龔建輝, 孫 曉

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

鐵路工程具有點(diǎn)多線長(zhǎng)、受地形地質(zhì)條件約束大、對(duì)工程環(huán)境作用敏感的特點(diǎn)，沿線應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，露天淺表服役環(huán)境惡劣[1-4]。“高陡邊坡”是自然岸坡或斜坡以及人工邊坡的統(tǒng)稱，在鐵路工程建設(shè)過程中，必然會(huì)遇到高陡路塹邊坡或隧道邊仰坡穩(wěn)定性問題。

地形陡峻地段的高陡邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定性問題，成為工程設(shè)計(jì)關(guān)心的核心難題，事關(guān)工程成敗，如2018年3月雅(安)西(昌)高速公路滎經(jīng)縣瓦廠坪大橋因滑坡災(zāi)害局部受損，被迫實(shí)行長(zhǎng)達(dá)四個(gè)多月的雙向斷道臨時(shí)道路交通管制，極大影響川西涼山地區(qū)與內(nèi)地的交通與物資流通；王吉亮等[5]以烏東德水電站右岸廠房進(jìn)水口邊坡為例，研究了層狀巖質(zhì)工程邊坡變形與穩(wěn)定問題，以及工程邊坡對(duì)環(huán)境邊坡變形與穩(wěn)定性的影響；藍(lán)康文[6]開展了川藏鐵路沿線高山峽谷地區(qū)邊坡卸荷帶失穩(wěn)模式及穩(wěn)定性研究，總結(jié)了邊坡卸荷帶的發(fā)育特征與分布規(guī)律；楊志法等[7]利用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)抗拉能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),發(fā)明了預(yù)應(yīng)力錨梁和預(yù)應(yīng)力抗滑樁兩項(xiàng)邊坡加固新技術(shù)，以克服一般抗滑樁和錨固洞加固巖石邊坡的缺點(diǎn)。

目前，關(guān)于鐵路隧道洞口高陡自然邊坡的加固設(shè)計(jì)案例尚不多見，文章以東噶山隧道洞口高陡不穩(wěn)定巖體為探討對(duì)象，分析了洞口坡體變形開裂特征，提出了合理的巖體加固設(shè)計(jì)方案，有效解決了高陡自然邊坡的穩(wěn)定性問題。

1 高陡自然邊坡隱患分析

1.1 工程概況

川藏鐵路拉薩至林芝段(以下簡(jiǎn)稱“拉林鐵路”)位于青藏高原東南部，屬于岡底斯山與念青唐古拉山、喜馬拉雅山之間的藏南谷地。拉林鐵路沿線受雅魯藏布江及其支流切割控制，山高谷深，峰巒疊嶂排列，溝谷縱橫狹窄，氣候極端惡劣，山脈呈東西向縱貫延展，谷嶺相間，地勢(shì)起伏跌宕。

拉林鐵路DK251+531.17～DK251+574.42段位于東嘎山隧道進(jìn)口，長(zhǎng)43.25 m。段內(nèi)最高點(diǎn)位于隧道軸線右側(cè)山脈，最低點(diǎn)位于隧道出口雅魯藏布江河谷地帶。由于拉林鐵路隧道洞口開挖，導(dǎo)致DK251+550～DK251+572段洞頂上方山體出現(xiàn)裂縫，現(xiàn)場(chǎng)地表調(diào)查表明，線路右側(cè)10 m范圍內(nèi)出現(xiàn)8條裂縫，裂縫走向與線路夾角約50 °。推測(cè)不穩(wěn)定體厚度約10～25 m，線路左右兩側(cè)分布寬度約15 m，對(duì)工程施工已形成極大的安全隱患。

1.2 工程地質(zhì)巖性

東噶山隧道洞口范圍內(nèi)覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)坡殘積層粉土，下伏基巖為上三疊統(tǒng)的朗杰學(xué)群姐德秀組二段炭質(zhì)絹云千枚巖與變長(zhǎng)石石英粉砂巖不等厚互層。

自然邊坡范圍內(nèi)粉土呈黃褐色、灰黑色，粉粒含量約占95 %，局部夾粗角礫占比約5 %，厚0～2 m。炭質(zhì)絹云千枚巖為灰黑色、薄層、千枚狀構(gòu)造，長(zhǎng)石石英粉砂巖為灰色、薄-中厚層，炭質(zhì)絹云千枚巖、長(zhǎng)石石英粉砂巖不等厚互層，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎。強(qiáng)風(fēng)化巖芯呈碎塊狀，裂隙面見大量鐵、錳質(zhì)渲染；弱風(fēng)化帶巖芯呈短柱狀、柱狀?；竟こ塘W(xué)指標(biāo)見表1。

