鐵路隧道明洞高陡邊坡加固防護與監(jiān)測方案研究

袁叢軍

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

1 概述

在山區(qū)，受線路曲線半徑的限制，不可避免的會出現(xiàn)鐵路隧道穿越高陡巖質(zhì)自然邊坡或人工邊坡的情況。從安全角度考慮，鐵路隧道多遵循“早進晚出”的原則，通常會采用加長明洞的形式從高陡邊坡下通過。其上部高陡邊坡的穩(wěn)定性與加固監(jiān)測措施的可靠性，在很大程度上決定了明洞與線路長期運營的安全性，同時邊坡落石的軌跡影響明洞接長的長度;落石沖擊力的大小決定明洞回填層的厚度與明洞結(jié)構(gòu)的強度;如何對這些問題進行正確的分析與評價是當前鐵路工程設(shè)計中值得深入探討與思考的課題。

高邊坡穩(wěn)定性分析的方法有多種，力學驗算法與工程地質(zhì)法應用較多，從實際工程情況來看，明洞上部的高陡邊坡多為巖質(zhì)邊坡，如宜萬鐵路、南昆鐵路、廣深港鐵路等此類邊坡，基本為灰?guī)r、石英砂巖或硅質(zhì)巖等硬質(zhì)巖形成的邊坡陡坎，部分甚至高達100多m，且受多組節(jié)理面切割形成危巖落石崩落后堆積于邊坡坡腳。因此，巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性在很大程度上受其主要不利結(jié)構(gòu)面的控制，不太適宜采用均一介質(zhì)體的圓弧法與直線滑動法計算。從工程設(shè)計實例來看，可采用回彈值法或類比法分析邊坡整體穩(wěn)定性，采用不利結(jié)構(gòu)面組合的楔體穩(wěn)定性法分析邊坡局部穩(wěn)定性，更接近于實際情況。

對于落石路徑的分析一般根據(jù)可能滑動楔體的體積大小，采用現(xiàn)場滾石試驗與室內(nèi)RocFall計算軟件進行落石路徑的模擬計算，繪制出落石軌跡圖。落石對下部明洞結(jié)構(gòu)的沖擊力計算多根據(jù)下落楔體的體積、落距及明洞上部回填土的厚度與材料特征進行計算。計算方法有隧道手冊法、日本道路公團法、楊其新法等，從實際結(jié)果分析，采用隧道手冊法更接近實際情況，能為鐵路隧道明洞結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供較為合理的依據(jù)。

對于邊坡的加固防護措施目前都有較為成熟的方法，高邊坡的穩(wěn)定性受控制性的張性不利結(jié)構(gòu)面控制時多采用預應力錨索控制邊坡整體的穩(wěn)定性，采用掛網(wǎng)噴混及主被動網(wǎng)加強局部楔體的穩(wěn)定性。從宜萬鐵路葉溪河高邊坡、武黃城際鐵路談山隧道進口高邊坡、廣深港客運專線赤崗采石場高邊坡等工程實例來看，均取得了較為理想的效果。

此類高邊坡邊坡變形主要是滑動位移，以前采用傳統(tǒng)的觀測樁方法，監(jiān)測精度較低，費時費力，且因邊坡高陡線路運營后人工測量的準確性與安全性難以保證，所以傳統(tǒng)的監(jiān)測方法已不適應于明洞高陡邊坡的長期監(jiān)測。目前的監(jiān)測方案宜采用錨索計監(jiān)測錨索預應力的變化與損失情況;采用位移計測量邊坡表層與深層的滑動;采用固定式測斜儀測量邊坡水平位移;由于運營后需要長期穩(wěn)定的邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)，所以傳感器數(shù)據(jù)采用自動化系統(tǒng)采集，實現(xiàn)遠程無線、自動、實時的邊坡監(jiān)測預警。

2 工程實例

武黃城際鐵路談山隧道穿越湖北省黃石市談家山脈，全長715m，最大埋深110m，隧道進口明洞段DK85+700～DK85+747位于人工開挖的采石場陡峭山壁下，邊坡經(jīng)長期采石開挖后高達110m左右。邊坡高程95m以上的部分為沿主節(jié)理面形成的高約20～30m反坡陡坎;高程95m以下部分呈不規(guī)則的起伏坡面(如圖1所示)。

