某隧道出口危巖穩(wěn)定性定性分析

楊強國

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都611731)

某隧道出口危巖穩(wěn)定性定性分析

楊強國*

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都611731)

結(jié)合工程實例，介紹了如何利用赤平投影與實體比例投影圖解法進行巖體結(jié)構(gòu)面分析，定性判斷某鐵路線路隧道出口巖體邊坡的穩(wěn)定性。利用赤平投影與實體比例投影圖解法定性分析巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較為簡單、方便，可以預(yù)判工程建設(shè)中可能發(fā)生的崩塌、落石災(zāi)害，起到防災(zāi)、避災(zāi)的作用，以降低工程投資。

危巖；赤平投影；實體比例投影；穩(wěn)定性分析

1 概述

崩塌、落石的發(fā)生往往是突然而急劇發(fā)生的，因此防治工作是一件異常復(fù)雜的工作。巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性計算或分析，至今尚無系統(tǒng)的和成熟的理論或計算方法。處于探討和有待深化的階段。巖體被裂隙切割為形狀各異大小不等的巖塊。巖體是一個綜合概念，它包含結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面2個方面因素。所謂巖體結(jié)構(gòu)分析，就是分析結(jié)構(gòu)面的組合規(guī)律，以及它與邊坡角的關(guān)系。無論是邊坡巖體的破壞，還是洞室?guī)r體的崩塌，絕大多數(shù)是沿著巖體中的結(jié)構(gòu)面發(fā)生的。從巖體力學(xué)的觀點來看，巖體受外力作用的破壞過程，主要是結(jié)構(gòu)面的剪切滑移、拉開，以及整體的累積變形和破壞。所以分析邊坡巖體中結(jié)構(gòu)面的傾向或幾組結(jié)構(gòu)面的組合交線的傾向及傾角與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系是非常重要的。當前，利用赤平極射投影及實體比例投影相結(jié)合的作圖方法，是一種簡捷的好方法，特別是在缺乏力學(xué)數(shù)據(jù)的情況下，先根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)進行初步判斷是非常必要的。

2 工程概況

它西嘎一號隧道位于內(nèi)(江)六(盤水)線K482+ 300～400，出口與它西嘎二號大橋無路基連接，線路由北向南走向。隧道出口位于近東西走向(207°∠75°)的陡崖中部(圖1)。陡崖近東西走向，山體坡面陡峻，基巖裸露，局部長有低矮灌木、雜草，長約300m，高45～50m，坡度60°～80°，局部近于直立，崖頂垂直線路方向坡度約20°，由西向東平緩下降。區(qū)內(nèi)地層為二疊系下統(tǒng)棲霞茅口組(P1q+m)灰?guī)r、頁巖夾煤層構(gòu)成。陡崖為灰?guī)r，陡崖下緩坡由軟弱的頁巖夾煤層組成。

圖1 危巖現(xiàn)場全貌(鏡頭朝向北偏西)

據(jù)六盤水工務(wù)段現(xiàn)場監(jiān)測資料，2010年8月17日裂縫最大寬度1205mm，8月18日裂縫寬度發(fā)展至1283mm，8月19日已至1342mm，至9月10日達2040mm。如裂縫繼續(xù)發(fā)展，陡崖將有發(fā)生崩塌災(zāi)害的可能，對它西嘎二號大橋和內(nèi)六線鐵路行車構(gòu)成極大的安全隱患，必須采取工程措施進行加固。

3 工程地質(zhì)條件

陡崖所在灰?guī)r呈中厚層—巨厚層狀構(gòu)造，單層厚50～200cm，陡崖灰?guī)r總厚約50m，巖層產(chǎn)狀為355°～10°∠50°～58°，巖層傾向山體內(nèi)側(cè)，對陡崖穩(wěn)定有利，但層間結(jié)合較差，層面較平直，淺部張開度3～5mm，多為巖屑充填?；?guī)r重度約23kN/m3，結(jié)構(gòu)面粘聚力50kPa，內(nèi)摩擦角約22°。

除巖層結(jié)構(gòu)面以外，陡崖灰?guī)r主要發(fā)育有2組結(jié)構(gòu)面：

J1：105°～110°∠70°～76°，延展長100～400cm，形態(tài)平直，有少許呈鋸齒狀，間距50～100cm，較發(fā)育，連通性好，張開度大于5mm，局部最大可達1.5m，有少量巖屑和泥質(zhì)充填。本組結(jié)構(gòu)面垂直于邊坡走向，與巖層結(jié)構(gòu)面交角近垂直，是形成崩塌落石的控制性結(jié)構(gòu)面之一。

J2：260°～265°∠80°～89°，延展長100～300cm，形態(tài)平直，有少許呈鋸齒狀，間距50～100cm，較發(fā)育，連通性好，張開度大于5mm，局部最大可達1.5m，有少量巖屑和泥質(zhì)充填。本組節(jié)理垂直于邊坡走向，層理交角近垂直并切割巖層結(jié)構(gòu)面，是形成崩塌落石的結(jié)構(gòu)面之一。

