虹梯關(guān)隧道進(jìn)口段危巖體形成機(jī)理及處治方案

張國文

(山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西晉中 030620)

長平高速公路是連接山西省長治市與河南省安陽市高速公路的一部分。虹梯關(guān)超特長隧道位于B6合同段。隧道進(jìn)口位于平順縣虹梯關(guān)鄉(xiāng)梯后村西南的虹霓河峽谷左岸岸坡，在隧道進(jìn)口的上方，分布一處約2萬多立方米的危巖體，威脅隧道洞門和與隧道相接的白母塘大橋的安全。

1 自然地理及地質(zhì)環(huán)境條件

工作區(qū)位于長治市平順縣虹梯關(guān)鎮(zhèn)梯后村西南約2．5 km的虹霓河北岸，距平順縣城14 km。地貌屬溶蝕、侵蝕低中山區(qū)，大部基巖裸露，主要由奧陶系、寒武系碳酸鹽巖組成。溝谷深切，山勢險(xiǎn)峻，巖石堅(jiān)硬，懸崖峭壁隨處可見，峽谷壁陡，山頂高程1 245．4 m，溝底虹霓河河床地面高程843．0 m，最大相對高差402．4 m。隧道進(jìn)口位于虹霓河峽谷左岸的堆積緩坡下方，洞底標(biāo)高894．691 m。堆積緩坡以上由陡壁和緩坡平臺(tái)依次組成四級臺(tái)階。各臺(tái)階的陡壁主要由厚～巨厚層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及白云巖等組成;緩坡平臺(tái)主要由薄層灰?guī)r、白云質(zhì)頁巖等組成。含水層主要為寒武系中上統(tǒng)厚層鮞狀灰?guī)r和奧陶系下統(tǒng)白云質(zhì)灰?guī)r等，下部隔水層為徐莊組紫紅色泥巖。地下水補(bǔ)給來源為大氣降水入滲補(bǔ)給，總體由南西向北東徑流，呈脈狀產(chǎn)出，裂隙發(fā)育帶，巖溶較發(fā)育，易于地下水匯集。據(jù)勘探資料，測區(qū)地下水位標(biāo)高在±890 m，位于隧道工程以下。

2 危巖體工程地質(zhì)特征

危巖體是由卸荷裂隙與坡面包圍的巖石組合體，多發(fā)育于河谷兩側(cè)硬巖或硬巖與軟巖組合的陡峻巖壁上。河谷是在水流作用下形成的，在形成過程中由于水流的切割沖刷，破壞了巖體的原始應(yīng)力場，河谷兩側(cè)巖體應(yīng)力重新分布，巖壁上的坡肩部位為拉裂區(qū)，致使原巖中的節(jié)理裂隙逐漸張開呈卸荷狀，靠河谷側(cè)裂隙張開程度大，靠內(nèi)側(cè)逐漸閉合與原地層節(jié)理裂隙分布趨于一致。測區(qū)危巖體位于虹梯關(guān)隧道進(jìn)口上方的巖壁上，主要由PL1卸荷裂隙與坡面所包圍的巖體組成。

危巖體可分為總體部分(W1)和分體部分(W1-1)，見圖1。

W1:由PL1與坡面所包圍的危巖體為總體部分，它包括了由PL2與坡面所包圍的分體部分(W1-1)。主要由寒武系中統(tǒng)張夏組(∈2z)中上部的深灰、灰黑色厚～巨厚層狀鮞狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r組成。呈南寬北窄、上寬下窄的板狀楔形體，南北兩側(cè)沖溝將PL1切割，危巖體長75 m，寬50 m～70 m;上部厚34．5 m，中部厚25 m，下部厚20 m，總高度100 m，總體積2．3萬m3。發(fā)育共軛節(jié)理，上方緩坡平臺(tái)上節(jié)理產(chǎn)狀:第一組60°∠84°，密度2條/m，縫寬1 mm～2 mm，無充填;另一組90°∠85°，密度為2條/m，縫寬1 mm～2 mm，無充填。危巖體峭壁下洞口附近節(jié)理產(chǎn)狀分別為265°∠88°和175°∠80°，密度均為2條/m。兩組節(jié)理與巖層面將危巖體切割成大小不等的菱形塊體，危石聳立，為典型的厚層塊狀結(jié)構(gòu)，體內(nèi)的層面大多連接良好。

