沈 波

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

1 工程概況

山區(qū)鐵路隧道洞口多位于高陡邊坡，尤其在孤立山嘴帶，巖體卸荷強(qiáng)烈，上方大多分布臨空的危巖落石，一旦墜落崩塌，往往會(huì)對(duì)既有橋梁隧道等構(gòu)筑物造成嚴(yán)重危害。以下通過(guò)分析蒙華鐵路高家山隧道洞口危巖所處的地質(zhì)條件、危巖體特征、形成原因，選取典型危巖體在初始應(yīng)力狀態(tài)及卸荷應(yīng)力狀態(tài)下裂隙發(fā)育情況，從地質(zhì)及力學(xué)角度分析危巖體的變化趨勢(shì)[1-2]。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

研究區(qū)位于黃龍山中低山區(qū)，區(qū)域地貌總體自東向西傾斜，地形高差50～200 m，自然坡度為40°～50°，坡頂表覆新黃土，坡面基巖裸露。

2.2 地層巖性

主要出露的地層：①第四系全新統(tǒng)坡洪積碎石土，灰褐色，稍密-中密，稍濕，主要成分為砂巖，粒徑60～80 mm，棱角狀，充填黏性土，夾大量塊石，分布于隧道出口山坡上，層厚0.5～2.0 m；②第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積新黃土，淺黃色，硬塑-堅(jiān)硬，土質(zhì)均勻，砂感較強(qiáng)，分布少量孔隙； ③三疊系中統(tǒng)二馬營(yíng)組砂巖，灰白色、灰色，主要礦物成分為長(zhǎng)石、石英，砂狀結(jié)構(gòu)，薄-巨厚層狀構(gòu)造，泥、鈣質(zhì)膠結(jié)，全風(fēng)化-弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，層厚0～20 m，產(chǎn)狀340°∠2°；④三疊系中統(tǒng)二馬營(yíng)組泥巖，灰白色-棕紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中-厚層狀構(gòu)造，弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，層厚0～2 m。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

主要地質(zhì)構(gòu)造為銅川-韓城隆起，為一北傾的復(fù)單斜構(gòu)造。主要有NWW、NNE兩組節(jié)理，其中，NWW組較為發(fā)育，傾角83°～88°，延伸性好；NNE組節(jié)理傾角85°～88°，延伸性較差，不發(fā)育。

3 危巖特征

3.1 危巖發(fā)育特征

危巖位于隧道出口上方70～80 m的陡崖上，高程為875～896 m，相對(duì)高差5～20 m，陡崖坡角近乎垂直。陡崖上部為泥巖風(fēng)化侵蝕形成的凹形面巖腔，坡角已成負(fù)角，高約5 m，往下為斜坡地形，坡角一般為70°～85°。山坡相對(duì)高差為120～140 m。根據(jù)危巖帶巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度及組合特征、切割塊體的變形破壞機(jī)制及所處位置等情況[3-8]，劃分為5個(gè)危巖帶，如圖1。

圖1 高家山隧道出口高邊坡危巖體分布

由圖1可知，位于洞頂上方的W1危巖體危害最大，該危巖體沿坡面長(zhǎng)約15 m，寬約5 m，臨空面厚約20 m，體積約1 800 m3。巖體內(nèi)節(jié)理裂隙非常發(fā)育，受控于3組優(yōu)勢(shì)裂隙結(jié)構(gòu)面，2組卸荷節(jié)理面產(chǎn)狀為172～195°∠85～88°、105°∠75°，張開5～20 cm，巖層面產(chǎn)狀340°∠2°。危巖體潛在失穩(wěn)模式為墜落[9-10]，危巖體全貌及裂隙發(fā)育情況見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 W1危巖體全貌

圖3 W1危巖體發(fā)育的豎向裂隙

3.2 卸荷帶特征

卸荷帶主要指原地質(zhì)環(huán)境時(shí)期侵蝕切割形成的斜坡陡崖帶，這種地質(zhì)環(huán)境變化改變了原有的力學(xué)環(huán)境條件，形成新的重塑效應(yīng)。在研究區(qū)域，主要表現(xiàn)為侵蝕形成的溝谷造成巖體側(cè)方約束釋放，形成卸荷回彈，陡傾角裂隙進(jìn)一步擴(kuò)容，形成新的卸荷裂隙帶。高家山危巖卸荷帶的發(fā)育程度主要與巖體結(jié)構(gòu)裂隙的發(fā)育程度緊密相關(guān)[11-12]。

高家山危巖卸荷裂隙較發(fā)育，單個(gè)危巖塊體一般揭露出3～8條。卸荷帶多沿山坡走向呈帶狀分布，以平行坡面的陡傾裂隙為主。裂隙間距為0.5～2 m，張開度為1～12 cm，多有貫通趨勢(shì)，無(wú)充填，深度較大。

