汶馬高速通化隧道進口邊坡變形特征及機理

吳京濤，胡卸文,2

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汶馬高速通化隧道進口邊坡變形特征及機理

吳京濤1，胡卸文1,2

（1. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 610031；2. 西南交通大學(xué)高速鐵路運營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，成都 610031）

在建的汶（川）馬（爾康）高速公路通化1號隧道進口邊坡傾倒變形特征明顯，其穩(wěn)定性控制汶馬高速公路建設(shè)及運營安全。通過野外勘察查明傾倒變形體的空間發(fā)育特征，依據(jù)其傾倒強弱程度將傾倒體劃分為傾倒墜覆區(qū)、強傾倒變形區(qū)和弱傾倒變形區(qū)，根據(jù)其變形特征進行了穩(wěn)定性評價，并提出了針對性治理措施建議。

傾倒變形；變形體；演變過程；穩(wěn)定性

在建的汶（川）馬（爾康）高速是四川第二條藏區(qū)高速，是四川連接西北的大通道，其中的通化1號隧道進口邊坡傾倒變形體位于汶馬高速K71+100m處，屬四川省理縣通化鄉(xiāng)。受地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和坡體結(jié)構(gòu)等影響，邊坡以傾倒變形為主，變形體前緣距汶馬高速僅2~10m，查明其發(fā)育特征及變形機理，對正確評價其穩(wěn)定性及采取針對性措施具有重要意義。

圖1 傾倒變形工程地質(zhì)平面圖

1 場地地質(zhì)環(huán)境條件概述

場地所在部位河谷深切，兩岸岸坡大體呈“V”字形，傾倒變形邊坡位于雜谷腦河左岸，岸坡坡向約155°，自然坡度35°~60°，總體表現(xiàn)為上緩下陡，坡表植被發(fā)育較少，基巖多裸露。區(qū)內(nèi)地層出露巖性為志留系茂縣群第四組千枚巖和第四系覆蓋層。千枚巖片理發(fā)育，層厚約10~20cm，正常基巖產(chǎn)狀為355°∠77°。第四系覆蓋層主要為分布于邊坡坡腳的崩積碎石土、沖洪積卵礫石土和坡表坡殘積碎石土。受強烈構(gòu)造作用影響，坡體內(nèi)節(jié)理發(fā)育，表現(xiàn)為兩組優(yōu)勢節(jié)理面，產(chǎn)狀分別為226°∠68°和190°∠45°。此外區(qū)域內(nèi)地震活動強烈且比較頻繁，2008年5月12日汶川大地震中，場區(qū)地震烈度達到了Ⅷ度。

圖2 傾倒變形體及各變形區(qū)照片

2 傾倒變形體空間分布特征

傾倒變形體前緣位于邊坡坡腳機耕道附近，后緣位于邊坡中段陡緩交界處，前后緣高差約120~130m；傾倒體左、右側(cè)以小型沖溝為界，其中左側(cè)沖溝下切較深，如圖2所示。變形體順坡向長約130~140m，順河向?qū)捈s120~140m，水平分布深度約10~40m，一般20~30m，估算方量約47×104m3。坡腳及兩側(cè)沖溝內(nèi)崩塌落石發(fā)育，其中粒徑大于1m的巨石占比約40%，塊碎石含量約50%，礫石含量約10%，最大落石粒徑可達4m。

3 傾倒變形分區(qū)

野外調(diào)查顯示，在山脊等山體突出部位巖層傾倒變形強烈，巖層發(fā)生明顯的折斷，層間張開甚至發(fā)生崩塌落石等現(xiàn)象；而沖溝等負地形部位和坡度較緩部位巖層傾倒變形輕微。據(jù)此，可根據(jù)傾倒變形強弱程度，以傾倒巖層傾角為定量指標(biāo)，將該邊坡傾倒變形體劃分為傾倒墜覆區(qū)（A區(qū)）、強傾倒變形區(qū)（B區(qū)）和弱傾倒變形區(qū)（C區(qū)），劃分依據(jù)見表1，分區(qū)結(jié)果見圖1和圖2。

通化1號隧道進口邊坡傾倒變形強烈程度等級劃分表

變形等級巖層傾角與正常巖層傾角變化幅度變形特征 傾倒墜覆＜17°＞60°巖體碎裂，多為危巖體或孤石，坡腳崩塌巖堆發(fā)育，坡腳崩落塊石直徑可達2~4m。 強傾倒變形17°~45°32°~60°巖層明顯拉開，根部完全折斷，巖層傾角變化幅度大，巖體較破碎，坡腳為崩塌堆積塊碎石土。 弱傾倒變形45°~70°7°~32°巖層輕微拉開，多為柔性變形，根部偶見折斷，傾角變化幅度小。