W1-1:PL2卸荷裂隙長約65 m，危巖體厚3 m～5 m，寬30 m，高10 m～30 m，體積1 500 m3～2 000 m3。

3 危巖體穩(wěn)定性評價(jià)

3．1 卸荷裂隙與各結(jié)構(gòu)面赤平投影分析

危巖體受巖坡面、巖層面、卸荷裂隙面、節(jié)理面的控制，四結(jié)構(gòu)面對危巖體的穩(wěn)定性起主導(dǎo)作用，為此，以赤平極射投影平面圖反映其空間組合關(guān)系，從而分析其穩(wěn)定性。

隧道進(jìn)口段峭壁坡面產(chǎn)狀120°∠72°;PL1產(chǎn)狀為125°∠78°，呈連續(xù)貫通出露，但底部尖滅，使危巖體未與母體脫離;巖層產(chǎn)狀平緩(325°∠5°)。坡體中發(fā)育兩組共軛“X”節(jié)理，產(chǎn)狀分別為265°∠88°和175°∠80°，發(fā)育密度均為2條/m。由赤平投影圖可以看出，四種結(jié)構(gòu)面之間相交夾有四邊形區(qū)域，即將巖石切割成塊體，其掉塊與否取決于巖層面的結(jié)合程度和巖層風(fēng)化凹進(jìn)程度。由于張夏組底部巖性為薄層狀泥質(zhì)條帶灰?guī)r夾紫紅、灰綠色頁巖，易風(fēng)化，相對上方硬巖凸出，這樣便形成危石凸出、懸空的現(xiàn)象，當(dāng)近水平的巖層面結(jié)合程度差時(shí)，懸空的危石重力大于巖層面的結(jié)合力即產(chǎn)生掉塊。

3．2 危巖體(巖塊)模擬崩塌運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算

一般情況下，巖體發(fā)生崩塌后，落石的運(yùn)動(dòng)方式可概化為四個(gè)階段:脫離母巖、墜落、彈跳、滾動(dòng)(滑動(dòng))穩(wěn)定(見圖2)。

崩塌落石墜落的速度決定著落石最終的滾動(dòng)或彈跳距離。而直落式落石的運(yùn)動(dòng)速度與落石下落的高度、體積和重量有關(guān)，非直落式落石的運(yùn)動(dòng)速度與山坡的坡度、坡面巖性及植被發(fā)育程度有關(guān)。

1)落石的運(yùn)動(dòng)速度確定。對于崩塌落石速度的確定，采用前蘇聯(lián)尼·米·羅依尼什維里教授提出的落石運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算方法，按折線形山坡計(jì)算(見圖3)。適用于:折線形山坡，各坡段坡度角θ=30°～60°，各段坡長度大于10 m，相鄰的坡度θ相差大于5°。

假定在崩塌過程中，忽略聲能，落石的勢能只轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能和克服摩擦做功，并設(shè)初速度為零，根據(jù)功能原理，則崩落體的運(yùn)動(dòng)速度可由下式確定:

其中，v為落石的下落速度，m/s;h為落石的墜落高度，m;g為重力加速度，m/s2;θ為山坡坡度角，(°);K為巖塊沿山坡運(yùn)動(dòng)所受各種影響因素綜合作用的阻力系數(shù)，可用表1公式計(jì)算。

表1 阻力系數(shù)K值計(jì)算公式表

其余坡段的末端速度:

其中，V0(n)為巖塊運(yùn)動(dòng)研究坡段起點(diǎn)的初速度，可按以下情況考慮:當(dāng) θ(n－1)＞ θn時(shí)，V0(n)=Vm(n－1)cos[θ(n－1)－ θn］，當(dāng) θ(n－1)＜θn時(shí)，V0(n)=Vm(n－1)，θn為研究坡段的坡度角，(°)，θ(n－1)為前一坡段的坡度角，(°)，Vm(n－1)為巖塊在前一坡段末端的運(yùn)動(dòng)速度，m/s。

W1-1危巖體位于第一級臺(tái)階的上部，一旦發(fā)生崩塌后，落石可能會(huì)在下部的緩坡平臺(tái)上發(fā)生彈跳，下面對危巖體的落石下落速度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 危巖體落石下落速度計(jì)算結(jié)果