4 危巖形成原因

4.1 地形條件

危巖體發(fā)育一般需具備坡面陡峻、坡面風(fēng)化嚴(yán)重、節(jié)理發(fā)育等條件。高家山危巖體所處邊坡高陡，高差較大，上部近乎直立，為危巖體下墜創(chuàng)造有利地形條件。

4.2 地層巖性

高邊坡巖體由三疊系中統(tǒng)二馬營(yíng)組砂巖、泥巖構(gòu)成，為典型的“上硬下軟”斜坡結(jié)構(gòu)和“靴狀”地形。斜坡上部為厚層-巨厚層狀砂巖，致密堅(jiān)硬，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，可形成近直立的陡崖；下部為砂巖、泥巖互層，巖體破碎，強(qiáng)度較低，形成陡坡。上部厚層砂巖中夾多層力學(xué)性質(zhì)較差的泥巖，易軟化，在覆巖重力作用下會(huì)發(fā)生塑性流動(dòng)，在覆巖中引發(fā)張應(yīng)力，促進(jìn)巖體節(jié)理裂隙向上擴(kuò)展。泥巖局部由于長(zhǎng)期風(fēng)化剝蝕和人為開挖形成崖腔，上部巖體凸出產(chǎn)生懸臂作用，巖體產(chǎn)生拉裂破壞或順節(jié)理面垂向墜落[13-15]。

4.3 節(jié)理構(gòu)造

受區(qū)域構(gòu)造影響，地層中發(fā)育2組共軛節(jié)理，與巖層面及卸荷等次生節(jié)理將斜坡巖體切割成離散結(jié)構(gòu)。上部厚層砂巖呈塊狀，在臨空面形成危巖體。下部砂泥巖互層呈碎裂狀，巖體強(qiáng)度進(jìn)一步降低。

4.4 水文地質(zhì)

高家山危巖所含厚層砂巖內(nèi)部裂隙發(fā)育，貫通性好，富水性差。中夾泥巖滲透率低，為相對(duì)隔水層。砂巖裂隙水集聚于泥巖夾層上，造成泥巖軟化拉裂壓縮變形，再次造成上部砂巖體的位移變形及裂隙擴(kuò)張，變形增大到一定程度后逐漸向崩塌破壞發(fā)展。

5 變形數(shù)值模擬

應(yīng)用不連續(xù)介質(zhì)二維離散元程序進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬連續(xù)介質(zhì)承受荷載下的狀態(tài)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。變形塊體被劃分成有限個(gè)單元網(wǎng)格，且每一單元根據(jù)給定的應(yīng)力-應(yīng)變”準(zhǔn)則，表現(xiàn)為線性或非線性特性。不連續(xù)面發(fā)生法向和切向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)也由線性或非線性“力-位移”的關(guān)系控制。

5.1 模型建立

高家山隧道走向?yàn)?50°，與巖層產(chǎn)狀近似平行。選擇與隧道平行、貫穿W1危巖體的剖面建立模型，如圖4所示。

圖4 選取的地層模型

模型中，設(shè)置巖層面與陡傾節(jié)理2組結(jié)構(gòu)面，層面水平，節(jié)理面傾向臨空面，傾角80°，均為連續(xù)結(jié)構(gòu)面。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，坡頂危巖厚3～8 m，顯示有較寬的卸荷帶。因此，建模過(guò)程中考慮風(fēng)化卸荷作用，在臨坡面設(shè)置寬20～50 m卸荷裂隙帶。卸荷帶內(nèi)巖層面間距10 m，陡傾節(jié)理間距5 m。模型兩側(cè)邊界設(shè)置為X方向固定、Y方向自由，底部邊界條件為X、Y方向均固定。模型選擇的重力加速度取9.81 m/s2。

5.2 參數(shù)選取

高邊坡數(shù)值模型中有砂巖和泥巖兩種巖性，巖性材料均選擇摩爾庫(kù)倫模型，主要物理力學(xué)參數(shù)包括密度、彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角、黏聚力。受巖體結(jié)構(gòu)面影響，小尺寸巖塊強(qiáng)度試驗(yàn)難以反映巖體強(qiáng)度，模擬中參考現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)合相關(guān)規(guī)范巖體質(zhì)量分級(jí)進(jìn)行取值。高家山隧道出口高邊坡上部出露厚層砂巖和泥巖。砂巖為泥、鈣質(zhì)膠結(jié)，屬于堅(jiān)硬巖類，呈薄-巨厚層狀構(gòu)造，全-弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，可判斷其巖體質(zhì)量為Ⅲ級(jí)；泥巖屬于軟巖類，強(qiáng)度較低，多風(fēng)化形成巖腔，中-厚層狀構(gòu)造且節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，巖體質(zhì)量為Ⅴ級(jí)。高家山隧道出口高邊坡的巖體參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 高家山隧道出口高邊坡的巖體參數(shù)取值

