新成昆鐵路某隧道進(jìn)口高陡邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

【摘要】新成昆鐵路峨邊至喜德段位于大渡河及其支流尼日河沿岸。沿線層巒疊嶂、山高谷深、川大流急。因此，新成昆鐵路隧道進(jìn)出口仰坡高差大，高位滑坡、危巖落石、坡面泥石流等不良地質(zhì)頻發(fā)。同時(shí)，高陡邊坡的穩(wěn)定性問題非常突出。以某隧道進(jìn)口高陡邊坡為例，采用赤平投影法、有限單元法及離散單元法數(shù)值模擬，對(duì)該高陡邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

【摘要】高陡邊坡； 穩(wěn)定性； 評(píng)價(jià)

【摘要】U416.1+4A

0 引言

新成昆鐵路峨邊至喜德段，自新生代以來，受到地殼大幅度差異性上升和河流的強(qiáng)烈下切，形成了沿線的層巒疊嶂、山高谷深、川大流急的地貌特征。構(gòu)造的特點(diǎn)是背斜緊密、向斜寬緩，斷層則以高角度逆斷層為主，褶皺構(gòu)造次之，構(gòu)造異常復(fù)雜。因此，造成了鐵路隧道進(jìn)出口仰坡高差大，高位滑坡、危巖落石、坡面泥石流等不良地質(zhì)頻發(fā)。同時(shí)，高邊坡的穩(wěn)定性問題非常突出。以某隧道進(jìn)口高邊坡為例，采用赤平投影法、有限單元法及離散單元法數(shù)值模擬，對(duì)該高邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，為邊坡的整治提供可靠依據(jù)。

1 工程概況

某隧道位于四川省涼山州甘洛縣境內(nèi)。該隧道全長(zhǎng)410 m，最大埋深約200 m。隧道進(jìn)、出口端均為雙線大橋。高中山峽谷地貌，地形起伏較大，由于尼日河深切，多見懸崖絕壁，地面高程為840～2700 m，自然坡度5～35°不等，局部較陡。地表植被不發(fā)育。

1.1 巖性與構(gòu)造

隧道進(jìn)口段邊仰坡出露基巖為寒武系下統(tǒng)筇竹寺組（∈1q）砂巖，局部夾頁巖。

測(cè)區(qū)為單斜構(gòu)造，出口巖層產(chǎn)狀：N5～20°E/50～70°S；進(jìn)口產(chǎn)狀為：N-S /65°E，節(jié)理發(fā)育，主要有三組節(jié)理，分別為：（1）N80°E/62°NW、（2）N80°W/63°SW、（3）N50°E/45°SE，多呈密閉狀，無充填，表層有少量呈微張開狀有少許黃色黏土充填，節(jié)理面少量呈黃銹色，間距多在0.1～0.4 m之間，延伸較遠(yuǎn)。進(jìn)口段巖體較破碎。

1.2 地震動(dòng)參數(shù)

測(cè)區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。

1.3 水文地質(zhì)

地表水為尼日河水。地下水為基巖裂隙水，賦存于砂巖及白云巖的裂隙中，相對(duì)透水性較高。取水樣分析，水質(zhì)類型為：SO42-－Ca2+、Mg2+型水，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無侵蝕性。

1.4 不良地質(zhì)

隧道進(jìn)口D1K266+170～+220段，巖質(zhì)為砂巖夾頁巖，邊坡較陡，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體切割呈碎塊狀，局部倒懸，易形成落石。不良地質(zhì)為危巖落石。

2 巖體結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性

2.1 邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征

對(duì)隧道進(jìn)口邊坡調(diào)查。設(shè)了兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)分布如圖1所示。

2.1.1 G18觀測(cè)點(diǎn)

G18觀測(cè)點(diǎn)位于隧道進(jìn)口頂部（圖2）。該區(qū)域巖性為白云巖，層理產(chǎn)狀：N10°W/52°NE，兩組節(jié)理面產(chǎn)狀分別為：（1）N50°W/52°SW、（2）N39°E/59°NW。

2.1.2 G19觀測(cè)點(diǎn)

G19觀測(cè)點(diǎn)位于隧道進(jìn)口邊坡坡面，坡面發(fā)育兩條明顯沖溝，兩條沖溝在邊坡中部匯合（圖3）。通過無人機(jī)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，兩沖溝內(nèi)存在局部松散危巖體，兩沖溝之間的凸出巖體風(fēng)化卸荷現(xiàn)象明顯，極易形成危巖體。該區(qū)域發(fā)育的危巖體將會(huì)沿著沖溝向下滾落，直接影響隧道進(jìn)口的橋梁安全。