2)落石的彈跳計(jì)算。落石以一定的速度落到坡面上后，一般會(huì)在坡面上經(jīng)過一次或多次彈跳。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，在第一次跳躍式彈跳以后，第二次、第三次彈跳的幅度一般會(huì)比第一次彈跳小得多。通過對落石第一次彈跳的運(yùn)動(dòng)軌跡研究，可計(jì)算出落石與坡面的最大偏離，從而可以確定攔截建筑物的高度和建筑物與山坡坡腳間的最小間距。

落石的運(yùn)動(dòng)形式理論上可按質(zhì)點(diǎn)在斜坡上的運(yùn)動(dòng)軌跡來表示(見圖4)，這就可確定落石運(yùn)動(dòng)時(shí)距離斜坡面的最遠(yuǎn)距離。

落石的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為:

其中，V0為落石在坡面上的初速度，m/s;φ為落石反射速度

方向與垂直方向夾角;g為重力加速度。

落石在垂直方向上距斜坡的最大距離為:Hmax=Lmax·tanθ。

對W1-1危巖體發(fā)生崩塌后，落石在緩坡平臺(tái)上的彈跳參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3，表4。

表3 彈跳參數(shù)

表4 危巖體崩塌后落石最遠(yuǎn)堆積位置計(jì)算統(tǒng)計(jì)表

W1-1崩落后落石在水平方向上的最大位移為141．8 m，堆積緩坡從坡腳到河槽的總寬度為145 m，說明W1-1崩落后部分落石可能會(huì)滾落到溝底的河槽中;隧道位于堆積緩坡的中部，隧道高出河床約40 m，上方堆積緩坡高度為50 m，再按照落石運(yùn)動(dòng)軌跡方程計(jì)算落石在隧道標(biāo)高上(當(dāng)y=50時(shí))的水平位移，X隧道標(biāo)高=62．35 m。

3．3 危巖體的穩(wěn)定性評價(jià)

危巖體分布于標(biāo)高950 m～1 120 m之間，上部為緩坡平臺(tái)，下部呈陡壁，陡壁高約130 m～140 m，坡度72°～80°，線路左洞上方巖體中卸荷裂隙發(fā)育一般，坡體穩(wěn)定性較好;右洞上方節(jié)理裂隙和卸荷裂隙比較發(fā)育，為W1和W1-1危巖體所在部位，邊坡穩(wěn)定性較差。W1危巖體總體積約2．3萬m3;W1-1危巖體為W1危巖體上的一部分，體積約2 000 m3。

通過對與危巖體相關(guān)的巖坡面、PL1卸荷裂隙面、巖層面和節(jié)理面的關(guān)系進(jìn)行分析，自然條件下邊坡為欠穩(wěn)定邊坡，W1-1危巖體的穩(wěn)定性較差;極端條件下，可能會(huì)發(fā)生崩塌，威脅隧道進(jìn)口、隧道前面橋臺(tái)及過往車輛的安全。經(jīng)計(jì)算危巖體發(fā)生崩塌后，落石彈跳的最大水平位移為141．80 m。

4 處治方案建議

4．1 被動(dòng)防護(hù)方案(方案Ⅰ)

主要在危巖體下設(shè)置攔石(水)溝、堆積緩坡設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)、兩隧道洞門上墊層和端墻加厚加強(qiáng)、兩隧道洞門前設(shè)置柔性棚洞四部分防護(hù)工程對危巖體進(jìn)行防護(hù)。此方案的優(yōu)點(diǎn)是:簡單、易施工，造價(jià)不大。缺點(diǎn)是:在極端條件下，危巖體形成大方量崩塌，被動(dòng)防護(hù)工程仍有被摧毀的可能性。具體工程措施如下:

1)危巖體下方設(shè)置攔石溝(Ⅰ-1)。

在危巖體與堆積緩坡交界地帶設(shè)置攔石(水)溝。攔石溝靠危巖體下方腳部順地勢以左右洞中心向兩側(cè)沿展設(shè)置，修筑時(shí)自兩側(cè)坡下向坡上兩隧道中心相向進(jìn)行，溝內(nèi)呈階梯狀，寬度隨地勢盡量加寬，底寬不小于1 m。其功能是:a．利于排水;b．?dāng)r截沿危巖體垂直下落的石塊;c．便于行人和運(yùn)送材料及小型設(shè)備;d．?dāng)r石溝修好后，順便將巖柱后PL1裂縫中的灌木等植被清理后，用水泥砂漿封閉、抹平，以抑制植物根劈作用和風(fēng)化作用，加強(qiáng)危巖體根部的穩(wěn)定性。