出口高邊坡數(shù)值模型中包含兩組結(jié)構(gòu)面，層面和陡傾節(jié)理。結(jié)構(gòu)面材料選擇摩爾-庫(kù)倫模型，主要物理力學(xué)參數(shù)包括法向剛度、剪切剛度、黏聚力、摩擦角。高家山隧道出口高邊坡的巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)取值如表2。

表2 高家山隧道出口高邊坡巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)取值

5.3 初始應(yīng)力狀態(tài)下結(jié)果分析

不考慮風(fēng)化卸荷的影響，抗剪強(qiáng)度選取見(jiàn)表5，當(dāng)最大的結(jié)點(diǎn)不平衡力較初始所施加總力小時(shí)，可判定模型達(dá)到平衡狀態(tài)，不平衡應(yīng)力比取1.0×10-5。結(jié)果如圖5。從圖5中可看出，初始應(yīng)力平衡狀態(tài)下，臨坡面30～50 m范圍內(nèi)出現(xiàn)局部節(jié)理張開，這是受邊坡本身坡面卸荷作用形成的。

圖5 初始平衡狀態(tài)裂縫張開分布

5.4 風(fēng)化卸荷狀態(tài)下結(jié)果分析

長(zhǎng)期風(fēng)化卸荷作用下，高邊坡在臨坡面附近形成風(fēng)化卸荷帶，卸荷帶內(nèi)節(jié)理裂隙張開或錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致巖體強(qiáng)度降低、結(jié)構(gòu)裂化。在這個(gè)過(guò)程中，對(duì)卸荷帶內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度按表5進(jìn)行修改賦值，分析長(zhǎng)期風(fēng)化卸荷作用下斜坡的應(yīng)力應(yīng)變特征，結(jié)果如圖6。從圖6中可看出，在應(yīng)力作用下，邊坡裂隙面明顯增多，與初始平衡狀態(tài)相比，發(fā)生張開變形的節(jié)理數(shù)量和密度增大，尤其集中在陡崖面20 m范圍內(nèi)。

圖6 卸荷狀態(tài)下裂縫張開分布

在軟弱結(jié)構(gòu)面風(fēng)化卸荷作用下，進(jìn)一步分析邊坡坡面的位移情況，結(jié)果如圖7?？梢钥闯?，邊坡坡頂出現(xiàn)明顯應(yīng)力拉張區(qū)，主要朝臨空方向向下變形，位移為4～8 mm，其中一處張拉區(qū)距離陡崖約2 m，寬約15 m，垂直發(fā)育深度22～25 m，向下逐漸收窄尖滅。另一處距離陡崖40 m，寬約10 m，發(fā)育深度10 m。邊坡表面應(yīng)力張拉區(qū)主要位于陡崖與下部陡坡過(guò)渡帶，此處發(fā)育3層1.4～1.5 m厚的泥巖。張拉區(qū)向邊坡內(nèi)部發(fā)育深度25～40 m，由內(nèi)向外位移從4 mm增加到22 mm，變形方向從指向坡外向下轉(zhuǎn)為水平。在陡崖與陡坡交界地帶，受上部陡崖變形劇烈，下部塊體根部側(cè)限的影響，表層巖體向臨空方向擠出，其位移指向臨空面斜上方。

圖7 潛在破壞范圍變形特征

6 結(jié)論

高家山風(fēng)化卸荷作用主要由砂巖間泥巖巖腔形成，其裂隙發(fā)育及后期崩塌墜落部位也多集中在泥巖凹腔頂部，而凹腔形成的主要原因?yàn)槟鄮r不斷風(fēng)化剝落。上硬下軟結(jié)構(gòu)導(dǎo)致基巖裂隙水流在泥巖處富集，上部壓重的疊加條件下極易發(fā)生風(fēng)化掉塊，進(jìn)而導(dǎo)致頂部拉張裂隙發(fā)育、擴(kuò)大、加深，最后沿巖腔頂部從坡面崩落。

針對(duì)該危巖體的防治，可選擇漿砌片石、混凝土等材料對(duì)泥巖凹腔的進(jìn)行封堵回填，以改變巖體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)；也對(duì)后期風(fēng)化卸荷作用進(jìn)行防治，從源頭防治后期巖體內(nèi)裂隙的擴(kuò)展。另外，對(duì)凹腔附近表層裂隙發(fā)育較深巖體可采用清除等措施，消除不穩(wěn)定危巖塊體；內(nèi)部裂隙發(fā)育處可采用錨桿、主被動(dòng)網(wǎng)等相結(jié)合措施等進(jìn)行防治， 錨桿深度宜進(jìn)入裂隙內(nèi)部。