焦國鋒

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(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

焦國鋒

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

拉日鐵路經(jīng)過雅魯藏布江峽谷區(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，需要對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評估。通過對工程地質(zhì)資料的分析，采用赤平投影法和有限元模擬方法對盆因拉隧道進(jìn)口邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評價。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：在開挖加載狀態(tài)下，潛在剪切破壞點主要集中在隧道開挖處周圍和隧道洞口上部邊坡坡面以及橋臺下部巖體。建議在工程施工開挖時，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)定性評價

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253 km。線路在經(jīng)過雅魯藏布江峽谷區(qū)時，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，因此很有必要對高陡巖石邊坡進(jìn)行工程穩(wěn)定性評價。

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)力分布特征時通常采用有限元法。

本文在對盆因拉隧道進(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15 m的基巖凸起，現(xiàn)有主動防護(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大節(jié)理，橋臺開挖后，隧道縱向右側(cè)3～5 m范圍內(nèi)橋臺下方的巖體穩(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、長石、黑云母等，巖體致密、堅硬，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)主要為長方體和塊體。隧道進(jìn)口線路的走向為近EW，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)行評價:

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。在橋臺開挖后，其線路右側(cè)基巖山體較薄，在爆破、機(jī)械振動、附加荷載等綜合因素的影響下，隧道基底下方的長大節(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，對橋臺、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，形成一個菱形砌體，在人為機(jī)械擾動作用下墜落。

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 計算參數(shù)選取

該段邊坡閃長巖應(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)穿過單滑面1，2，3和 4，雙滑面 12，13，14以及墜落體 G，未穿過雙滑面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，會產(chǎn)生滑動。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，會產(chǎn)生滑動。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，見圖3(a)和圖3(b)，對模型進(jìn)行邊界約束:側(cè)面X向不變形，底面Y向不變形。計算參數(shù)見表1。開挖狀態(tài)下邊坡剪應(yīng)力分布見圖3(c)。

圖3 盆因拉隧道計算模型

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)在隧道開挖加載的邊角處。由于隧道的開挖加載，應(yīng)力發(fā)生重新分布，在隧道開挖邊角處產(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］對開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°。在隧道開挖加載處發(fā)生應(yīng)力集中，潛在剪切破壞點主要集中在隧道開挖處周圍、隧道洞口上部邊坡坡面以及橋臺下部巖體。

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，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在降雨、隧道施工、橋臺開挖等作用下，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，開挖加載狀態(tài)下，隧道開挖加載處發(fā)生應(yīng)力集中，潛在剪切破壞點主要集中在隧道開挖處周圍、隧道洞口上部邊坡坡面以及橋臺下部巖體。建議在工程施工開挖時，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，對隧道基底、橋臺基礎(chǔ)均構(gòu)成嚴(yán)重威脅，需采取清危、主動防護(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、施工擾動等作用下很可能發(fā)生滑塌，影響邊坡穩(wěn)定性，對下部的隧道口、橋臺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。邊坡在開挖加載橋臺時，需加固隧道洞口上部邊坡巖體，并對橋臺基礎(chǔ)巖體采取加固措施，提高基礎(chǔ)巖體強(qiáng)度。

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U453．1

A

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2012-12-23;

2013-05-20

鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目(2011G027-B)

焦國鋒(1974— )，男，山西運(yùn)城人，高級工程師。

(責(zé)任審編 趙其文)