坡破壞模式，分別利用Geoslope軟件采用畢肖普法和簡(jiǎn)布法從隧道施工明挖放坡和明挖放坡加設(shè)抗滑樁兩方面來分別進(jìn)行正常工況與降雨工況下的穩(wěn)定性計(jì)算，以確定施工措施的可行性，為該段隧道設(shè)計(jì)及施工提供科學(xué)依據(jù)。隧道進(jìn)口巖堆主剖面模型如圖2所示。

2.2.2 計(jì)算參數(shù)選取

穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)是基于巖土工程勘察報(bào)告的基礎(chǔ)上，再結(jié)合相應(yīng)工程經(jīng)驗(yàn)所取，如表1所示。

2.2.3 穩(wěn)定性分析

隧道施工在正常工況和降雨入滲不利工況下，對(duì)比明挖放坡以及加設(shè)抗滑樁條件下的巖堆邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表2、表3，具體分析如下。

圖2 隧道進(jìn)口巖堆主剖面模型(明挖放坡加設(shè)抗滑樁)表1 巖堆邊坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

巖土名稱天然重度/(kN·m-3)飽和重度/(kN·m-3)粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)飽水內(nèi)摩擦角/(°)滲透系數(shù)/(m·d-1)巖堆體 22.023.50343334石英砂巖27.028.00757375

表2 正常工況下樁身參數(shù)及穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

表3 考慮降雨入滲條件下抗滑樁樁身參數(shù)及穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

2.2.3.1 正常工況下

從表2計(jì)算結(jié)果可以看出，該隧道施工中僅采取明挖放坡措施下穩(wěn)定性系數(shù)均小于要求最小安全系數(shù)，而再加設(shè)2排抗滑樁情況下，計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)均大于要求的最小安全系數(shù)，由此可見，為保證隧道施工的安全，采取明挖放坡加設(shè)抗滑樁的施工措施是有效的。

2.2.3.2 降雨工況下

從表3計(jì)算結(jié)果可以看出，在考慮降雨入滲條件下該隧道施工中僅采取明挖放坡措施下穩(wěn)定性系數(shù)均小于要求最小安全系數(shù)，而再加設(shè)兩排抗滑樁情況下，計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)均大于要求的最小安全系數(shù)，由此可見，為保證隧道施工的安全，采取明挖放坡加設(shè)抗滑樁的施工措施是有效的。而且計(jì)算結(jié)果也顯示，在考慮降雨工況下，采取一定施工措施條件下巖堆邊坡穩(wěn)定性系數(shù)較正常工況稍有下降，但施工措施是有效的。

2.3 穩(wěn)定性計(jì)算所采取的施工措施

為了保證隧道施工安全，本次穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中采取了相應(yīng)的施工措施，具體說明如下。

(1)在隧道洞口采用明挖施工，槽體橫斷面呈倒梯形，開挖至隧道底板標(biāo)高，開挖槽底寬度為隧道寬度且兩側(cè)各延寬≮1 m，以不影響安全施工為前提，同時(shí)兩側(cè)壁以45°放坡。沿隧道縱軸方向，開挖至隧道頂板與基巖結(jié)合處(自隧道入口點(diǎn)沿洞軸線約107 m處)，再以總角度45°分級(jí)放坡成仰坡，每級(jí)臺(tái)階平臺(tái)寬3 m，高10 m，最高一級(jí)臺(tái)階高11 m，且每級(jí)臺(tái)階坡面角為55°。坡頂標(biāo)高約506 m，距隧道仰坡頂水平距離約4 m和34 m處分別布設(shè)抗滑樁，共兩排，排距30 m，每排樁間距為1.5 m，根據(jù)軟件模擬計(jì)算，依據(jù)實(shí)際情況，現(xiàn)狀條件下樁體需提供5000 kN抗剪力；在考慮降雨作用下，樁體需提供7000 kN抗剪力。從最不利角度考慮，要求抗滑樁抗剪力≮7000 kN。

(2)為了保證隧道的穩(wěn)定，建議在進(jìn)口隧道底板進(jìn)行注漿加固。在洞口明挖后，在隧道底板垂直鉆孔，考慮地面作業(yè)條件，建議注漿在隧道結(jié)構(gòu)完成前進(jìn)行。

(3)若隧道在雨季施工時(shí)，為了截排山坡坡面匯流，建議沿隧道開挖明槽周邊設(shè)置截水溝，同時(shí)在開挖明槽底板周邊放坡腳處設(shè)置一條排水溝，以利于槽內(nèi)積水外排。

(4)隧道結(jié)構(gòu)施工完畢后，應(yīng)盡快回填以恢復(fù)原貌，以保證巖堆體的長(zhǎng)期穩(wěn)定，同時(shí)應(yīng)注意采取上覆巖堆松散體與隧道結(jié)構(gòu)間的防滲措施，以減少巖堆體入滲雨水對(duì)隧道結(jié)構(gòu)材料的侵蝕作用。

3 結(jié)論

(1)通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，定性分析進(jìn)口巖堆體現(xiàn)狀工況下坡體表象穩(wěn)定，屬于趨于靜止階段[9]，在施工條件下，巖堆體的破壞模式主要分析為沿巖堆體內(nèi)部的滑面滑動(dòng)，當(dāng)在降雨等影響下，會(huì)進(jìn)一步加重 邊坡的失穩(wěn)。但巖堆坡體破壞面主要集中在表層，發(fā)生小范圍滑動(dòng)破壞，坡體深層滑動(dòng)的可能性較小。

(2)通過對(duì)大前石嶺隧道進(jìn)口巖堆穩(wěn)定性評(píng)價(jià)表明，該隧道施工過程中，采取一定施工措施條件下(明挖放坡+抗滑樁)，無論在正常工況下還是降雨工況下，均能保證巖堆邊坡的穩(wěn)定，證明了施工措施的有效性，也便于同類工程得以借鑒。

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Stability Analysis and Evaluation of Rock Pile at the Entrance of Daqian Shiling Tunnel

ZHANGYing

(Liaoning Nonferrous Research Institute, Shenyang Liaoning 110013, China)

The rock pile develop at the entrance of Daqianshiling tunnel with thick overburden and slope appearance of stable state, but it is easy to be unstable by artificial function of construction work and the disturbance of external environment (such as rainfall and blasting). Based on the development characteristics of rock pile, this paper analyzes the instability mechanism of rock pile at the tunnel entrance, and the stability evaluation of rock pile under static status and construction conditions at the tunnel entrance are detailed both in qualitative and quantitative views, and analyzes the damages to the subgrade, tunnel and some other engineering with treatment methods to ensure the safety of tunnel construction and line operation, which provides reference for the prevention and control of geological disasters caused by rock pile.

tunnel entrance; rock pile; stability evaluation; Daqianshiling tunnel

2017-02-22

張穎，女，漢族，1986年生，碩士，從事巖土工程勘察設(shè)計(jì)與科研管理工作，遼寧省沈陽市沈河區(qū)北京街7號(hào)，364253229@qq.com。

U125

A

1672-7428(2017)07-0090-03