2.2 巖體點(diǎn)荷載強(qiáng)度測(cè)試

隧道進(jìn)口點(diǎn)荷載強(qiáng)度測(cè)試見表1。

2.3 巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度特征

根據(jù)巖體特性，參考《工程地質(zhì)手冊(cè)》相關(guān)巖體參數(shù)取值范圍，選取砂巖的內(nèi)摩擦角為38°～40°。

利用巴頓提出的巴頓（Barton）模型獲得等效的C、φ值。通過估算選取結(jié)構(gòu)面上的有效正應(yīng)力為5 MPa，求取此時(shí)的等效結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)，并與用標(biāo)準(zhǔn)線性回歸方法的得到的、在σn＝0～10 MPa法向應(yīng)力范圍內(nèi)的內(nèi)摩擦角和等效粘聚力作了比較。通過基于巴頓（Barton）模型的等效抗剪強(qiáng)度計(jì)算，就有可能獲得比直剪實(shí)驗(yàn)法更全面、更符合結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度性質(zhì)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，結(jié)構(gòu)面的粗糙系數(shù)JRC小的比JRC大的巴頓（Barton）模型更趨近于直線型的莫爾－庫侖準(zhǔn)則，各工點(diǎn)參數(shù)見表2、表3。

3 結(jié)構(gòu)面赤平投影分析

采用下半球分析，對(duì)結(jié)構(gòu)面空間組合關(guān)系的巖體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算（圖4、表4）。

巖土工程與地下工程李向東， 何劉： 新成昆鐵路某隧道進(jìn)口高陡邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

某隧道進(jìn)口邊坡巖體實(shí)測(cè)產(chǎn)狀：結(jié)構(gòu)面1（層面）：S10°E/52°NE，結(jié)構(gòu)面2：S50°E/52°SW，結(jié)構(gòu)面3：S34°E/59°NW，坡面：N9°W/45°SW，選取巖石結(jié)構(gòu)面綜合φ =45.07°，tan φ=1.002。由赤平投影分析（圖4）得出，圖中切割錐的滑塌形式無直接墜落體，坡面投影穿過單滑面1、2、3，雙滑面12、13、23，故邊坡不在該方向上形成滑塌體。但值得注意的是，雙滑面23的交線傾向傾角與邊坡坡面產(chǎn)狀極其近似，因此分析認(rèn)為雙滑面處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)。通過計(jì)算匯總，各滑塌體穩(wěn)定性系數(shù)分析表（表4）可知，雙滑面23的穩(wěn)定系數(shù)為0.95，在自然狀態(tài)下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，存在沿雙滑面23發(fā)生滑移破壞的可能性。

4 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

4.1 分析方法

利用有限單元法和離散單元法數(shù)值模擬，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

4.2 分析結(jié)果

4.2.1 有限單元分析

某隧道進(jìn)口邊坡沿線路方向剖面計(jì)算有限單元模型如圖5所示，通過有限單元法計(jì)算，考慮不利的地震工況，對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

①“上”、“下”表示 Li 面的上盤或者下盤

②gij 指向赤平面以上為（-），以下為（+）

③單滑面 1、2、3 分別指被結(jié)構(gòu)面 J1、結(jié)構(gòu)面J2和結(jié)構(gòu)面J3所在平面所切割構(gòu)成的塊體。

④雙滑面 12 指結(jié)構(gòu)面J1 和結(jié)構(gòu)面 J2 共同切割所形成的楔形體，雙滑面 13 指結(jié)構(gòu)面J1和結(jié)構(gòu)面J3共同切割所形成的楔形體，雙滑面 23 指結(jié)構(gòu)面J2 和結(jié)構(gòu)面J3共同切割所形成的楔形體

地震狀態(tài)下：對(duì)測(cè)區(qū)水平方向施加0.15g的加速度來進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖6～圖14所示。

4.2.1.1 應(yīng)力變形分析

按照此地的地震抗震烈度，給水平方向施加0.15g的加速度進(jìn)行數(shù)值模擬，由圖6～圖13云圖以及圖14強(qiáng)度分析可以看出，在坡體表面一共有三處應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中在坡底處壓應(yīng)力集中，而在邊坡高程為1010～1020 m即隧道進(jìn)口處壓應(yīng)力比較集中。坡頂處則拉應(yīng)力比較集中。

4.2.1.2 強(qiáng)度分析

采用莫爾強(qiáng)度理論準(zhǔn)則，對(duì)加載后邊坡巖體抗拉強(qiáng)度進(jìn)行破壞分析，取強(qiáng)度因子σt=0.3 MPa，C=1 MPa，=35°，由圖15表明在地震條件下，相比天然條件下破壞點(diǎn)明顯增多。

為了分析5#橋臺(tái)在天然狀態(tài)下的應(yīng)力分布情況，在5#橋臺(tái)位置處，設(shè)置A-A’剖面進(jìn)行巖體穩(wěn)定性計(jì)算（圖15），研究其受力分布情況。