表1 基本工程力學(xué)指標(biāo)

1.3 地質(zhì)構(gòu)造及水文特征

隧道位于雅魯藏布江縫合帶附近，受雅江結(jié)合帶俯沖、碰撞和韌性剪切作用影響，致使段內(nèi)巖體總體破碎，滑坡成群。隧道范圍內(nèi)正斷層與線路交于DK253+040，與線路交角為34 °，斷層走向N56 °W，傾北東，傾角45 °。

隧道進(jìn)口以基巖為主，根據(jù)GB 50111-2006《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]判定，隧址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.15 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期值為0.45 s，場(chǎng)地范圍內(nèi)覆蓋土類型為中硬土～巖石，綜合判別場(chǎng)地類別為Ⅰ～Ⅱ類。

隧址區(qū)地表水主要為溝水及進(jìn)口附近雅魯藏布江江水，雨季及冰雪融化季節(jié)溝中有流水，枯水季節(jié)溝中無水。地下水按地下水賦存條件分為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水，第四系孔隙水主要賦存于隧道進(jìn)口第四系坡殘積層的粉土層中，其透水性較弱、滲透系數(shù)較小，水量較小，主要為大氣降水及地表水補(bǔ)給?；鶐r孔裂隙水主要分布于炭質(zhì)絹云千枚巖、長(zhǎng)石石英粉砂巖中，其水量大小主要受巖層分布面積及孔裂隙率大小控制?？傮w而言，受雅魯藏布江河谷深切作用，隧址區(qū)內(nèi)地下水埋深大，屬于中等～弱富水性。

1.4 洞口坡體變形開裂特征

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可知(圖1～圖3)，洞內(nèi)最大變形速率1.4 mm/d，最大累計(jì)變形13.6 mm；洞外邊坡坡體地表有不同程度的開裂跡象，裂縫寬度一般5～10 mm，最大張開寬度達(dá)18.6 mm。

隧道洞口為基巖出露坡體，穿越炭質(zhì)絹云千枚巖與變長(zhǎng)石石英粉砂巖，巖層產(chǎn)狀N65 °W/43 °～50 °NE，傾向山體外側(cè)， 巖層走向與線路走向夾角約28 °，在橫斷面上的視傾角約42.4～46.4 °，且坡體發(fā)育一組產(chǎn)狀N70 °E/41 °N的順坡向、傾坡外、貫通性較好的控制性結(jié)構(gòu)面，故該隧道洞口存在典型的順層偏壓特征。

隧道施工過程中，由于人工擾動(dòng)，且既有的措施方案未施工到位，隧道洞頂坡體沿貫通性較好的控制性結(jié)構(gòu)面形成“塌落拱”現(xiàn)象。

圖1 主軸斷面

圖2 裂縫平面

圖3 現(xiàn)場(chǎng)照片

2 自然邊坡加固設(shè)計(jì)

2.1 推力計(jì)算

采用傳遞系數(shù)法得出自然邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs= 0.98，可見上述隧道洞口穩(wěn)定性不滿設(shè)計(jì)要求，需要采取相應(yīng)的工程措施予以加固。

(1)按折線滑動(dòng)法[2]計(jì)算推力。安全系數(shù)按1.2考慮，根據(jù)折線滑面法檢算得出不穩(wěn)定巖體下滑推力為 920 kN。

(2)按庫(kù)倫土壓力[2]計(jì)算推力。安全系數(shù)按1.2考慮，根據(jù)庫(kù)倫土壓力公式計(jì)算得出水平下滑力為482 kN。

為保證加固結(jié)構(gòu)安全可靠，根據(jù)(1)、(2)兩種不同算法的大值開展邊坡加固設(shè)計(jì)。

2.2 錨索檢算

加固方案擬采用“錨索地梁”，錨索設(shè)計(jì)錨固力按式(1)計(jì)算。在計(jì)算過程中，參數(shù)α取74 °、β取18 °、λ取0.7，根據(jù)上述計(jì)算參數(shù)及式(1)可得Pt=1665kN。

(1)

式中Pt為錨索設(shè)計(jì)錨固力，F(xiàn)為不穩(wěn)定巖體的下滑推力，φ為滑動(dòng)層內(nèi)摩擦角，α為錨索與滑動(dòng)面相交處滑動(dòng)面傾角，β為錨索下傾角，λ為折減系數(shù)。

設(shè)計(jì)擬采用15.2 mm鋼絞線錨索，每根鋼絞線極限張拉荷載Pu=259kN，每延米需要鋼絞線的根數(shù)n=Fs1Pt/Pu，計(jì)算可得錨索根數(shù)n=14(Fs1取2.2)。

