梅振宙

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津300142）

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)高速發(fā)展，公路網(wǎng)建設(shè)逐步成熟，一些“斷頭路”“瓶頸路”由于歷史遺留問(wèn)題亟待打通。一些高陡邊坡，山區(qū)隧道在公路建設(shè)中十分常見(jiàn)，這些斜坡失穩(wěn)，嚴(yán)重制約著工程的建設(shè)和運(yùn)行。選用合適的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，準(zhǔn)確判別邊坡的穩(wěn)定類型，并及時(shí)采用有效措施，是確保工程建設(shè)和運(yùn)行安全的重要手段。 邊坡穩(wěn)定性是一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題， 邊坡失穩(wěn)是由多種因素相互影響共同作用造成的，例如軟弱夾層、順層、滑坡、崩塌、暴雨、地震等內(nèi)在及外在因素。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)這些邊坡病害總結(jié)了一些常用的防治技術(shù)， 如填土反壓、 坡面防護(hù)、削坡減載、抗滑樁及錨桿、排水、支擋結(jié)構(gòu)等防護(hù)方法，在實(shí)際治理過(guò)程中，一般采用一種或同時(shí)采用幾種系統(tǒng)防護(hù)措施來(lái)解決邊坡失穩(wěn)問(wèn)題。 另外在一些國(guó)外的發(fā)達(dá)國(guó)家，通過(guò)GIS進(jìn)行邊坡災(zāi)害預(yù)警方面的應(yīng)用越來(lái)越普遍。我國(guó)經(jīng)過(guò)大量的工程實(shí)踐，積累了豐富的邊坡穩(wěn)定分析經(jīng)驗(yàn)。 目前常見(jiàn)的邊坡穩(wěn)定分析方法有：自然歷史分析法［1-3］、圖解法［4，5］、數(shù)值模擬法、軟件計(jì)算法、邊坡穩(wěn)定性分析數(shù)據(jù)庫(kù)和專家系統(tǒng)［6］等。 赤平投影是一種常用的邊坡穩(wěn)定性分析方法， 本文以山西某高速公路隧道出口邊坡為例， 探究赤平投影分析法在邊坡穩(wěn)定性中的應(yīng)用。

圖1 赤平投影圖

1 赤平投影原理

赤平投影［7］是分析巖質(zhì)邊坡的常用方法之一，其基本原理是：假想一個(gè)參考球（投影球），通過(guò)球心的面和線，延伸后與球面相交，其在球面上顯示為圓和點(diǎn)。 以球頂為中心，形成一個(gè)赤平面，將空間內(nèi)任意產(chǎn)狀的線和面在球面上顯示出的點(diǎn)或圓投影到該赤平面上。 赤平投影法可以在赤平面上唯一地確定空間內(nèi)某一線或面的空間參數(shù)。 由于空間內(nèi)任一通過(guò)球心的面或線均以球心為中心呈中心對(duì)稱分布，在實(shí)際運(yùn)用中一般取上半球或下半球進(jìn)行投影。因此，平面在赤平投影圖上顯示為弧線。在巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析中，主要是通過(guò)邊坡中的結(jié)構(gòu)面的空間位置與邊坡的空間位置的相互關(guān)系進(jìn)行分析判斷。 在工程實(shí)踐中，赤平投影分析可表示自然坡面、設(shè)計(jì)開(kāi)挖坡面、軟弱夾層面、巖層面、斷層面、劈理、流面及節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面的空間位置，并將各相關(guān)結(jié)構(gòu)面組合進(jìn)行分析，從定性的角度初步判斷邊坡的穩(wěn)定性。

圖2 投影要素

2 隧道洞口工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

隧址區(qū)地貌單元屬黃土殘?jiān)珔^(qū)，塬頂較平坦，總體呈北西～南東走向，地勢(shì)南東高，北西低，塬面寬0.5～1.5km，長(zhǎng)約3.5km，由于黃土土質(zhì)疏松，在地表水的侵蝕、沖蝕作用下形成了黃土梁、峁、溝壑等地貌，地形破碎。 微地貌主要為黃土沖溝、黃土斜坡、黃土陡坎及黃土梁、峁等。

圖3 黑家?guī)X隧道出口地形圖

隧道出口位于義亭河?xùn)|側(cè)沖溝北岸斜坡上，沖溝狹窄，呈“V”字型，溝岸較陡，仰坡高約80m，坡向164°左右，坡角在45°～50°之間，為巖質(zhì)邊坡，自然邊坡基本穩(wěn)定；洞口開(kāi)挖左側(cè)邊坡高約28m，坡向112°，坡度約53°，右側(cè)邊坡高約20m，坡向292°，坡度約53°。