剖面A-A’，橫穿五號(hào)橋臺(tái)，垂直于等高線方向。

根據(jù)圖16～圖24分析可得，邊坡的變形破壞主要是由邊坡坡腳處的剪切破壞引起的。根據(jù)圖25強(qiáng)度分析破壞點(diǎn)分布規(guī)律可得，邊坡坡腳處的變形破壞范圍大約在10 m左右，破壞深度可能在1～5 m之間。邊坡存在順層，可能造成坡腳處變形，引起邊坡順層滑移。

4.2.2 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

根據(jù)調(diào)查確定的邊坡巖體結(jié)構(gòu)模型，對(duì)某隧道進(jìn)口邊坡采用和有限元相同的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算，由于離散元模擬的是巖體結(jié)構(gòu)。

4.2.2.1 某隧道進(jìn)口邊坡斷面和巖體結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)

（1）計(jì)算坡高及坡角：隧道進(jìn)口距河谷高約為80 m，取河谷底部向下37 m，向上142 m，做此邊坡的地質(zhì)模型。坡角及頂角均按地質(zhì)剖面圖計(jì)算。

（2）節(jié)理：發(fā)育一組巖層面和兩組節(jié)理面，層面產(chǎn)狀N10°W/52°NE，兩組結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分別為：N50°W/52°SW和N39°E/59°NW。模型斷面的走向?yàn)?32°。為計(jì)算方便，模型節(jié)理間距按2 m計(jì)算，節(jié)理跡線長(zhǎng)度按2 m計(jì)算。

4.2.2.2 模擬條件

設(shè)計(jì)了按不利工況，施加地震動(dòng)荷載情況，對(duì)隧道進(jìn)口邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算。

4.2.2.3 地震狀態(tài)下模擬結(jié)果及分析

繪制邊坡地震條件下巖體的破壞發(fā)展模式圖，計(jì)算顯示位移整體增加，該隧道在地震條件下可能存在潛在的破壞變形（圖26～圖29）。

5 結(jié)論

（1）某隧道進(jìn)口邊坡巖性為砂巖夾頁巖。邊坡發(fā)育兩條沖溝，沖溝內(nèi)存在危巖體。該危巖體將會(huì)沿著沖溝向下滾落，匯入隧道進(jìn)口右上方溝槽，影響隧道進(jìn)口橋梁安全。

（2）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果揭示，巖體等效抗壓強(qiáng)度為143.79 MPa，等效抗拉強(qiáng)度為5.61 MPa；巖體三組結(jié)構(gòu)面中，結(jié)構(gòu)面①等效抗剪強(qiáng)度為C=0.32 MPa，φ=46.68°，結(jié)構(gòu)面②等效抗剪強(qiáng)度為C=0.30 MPa，φ=45.07°，結(jié)構(gòu)面③等效抗剪強(qiáng)度為C=0.31 MPa，φ=45.42°。

（3）赤平投影分析表明，切割錐的滑塌形式無直接墜落體，坡面投影穿過單滑面1、單滑面2、單滑面3，雙滑面12、雙滑面13不在該方向上形成滑塌體。但是，通過計(jì)算雙滑面23的穩(wěn)定系數(shù)為0.95，為欠穩(wěn)定狀態(tài)，存在沿雙滑面23發(fā)生滑移破壞的可能。

（4）數(shù)值模擬表明，在地震工況下，線路邊坡在5#橋臺(tái)處將會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力集中；5#橋墩下部巖體深度15 m范圍內(nèi)，將會(huì)是其破壞的重要影響區(qū)域。因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該采取必要措施，對(duì)5#橋墩附近巖體進(jìn)行錨固處理，以保障邊坡穩(wěn)定。

（5）計(jì)算結(jié)果表明，隧道邊坡坡腳處發(fā)生的剪切破壞，是邊坡整體潛在變形破壞的主要原因。同時(shí)，考慮到地震及橋墩荷載的作用，為了避免橋墩區(qū)域應(yīng)力集中造成順層層面貫穿，應(yīng)該對(duì)邊坡坡面進(jìn)行錨固，以防止邊坡發(fā)生順層滑塌，影響橋梁安全。

最后，考慮到河流對(duì)邊坡坡腳的沖刷掏蝕作用，應(yīng)采取設(shè)欄石壩（墻）等措施對(duì)坡腳進(jìn)行防護(hù)。除此之外，隧道上方右側(cè)暫時(shí)性流水溝渠，受季節(jié)控制，會(huì)在雨季出現(xiàn)暫時(shí)性流水匯集，因此應(yīng)該對(duì)溝內(nèi)的暫時(shí)性地表水加以引導(dǎo)，避免地表水對(duì)線路運(yùn)營的影響，同時(shí)應(yīng)該對(duì)溝內(nèi)潛在危巖落石進(jìn)行清理及整治。

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