在錨固段長(zhǎng)度確定中，錨固體設(shè)計(jì)安全系數(shù)Fs2=2.5，孔壁對(duì)砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度值τ=330kPa，張拉段鋼材與水泥砂漿極限粘結(jié)應(yīng)力τu= 2000kPa，采用d=130mm鉆孔施工。根據(jù)水泥砂漿和錨索張拉鋼材粘結(jié)強(qiáng)度確定錨固段長(zhǎng)度L1=Fs2Pt/n/π/d/τu，得出L1=1.73m；根據(jù)錨固體和孔壁之間的抗剪強(qiáng)度確定錨固段長(zhǎng)度L2=7.36m，錨固段長(zhǎng)度需根據(jù)兩種不同工況取大值?？紤]到適當(dāng)增加安全系數(shù)，錨索錨固段長(zhǎng)度宜適當(dāng)加強(qiáng)，故錨固段長(zhǎng)度按L2=10m進(jìn)行施工。

2.3 加固措施

DK251+555.06～DK251+579.03，線路左側(cè)，長(zhǎng)23.97 m，增設(shè)錨索路肩樁板墻，樁間距(中～中)6 m，樁截面采用 2.5 m×3.5 m，樁長(zhǎng)35 m，共設(shè)置4根錨固樁，樁身與線路方向夾角為48.6 °，樁身采用C35混凝土灌注。擋土板為C35砼預(yù)制矩形板，樁間掛板高度12.0 m，路塹樁板墻樁頂以下0～6 m采用甲型擋土板，6～12 m采用乙型擋土板，板后設(shè)置0.3 m厚編織袋袋裝砂夾卵石反濾層，砂卵石采用編織袋碼砌，反濾層底部設(shè)C25混凝土隔水層及混凝土基礎(chǔ)。擋土板采用矩形截面，抗滑樁與山體間空隙地方采用C35混凝土回填。典型工點(diǎn)加固主軸斷面(A-A軸)見圖4 ，平面布置見圖5。

圖4 工點(diǎn)加固主軸斷面(A-A軸)

圖5 工點(diǎn)加固平面布置

圖5中1～4#樁為錨索樁，其中2～4#樁第一排錨索孔距樁頂11 m，下傾角為18 °，第二排錨索孔距樁頂13 m，下傾角為22 °；1#樁第一排錨索孔距樁頂13 m，下傾角為18 °，第二排錨索孔距樁頂15 m，下傾角為22 °。在錨索孔及備用錨索孔位于樁身處預(yù)埋一根φ150 mm鋼管。錨索均為6束拉力型錨索，每孔錨索均用6束φ15.2 mm高強(qiáng)度低松弛噴涂環(huán)氧樹脂型的無黏結(jié)鋼絞線，其極限抗拉強(qiáng)度不小于1 860 MPa，伸長(zhǎng)率≤3.5%；錨索長(zhǎng)度由錨固段、自由段和張拉段組成，錨索錨固段為碳質(zhì)絹云千枚巖夾砂巖、粉砂巖弱風(fēng)化層，長(zhǎng)度為10 m，錨索總長(zhǎng)為34.5～36.5 m(含張拉段)，錨孔直徑均為φ130 mm，全孔范圍采用M35水泥砂漿灌注，注漿壓力不小于0.6～0.8 MPa。

3 結(jié) 論

(1)東噶山隧道位于雅魯藏布江縫合帶附近，受雅江結(jié)合帶俯沖、碰撞和韌性剪切作用影響，致使段內(nèi)炭質(zhì)絹云千枚巖、長(zhǎng)石石英粉砂巖巖體總體破碎，滑坡成群。隧址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.15 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期值為0.45 s，場(chǎng)地類別為Ⅰ～Ⅱ類，高烈度地震極易引發(fā)隧道洞口偏壓順層崩落。

(2)在人工擾動(dòng)下，東噶山隧道洞內(nèi)最大變形速率1.4 mm/d，最大累計(jì)變形達(dá)13.6 mm；洞外邊坡坡體地表有不同程度的開裂跡象，裂縫寬度一般5～10 mm，最大張開寬度達(dá)18.6 mm，隧道洞頂坡體沿貫通性較好的控制性結(jié)構(gòu)面形成“塌落拱”現(xiàn)象。

(3)以“錨索樁板墻、錨索地梁”為主、噴射混凝土防護(hù)為輔設(shè)計(jì)方案是一種行之有效的加固措施，有效解決了東噶山隧道洞口高陡自然邊坡的穩(wěn)定性問題，也可為川藏鐵路雅安至林芝高陡自然邊坡加固設(shè)計(jì)提供參考。