2)堆積緩坡設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)(Ⅰ-2)。

采用布魯克(成都)工程有限公司生產(chǎn)的布魯克防護(hù)網(wǎng)(下稱布魯克)，網(wǎng)高7 m，寬70 m～100 m，網(wǎng)與坡面基本垂直，坡面與水平面約成45°角，自左右洞中心向兩側(cè)呈“人”字形并向下方傾斜，以利落石彈向洞門外側(cè)，對洞門不產(chǎn)生危害。

3)兩隧道洞門上墊層加厚、端墻加強(qiáng)(Ⅰ-3)。

隧道貫通后，結(jié)合洞門景觀設(shè)計(jì)，將洞門上的端墻加厚加高、箍筋加強(qiáng)，洞門頂部平臺(tái)在原設(shè)計(jì)方案上加大填料厚度，最好用均勻的碎石料回填，增加落石在此處的彈性，使落石在此得到緩沖。

4)在隧道洞門前設(shè)置柔性棚洞(Ⅰ-4)。

據(jù)模擬計(jì)算:在最不利的情況下，危巖體崩落石塊有可能彈跳到隧道洞門前62．35－50=12．35 m范圍內(nèi)，洞門前方為白母塘大橋橋臺(tái)，在橋臺(tái)兩側(cè)以工字鋼支撐鋼拱網(wǎng)架，網(wǎng)架上下裝兩層布魯克網(wǎng)片，使其形成一柔性棚洞，以防對洞門前橋梁和行車產(chǎn)生危害。柔性棚洞的長度以12．35 m增加50%的安全儲(chǔ)備，即安全系數(shù)取1．5時(shí)，柔性棚洞的長度為18．53 m。

4．2 主動(dòng)+被動(dòng)防護(hù)(方案Ⅱ)

該方案是對隧道西側(cè)已有的人行小道進(jìn)行拓寬修筑后，可到達(dá)隧道頂部的二級緩坡平臺(tái)上，在此設(shè)立工作面，將設(shè)備和材料吊至隧道頂?shù)牡谝患壠脚_(tái)上，再在第一級平臺(tái)上設(shè)立工作面，對隧道上方危巖體進(jìn)行防護(hù)。施工便道修通和兩個(gè)平臺(tái)工作面設(shè)立后，可采取下面方案進(jìn)行防護(hù):

將隧道上方危巖體易崩落部分(W1-1)用布魯克網(wǎng)防護(hù)，隧道下方采用方案Ⅰ中的Ⅰ-1，Ⅰ-2和Ⅰ-3三項(xiàng)被動(dòng)防護(hù)工程措施。此方案的優(yōu)點(diǎn)是:危巖體基本不會(huì)產(chǎn)生大的崩塌，隧道上方自然保護(hù)區(qū)的自然景觀可以得到保護(hù)。缺點(diǎn)是:修路工程量大、造價(jià)高，從第一平臺(tái)工作面向下吊放設(shè)備、材料和工作人員有很大的安全隱患。

5 結(jié)語

虹梯關(guān)隧道進(jìn)口段W1危巖體總體積2．3萬m3，整體穩(wěn)定，

其上方的W1-1約1 500 m3～2 000 m3不穩(wěn)定，在極端條件下可能會(huì)產(chǎn)生局部崩塌，威脅洞門、橋臺(tái)和行車安全。采用上述方案處治后，可有效改善其穩(wěn)定性，確保高速公路的安全運(yùn)營。

[1] 周永昌，張國文．長(治)平(順)高速公路虹梯關(guān)隧道進(jìn)口段危巖體穩(wěn)定性評價(jià)及處治方案[Z］．2010．

[2] 廖興發(fā)．地質(zhì)勘察與地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測評估防治技術(shù)實(shí)用手冊[M］．北京:世圖音像電子出版社，2002．

[3] 陳秀瓊．內(nèi)昆鐵路K249+159右側(cè)巖質(zhì)邊坡崩塌形成機(jī)理及整治措施[D］．成都:西南交通大學(xué)，2007．