3.1 傾倒墜覆區(qū)基本特征

從空間上看，傾倒墜覆區(qū)（A區(qū)）分布于變形體中上段，順坡長約5m，寬約10m，水平發(fā)育深度約5~8m（圖2、3）。其主要特點：①傾倒后變形體巖層傾角一般小于17°，與正?；鶐r傾角相差可達60°；②巖體破碎，呈碎裂結(jié)構(gòu)，多呈危巖或孤石，風(fēng)化嚴重，自穩(wěn)能力差；③坡腳及右側(cè)沖溝內(nèi)落石、巖堆發(fā)育，落石塊徑一般1~3m。

圖3 通化1號隧道進口邊坡傾倒變形體2-2＇剖面圖

圖4 弱傾倒變形區(qū)臺階型折斷面

分析顯示，該區(qū)是早期強傾倒變形體表層剝落后的殘留體，坡腳落石表明該區(qū)曾經(jīng)發(fā)生過崩塌?？傮w上看，傾倒墜覆區(qū)整體穩(wěn)定性一般，局部穩(wěn)定性較差，暴雨或地震工況下可能發(fā)生危巖體崩落。該區(qū)危巖體失穩(wěn)后會對汶馬高速建設(shè)及運營造成直接危害。

3.2 強傾倒變形區(qū)基本特征

強傾倒變形區(qū)（B區(qū)）分布于變形體中下段，順坡長約25~50m，寬約70m，水平發(fā)育深度約10~20m（圖2和圖3）。其主要特點：①該區(qū)植被不發(fā)育，斜坡坡度大于45°；②傾倒后變形體巖層傾角一般為17°~45°，與正?；鶐r傾角相差約32°~60°；③巖體完整性較差，風(fēng)化嚴重，受卸荷影響，局部較松弛，自穩(wěn)能力一般；④相較于變形體左側(cè)，其右側(cè)的傾倒變形程度更高，穩(wěn)定性相對更差。

該區(qū)局部突出巖體在暴雨或地震工況下可能發(fā)生崩塌落石，由于山脊處變形程度較高，巖體松弛嚴重，特別是在施工過程中對坡腳的擾動可能加劇傾倒體變形，存在沿強傾倒變形折斷面發(fā)生整體滑動的可能性。

3.3 弱傾倒變形區(qū)基本特征

弱傾倒變形區(qū)（C區(qū)）分布于變形體左上部，順坡長約15~30m，寬約70m，水平發(fā)育深度約20~45m（圖2和圖3）。其主要特點：①該區(qū)植被零星發(fā)育，坡度較強傾倒區(qū)緩，一般為35°~45°；②傾倒后變形體巖層傾角一般為45°~70°，與正常基巖傾角相差約7°~32°，折斷面呈臺階狀，由底部向頂部發(fā)展；③巖體完整性較強傾倒區(qū)相對較好，在卸荷作用下，局部較松弛，風(fēng)化較嚴重。

斜坡下部和溝道內(nèi)分布的崩積碎石土表明該區(qū)同樣是早期強變形體表層剝落后的殘留體。從地形上看，斜坡中下部坡度較陡，為早期強傾倒體破壞預(yù)留了空間，弱傾倒體折斷面呈臺階型（圖4），充分說明該邊坡的變形模式就是上部巖體在下部傾倒失穩(wěn)后的逐級變形。

4 邊坡傾倒變形過程機理分析

通過上述傾倒變形體特征論述，其變形發(fā)展可分為4個階段。

1）彎曲變形階段：反傾層狀巖體在自重和卸荷作用下，上覆巖體發(fā)生重力蠕變，具體在淺表層發(fā)生彎曲變形并逐漸向坡體內(nèi)部發(fā)展，巖體沿層面方向發(fā)生剪切變形（圖5 a）。

2）彎曲-傾倒變形發(fā)展階段：隨著彎曲變形的逐步發(fā)展，彎曲層面之間發(fā)生錯動，層面逐漸分離，層內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力，產(chǎn)生層內(nèi)拉張裂縫，巖體彎曲變形加劇，并由前向后逐漸發(fā)展，發(fā)生彎曲-傾倒變形，斜坡后緣開始出現(xiàn)拉張裂縫，坡表呈現(xiàn)出反坡向臺階（圖5 b）。