下部基巖為三疊系中統(tǒng)二馬營(yíng)組（T2er）沉積巖。隧道出口分布有民房，一側(cè)臨近G209國(guó)道，隧址區(qū)內(nèi)植被稀少，垣頂以農(nóng)作物為主，斜坡以灌木草叢為主。

2.2 氣候條件

隧址區(qū)屬大陸性暖溫帶亞干旱氣候區(qū)， 氣候溫和，四季分明。春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季陰雨連綿，冬季寒冷干燥。年日照數(shù)平均為2466.7 h，年平均氣溫為10.7 ℃，一月份最冷，七月份最熱，一月平均氣溫-5.5℃，七月平均氣溫24 ℃上下，極端最高氣溫39.7 ℃，極端最低氣溫-20.7 ℃；年均蒸發(fā)量為639.8mm，最大凍土深度為77cm，年均無(wú)霜期212d，年平均降水量517mm。 全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，年均風(fēng)速為2.2m/s。

2.3 地層巖性

2.4 地質(zhì)構(gòu)造

項(xiàng)目區(qū)位于Ⅱ級(jí)構(gòu)造單元鄂爾多斯斷塊內(nèi)，其穿越的Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元有：興縣～石樓南北向褶皺帶和關(guān)王廟北東向褶皺帶，隧址區(qū)位于興縣～石樓南北向褶帶的次級(jí)構(gòu)造單元石樓～暖泉褶皺束之上，構(gòu)造痕跡以褶曲為主，斷裂活動(dòng)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

隧址區(qū)內(nèi)巖層產(chǎn)狀較平緩，傾角2°左右，總體表現(xiàn)為略傾向大里程的單斜構(gòu)造，經(jīng)工程地質(zhì)調(diào)繪，發(fā)育2組節(jié)理，J1：280°∠70°，3～5條/m；J2：195°∠80°，4～8條/m。 通過(guò)鉆探未發(fā)現(xiàn)有影響洞體穩(wěn)定的構(gòu)造存在，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。

3 隧道出口仰坡、邊坡赤平投影穩(wěn)定性分析［8］

3.1 洞口邊坡結(jié)構(gòu)耦合關(guān)系

該隧道出口位于義亭河?xùn)|側(cè)沖溝北岸斜坡上，仰坡高約80m，坡向164°左右，坡角在45°～50°之間，為巖質(zhì)邊坡，自然邊坡基本穩(wěn)定，洞口開(kāi)挖左側(cè)邊坡高約28m，坡向112°，坡度約53°，右側(cè)邊坡高約20m，坡向292°，坡度約53°。 左右線洞口邊坡及仰坡均由三疊系中統(tǒng)二馬營(yíng)組（T2er）強(qiáng)風(fēng)化砂巖、泥巖組成，呈互層狀，巖層產(chǎn)狀180°∠2°，傾向坡腳，呈不利組合，泥巖巖質(zhì)軟，抗風(fēng)化能力差，遇水易軟化，屬軟弱結(jié)構(gòu)面，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，經(jīng)工程地質(zhì)調(diào)繪，發(fā)育2組節(jié)理，J1：280°∠70°，3～5條/m；J2：195°∠80°，4～8條/m。

3.2 隧道出口仰坡穩(wěn)定性分析

依據(jù)表1所述結(jié)構(gòu)面，作仰坡相關(guān)結(jié)構(gòu)面赤平投影如圖4。

表1 隧道出口結(jié)構(gòu)面特征

根據(jù)隧道出口仰坡赤平投影分析如圖4。

3.2.1 單組結(jié)構(gòu)面

J1結(jié)構(gòu)面走向與坡面走向大角度相交，結(jié)構(gòu)投影弧與邊坡投影弧相對(duì)， 結(jié)構(gòu)面傾向與邊坡坡面傾向之間的夾角大于40°，屬于比較穩(wěn)定型結(jié)構(gòu)面，此單組結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較?。籎2結(jié)構(gòu)面走向與坡面走向小角度相交， 結(jié)構(gòu)面投影弧位于邊坡投影弧同側(cè)之內(nèi)，為順向結(jié)構(gòu)面，但傾角大于坡角，屬于基本穩(wěn)定型結(jié)構(gòu)面，此單組結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較小。