圖1 談山隧道進口明洞段高邊坡縱斷面

2.1 邊坡巖體結(jié)構(gòu)與水文地質(zhì)條件

邊坡基巖為三疊系T1弱風化灰?guī)r，灰褐色，巖質(zhì)堅硬，中厚層狀。從區(qū)域地質(zhì)資料分析:高邊坡無大型構(gòu)造通過但受小型構(gòu)造的影響，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較為破碎。地下水不發(fā)育，僅少量基巖裂隙水沿張性節(jié)理裂隙面滲出(如表1所示)。

表1 實測巖體結(jié)構(gòu)面特征分析

2.2 邊坡整體穩(wěn)定性分析與評價

(1)邊坡穩(wěn)定坡角分析

從野外回彈儀現(xiàn)場實際測量值分析(如表2、表3所示)，其巖體強度相對較高，不存在明顯的軟弱夾層問題，將所測的11個回彈值剔除最大值和最小值后取平均值，再根據(jù)風化程度進行修正。有

式中 Rf——巖體風化層的回彈值;

fR——風化折減系數(shù)。

表2 實測巖體回彈值

表3 邊坡穩(wěn)定坡角分析

(2)楔體穩(wěn)定性分析

根據(jù)實測的結(jié)構(gòu)面，進行了結(jié)構(gòu)面赤平投影與巖體結(jié)構(gòu)面分布分析。

主節(jié)理面(編號A)走向近平行于岸坡方向，規(guī)模與間距均較大，延伸長度數(shù)十米，沿線路縱向間距2.5～4.0m，貫通性較好，形成傾向于大里程的陡傾反坡面，為影響邊坡穩(wěn)定的不利結(jié)構(gòu)面。節(jié)理面(編號D)為一組密集的張性節(jié)理面，傾向于線路小里程方向，與密閉節(jié)理面C共同切割坡面巖體，在坡面形成有一定張開裂隙的小型楔體。通過楔體穩(wěn)定性計算，節(jié)理面控制的巖體邊坡的破壞模式主要為小型的楔體破壞模式，部分楔體穩(wěn)定安全系數(shù)小于1.1，但因其規(guī)模不大，可能下落的巖體一般直徑0.3～1.5m。

2.3 計算落石路徑確定明洞加長的長度

選擇明洞進口右邊墻、左邊墻縱斷面圖為典型斷面，進行落石路徑計算，采用RocFall落石仿真模擬計算軟件進行落石路徑計算，與現(xiàn)場的落石試驗結(jié)果進行對比。坡面參數(shù)按照普通基巖出露面考慮法向恢復系數(shù)Rn取0.35、切向恢復系數(shù)Rt取為0.85，這兩個參數(shù)均考慮0.04的標準差;摩擦角取為30°，標準差取 2°。

計算獲取了落石的范圍如下:右邊墻剖面大部分落石落于距離坡角5～27m的范圍內(nèi)，少量落石會落于距坡腳38～40m處;左邊墻剖面大部分落石落于距離坡腳7～22m。與現(xiàn)場落石試驗結(jié)果對比，其計算的落石范圍略偏大，計算結(jié)果偏于安全，當確定明洞需要延長的長度時，建議按最大落距加安全緩沖距離(5～8m)綜合考慮。

2.4 計算落石沖擊力作為明洞結(jié)構(gòu)設(shè)計強度與回填土厚度的依據(jù)

落石的沖擊力由下式計算

式中:v0—落石沖擊速度/(m/s);t—沖擊持續(xù)時間/s;h—緩沖層計算厚度/m;c—壓縮波在緩沖土層中往復速度/(m/s);ν—回填土泊松比;E—回填土彈性模量/kPa;ρ—回填土密度/(kg/m3)。

假設(shè)條件根據(jù)回填土類型，取回填土泊松比ν為0.21，彈性模量E取4000 kPa，回填土密度ρ取21 t/m3則

2.5 邊坡加固防護設(shè)計方案

根據(jù)分析與計算，隧道明洞高陡巖質(zhì)邊坡通常受構(gòu)造影響，巖體不利結(jié)構(gòu)面發(fā)育，坡面小型楔體分布，在外力作用下長期穩(wěn)定性較差，可能沿臨空面形成危巖落石甚至崩塌等災害，工程設(shè)計中宜采取延長明洞，增加明洞回填厚度，設(shè)置邊坡預應力錨索、防護網(wǎng)及自動化監(jiān)測系統(tǒng)等綜合措施進行加固防護與變形監(jiān)測，以確保施工及運營的長期安全.