圖5 通化1號隧道進口反傾巖質(zhì)邊坡傾倒變形過程示意圖

3）彎曲-折斷破裂階段：傾倒變形進一步發(fā)展，已彎曲巖體在坡體內(nèi)部最大彎折帶處繼續(xù)彎曲甚至發(fā)生折斷，形成順坡向的斷續(xù)拉裂面，同時后緣拉裂縫不斷向后擴展（圖5 c）。

4）坡體滑移失穩(wěn)破壞階段：隨著變形的繼續(xù)發(fā)展，巖體傾倒折斷形成的斷續(xù)拉裂面將逐步發(fā)展并貫通，在重力或其他外部荷載作用下，斜坡坡腳出現(xiàn)隆起、外鼓現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)滑移剪出跡象，變形體最終演化成以拉裂面為底滑面的整體滑移型破壞（圖5 d）。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

1）通化1號隧道進口傾倒變形體順坡向長約130~140m，順河向?qū)捈s120~140m，水平分布深度約10~40m，一般20~30m，估算方量約47×104m3。

2）根據(jù)傾倒變形強弱，可將整個傾倒變形體分為：傾倒墜覆區(qū)、強傾倒變形區(qū)和弱傾倒變形區(qū)。

3）傾倒墜覆區(qū)巖體松弛、穩(wěn)定性差，地震或暴雨工況下易發(fā)生崩塌落石；強傾倒變形區(qū)折斷面發(fā)育，存在沿強傾倒變形折斷面發(fā)生整體滑動的可能性。

4）反傾巖質(zhì)邊坡傾倒變形發(fā)展過程可分為4個階段：彎曲變形、彎曲-傾倒變形、彎曲折斷破裂和坡體滑移失穩(wěn)。

5.2 建議

1）結(jié)合傾倒變形體穩(wěn)定性及汶馬高速公路位置，在邊坡坡腳變形體前緣設(shè)置抗滑兼攔渣樁板墻，防治強傾倒變形體整體失穩(wěn)及傾倒墜覆區(qū)可能崩落塊石。

2）施工中盡量減少對邊坡坡腳的開挖，加強傾倒體變形監(jiān)測、預(yù)警。

[1] 張倬元、王士天、王蘭生，工程地質(zhì)分析原理[M].北京：地質(zhì)出版社

[2] 韓貝傳, 王思敬. 邊坡傾倒變形的形成機制與影響因素分析[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報, 1999, 7(3):213-217.

[3] 黃潤秋,李渝生,嚴明. 斜坡傾倒變形的工程地質(zhì)分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2017,25(05):1165-1181.

[4] 呂俊磊. 雅礱江新龍水電站近壩右岸傾倒變形體失穩(wěn)模式及穩(wěn)定性研究[D].西南交通大學(xué),2015.

[5] 劉順昌. 如美水電站巖質(zhì)邊坡傾倒破壞機理研究[D].中國地質(zhì)大學(xué),2013.

Slope Deformation and Its Mechanism at the Tonghua Tunnel Entrance of the Wenchuan-Markam Motorway

WU Jing-tao HU Xie-wen

WU Jingtao1HU Xiewen1,2

（1-Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031; 2-State-Province Joint Engineering Laboratory of Spatial Information Technology for High-Speed Railway Safety, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031）

The slope toppling deformation at the Tonghua No.1 tunnel entrance is obvious, and its stability gets the construction and operation safety of the Wenchuan-Markam motorway under control. The spatial distribution of the toppling rock mass are identified through field investigation. According to the degree of deformation, the toppling rock mass is divided into three areas: falling area, strong toppling deformation area and weak toppling deformation area. According to the deformation characteristics, its stability is evaluated, and some treatment measures are proposed.

toppling deformation; deformation mass; evolutionary process; stability

2018-05-21

國家自然科學(xué)基金資助(No.41731285，41672283)；四川省國土資源廳科學(xué)研究計劃(KJ-2014-10，KJ-2015-18，KJ-2016-8)

吳京濤（1993—），男，碩士研究生，主要從事工程地質(zhì)方面的研究

胡卸文(1963—)，男，博士，教授、博士生導(dǎo)師，主要從事工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)方面的教學(xué)與研究工作

P642.2

A

1006-0995（2019）01-0105-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.01.025