巖層產(chǎn)狀180°∠2°，巖層走向與坡面走向相同，為不利組合， 結(jié)構(gòu)面投影弧與坡面投影弧位于同一側(cè)，坡面投影弧在結(jié)構(gòu)面投影弧的內(nèi)側(cè)，巖層傾角小于坡角，易發(fā)生順層滑動(dòng)，屬于不穩(wěn)定型結(jié)構(gòu)面，此單組結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大。

3.2.2 兩兩組合

J1與J2結(jié)構(gòu)面組合交線位于坡向投影弧線同一側(cè)，即組合結(jié)構(gòu)面的傾向與坡向一致，傾角大于邊坡坡角，屬于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。 巖層產(chǎn)狀與J2結(jié)構(gòu)面組合交線位于坡向投影弧線的同一側(cè)， 組合結(jié)構(gòu)面的傾向與邊坡坡向相同，傾角小于坡角，在坡頂無(wú)出露點(diǎn)，屬于較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

3.3 隧道出口兩側(cè)邊坡穩(wěn)定性分析

依據(jù)表1所述結(jié)構(gòu)面，作兩側(cè)邊坡相關(guān)結(jié)構(gòu)面赤平投影如圖5。

根據(jù)隧道出口兩側(cè)邊坡赤平投影圖分析如圖5。

圖5 隧道出口兩側(cè)邊坡赤平投影圖

3.3.1 單組結(jié)構(gòu)面

J1結(jié)構(gòu)面走向與P1走向、J2結(jié)構(gòu)面走向與P2走向大角度相交，結(jié)構(gòu)投影弧與邊坡投影弧相對(duì)，結(jié)構(gòu)面傾向與邊坡坡面傾向之間的夾角大于40°， 屬于比較穩(wěn)定型結(jié)構(gòu)面， 此單組結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較小；J2結(jié)構(gòu)面走向與P1走向小角度相交， 結(jié)構(gòu)投影弧與邊坡投影弧相對(duì)，屬于穩(wěn)定型結(jié)構(gòu)面，此單組結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較小；巖層產(chǎn)狀180°∠2°，巖層走向與P1，P2走向大角度相交， 巖層傾向與邊坡坡面傾向之間的夾角大于40°，屬于比較穩(wěn)定型結(jié)構(gòu)面，此單組結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較小。

3.3.2 兩兩組合

J1與J2結(jié)構(gòu)面組合交線位于P2坡向投影弧線同一側(cè)，即組合結(jié)構(gòu)面的傾向與P2坡向一致，傾角小于邊坡坡角，在坡頂有出露點(diǎn)，屬于不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。 J1與J2結(jié)構(gòu)面組合交線位于P1坡向投影弧線對(duì)側(cè)，屬于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

綜上所述， 該隧道洞口邊坡巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，風(fēng)化較強(qiáng)烈，巖層傾向坡腳，傾角小于坡角，易產(chǎn)生順層滑動(dòng)，開(kāi)挖右側(cè)邊坡時(shí)處理不當(dāng)易產(chǎn)生碎落、坍塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象，泥巖抗風(fēng)化能力弱，邊坡開(kāi)挖后巖體差異風(fēng)化易形成危巖墜石現(xiàn)象，邊坡穩(wěn)定性較差。

4 邊坡開(kāi)挖措施建議［9-10］

該隧道受地形及周圍構(gòu)筑物所限， 出口沖溝較窄沒(méi)有施工作業(yè)場(chǎng)地，因此為增加作業(yè)場(chǎng)地，隧道出口向小里程退，邊坡仰坡高度增大，同時(shí)該出口臨近國(guó)道G209，附近沖溝內(nèi)還有民房，隧道出口所在斜坡陡直，出口斷面與自然地形坡向均有一定夾角，不同程度斜交， 結(jié)合工程實(shí)際選擇合適的洞門(mén)型式和洞門(mén)位置，加強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)和防護(hù)措施，采取適當(dāng)?shù)钠旅娣雷o(hù)措施。 為保證營(yíng)運(yùn)安全，盡量降低邊、仰坡的高度并放緩坡率，做好防排水、防護(hù)。

5 結(jié)語(yǔ)

赤平投影是一種形象、 直觀的邊坡穩(wěn)定性的分析方法，能滿足工程建設(shè)中邊坡穩(wěn)定性分析的需求，一方面可在現(xiàn)狀評(píng)估中分析邊坡穩(wěn)定性， 另一方面可在預(yù)測(cè)評(píng)估中分析工程開(kāi)挖對(duì)原有邊坡的影響，具有一定的指導(dǎo)意義。