根據(jù)落石軌跡線路左側(cè)29.5m，右側(cè)30m寬范圍內(nèi)坡面按穩(wěn)定坡角刷坡:在高程100m處設(shè)2m寬緩沖平臺，下部邊坡坡率1：0.3;上部邊坡坡率1：0.5。

因明洞結(jié)構(gòu)本身承受落石沖擊力有限，為防止邊坡沿主要結(jié)反傾不利結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生大的崩塌失穩(wěn)，根據(jù)主不利結(jié)構(gòu)面的走向、寬度與間距，對邊坡采用預應力錨索加固，錨索索豎向間距4～6m，橫向間距3m，矩形布置。錨索孔徑110 mm，錨索設(shè)計長15～21m，錨固段長度10～15m，單孔錨固力450～600 kN，傾角15°。

為防止坡面小型楔體下落，明洞回填高程以上坡面采用主動攔石網(wǎng)防護，邊坡頂部外7.5m處設(shè)被動攔石網(wǎng)。為防止地表水沿張開的不利結(jié)構(gòu)面下滲，坡頂外設(shè)天溝，天溝與邊坡頂之間C25混凝土封閉。

2.6 坡面變形監(jiān)測方案

為保證施工與運營的長期安全，整個明洞上部高邊坡坡面建立變形監(jiān)測系統(tǒng)，邊坡沿線路橫向設(shè)置9個監(jiān)測斷面，每個斷面分別于緩沖平臺、及塹頂外2.0m各設(shè)置一個觀測樁，用于監(jiān)測邊坡平臺及邊坡頂部的變形位移情況。監(jiān)測斷面在代表性位置安裝錨索計，埋設(shè)在預應力錨索的錨頭處，用于監(jiān)測錨索預應力的變化，據(jù)鋼絞線的數(shù)量采用多弦智能型，據(jù)錨固力選擇量程在400～600 kN，靈敏度0.1 kN。為準確監(jiān)測邊坡平臺的橫向剖面沉降變化，在監(jiān)測斷面邊坡平臺處埋設(shè)靜力水準儀。為測量邊坡的深層滑動，沿邊坡表面布置3個位移計，埋設(shè)深度大于錨索長度，各傳感器數(shù)據(jù)均接入自動化采集系統(tǒng)。

3 結(jié)論

(1)從環(huán)境保護與工程安全角度綜合考慮，鐵路隧道明洞高陡巖質(zhì)邊坡刷坡時不宜過緩，邊坡平臺分級不宜過多，以避免從坡腳或平臺分級處出現(xiàn)應力集中破壞。一般刷坡坡率在1：0.25～1：0.5，平臺分級不宜多于3級，一般1～2級即可。緩沖平臺分級宜選擇自然邊坡坡率變化或邊坡植被發(fā)育的相對穩(wěn)定位置。

(2)邊坡穩(wěn)定性與落石軌跡沖擊力是邊坡設(shè)計中至關(guān)重要的一環(huán)，在一定程度上決定隧道明洞接長的長度與明洞結(jié)構(gòu)設(shè)計的強度，在勘察期間真實準確的現(xiàn)場回彈值測試與現(xiàn)場落石試驗是有必要的。

(3)明洞上部回填緩沖土層厚度應當綜合安全、技術(shù)及附近可用的土石材料的經(jīng)濟性綜合考慮，由于落石沖擊力的衰減與擴散效應，回填土緩沖層厚度并非越厚越好，對于一般落距在50～100m，楔體規(guī)模在1.5m3以內(nèi)時，明洞上部采用碎石類土回填層時的厚度不宜大于4m，可按照2～4m控制，以避免過厚的回填土層增加明洞結(jié)構(gòu)的荷載與變形。

(4)施工時爆破工藝的控制對刷坡后邊坡的局部穩(wěn)定性有直接的影響，應當根據(jù)坡面結(jié)構(gòu)面形態(tài)、走向與間距，合理確定控制爆破鉆孔的深度與裝藥量，以確保坡面的平順與完整性，減少因人工爆破產(chǎn)生新的不穩(wěn)定楔體。

(5)可靠完善的坡面及防排水系統(tǒng)是邊坡長期穩(wěn)定性的重要保證，考慮到此類邊坡巖體通常發(fā)育2～3組張性節(jié)理面，除了在坡項設(shè)截水溝外，還應對坡頂與坡面采用混凝土封閉，并在坡面設(shè)置一定數(shù)量的泄水孔，縱橫向間距可按15～20m考慮。

［1］TB10012—2007 J124—2007 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］

［2］TB10025—2001 鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］

［3］TB10003—2005 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范［S］

［4］GB50330—2002 建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范［S］