4 崩塌穩(wěn)定性評價

4.1 結(jié)構(gòu)面分析

根據(jù)野外實際測量的巖體結(jié)構(gòu)面，巖層產(chǎn)出結(jié)構(gòu)面20°∠55°，該組結(jié)構(gòu)面形態(tài)平直，發(fā)育較好，結(jié)合度差，連續(xù)貫通性好，間距0.5～2.0m，張開3～5mm，少量巖屑填充；第一組節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面J1：108°∠75°，該組結(jié)構(gòu)面形態(tài)呈平直—鋸齒狀，發(fā)育較好，結(jié)合度差，連續(xù)貫通性好，間距0.5～1.0m，張開度大于5mm，少量巖屑和泥質(zhì)填充；第二組節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面J2：260°∠85°，該組結(jié)構(gòu)面形態(tài)呈平直—鋸齒狀，發(fā)育較好，結(jié)合度差，連續(xù)貫通性好，間距0.5～1.0m，張開度大于5mm，少量巖屑和泥質(zhì)填充；坡面傾向207°，坡角75°。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)構(gòu)面做赤平投影，如圖2所示。根據(jù)赤平投影做實體比例投影面，如圖3所示。

圖2 隧道出口邊坡巖體結(jié)構(gòu)面赤平投影

圖3 隧道出口邊坡巖體結(jié)構(gòu)面實體比例投影

根據(jù)赤平投影可知：J1、J2與巖層結(jié)構(gòu)面中3個組合的交線(OA、OB、OC)，其中OB、OC交線在邊坡對側(cè)的半圓投影上，與斜坡面的傾向相反，對邊坡穩(wěn)定性無影響或影響較小。組合交線OA與邊坡傾向一致，并且傾角小于邊坡坡腳，因此判定為不利結(jié)構(gòu)面組合。OMAN為J1、J2切割巖體所形成的潛在不穩(wěn)定楔體，交線OA傾向S8°E，傾角53°。

根據(jù)實體比例投影可知：由J1、J2與坡面形成的穩(wěn)定邊坡臨界角為β，可作為評價邊坡坡角大小的依據(jù)。

4.2 邊坡穩(wěn)定性評價

潛在崩塌體形成后，并不意味著馬上就要發(fā)生急劇的崩塌現(xiàn)象，一般要經(jīng)過較長時間的蠕動位移階段。它西嘎隧道出口崩塌在線路建設(shè)初期是并不存在的，是在長期地質(zhì)構(gòu)造作用、斜坡重力作用、風(fēng)化作用等應(yīng)力及列車震動的作用下，后期工程建設(shè)改變地貌的過程中形成的。它西嘎隧道出口邊坡剖面可簡化為如圖4所示的結(jié)構(gòu)簡圖。圖4中所示的潛在崩塌體ABCD，由于J1、J2與坡面形成的軟弱結(jié)構(gòu)面(CD)初期的抗剪力大于下滑力，潛在崩塌體不會向下滑動而造成崩塌，因而表現(xiàn)為穩(wěn)定邊坡。但是，在邊坡重力、風(fēng)化作用等營力作用下，高陡灰?guī)r質(zhì)邊坡逐漸形成A、B卸荷裂隙，當AD結(jié)構(gòu)面中充水后，在冬季凍結(jié)，或在AD結(jié)構(gòu)面中有樹木生長，在冰劈作用或在樹木的根劈作用下，則可能使巖體向下緩慢的位移，使AD裂面變寬。在多次緩慢的位移中，CD面遭受到摩擦，強度會降低，并由于位移，使裂隙加大，更有利于水的流通，在雨水及地下水的長期作用下，CD結(jié)構(gòu)面逐漸會發(fā)生泥化作用或被粘土質(zhì)風(fēng)化物充填，將使其抗剪強度大大降低。當該面的抗剪力小于下滑力時，潛在崩塌體就會向下滑動，繼而產(chǎn)生突然的崩塌。

通過野外結(jié)構(gòu)面測量，經(jīng)室內(nèi)統(tǒng)計、赤平投影及實體比例投影結(jié)果顯示，它西嘎隧道出口邊坡穩(wěn)定性主要由J1、J2結(jié)構(gòu)面控制，從赤平投影分析，交線的傾向與坡面的傾向基本一致，但其傾角小于坡角，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)面投影弧交線與坡面弧在同一側(cè)，但位于坡面弧的外側(cè)，這種情況下是不穩(wěn)定的。從結(jié)構(gòu)面實體比例投影分析，邊坡坡度大于J1、J2結(jié)構(gòu)面組成的軟弱結(jié)構(gòu)面，未達到邊坡穩(wěn)定臨界坡度以上，從而導(dǎo)致了它西嘎隧道出口邊坡崩塌的發(fā)生。

圖4 隧道出口危巖邊坡地質(zhì)剖面簡圖

5 結(jié)論

山坡或邊坡上的潛在崩塌體不是原來就有的，它是在長期地質(zhì)構(gòu)造作用、斜坡重力作用、風(fēng)化作用等應(yīng)力的作用下，在地貌不斷演變過程中形成的。從它西嘎隧道出口邊坡崩塌穩(wěn)定性分析實例我們可以看出，在隧道修建初期，巖層結(jié)構(gòu)面對隧道出口邊坡穩(wěn)定性是有利的，但J1、J2結(jié)構(gòu)面所組成的軟弱面未引起足夠重視，邊坡坡角大于臨界穩(wěn)定坡角，從而導(dǎo)致了崩塌的蠕變、產(chǎn)生，最終影響鐵路的正常運營。

當前，利用赤平極射投影及實體比例投影相結(jié)合的作圖方法，是一種簡捷的好方法，特別是在缺乏力學(xué)數(shù)據(jù)的情況下，先根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)進行初步判斷是非常必要的。根據(jù)這種初判，可以避免或降低崩塌發(fā)生的幾率，降低工程建設(shè)的投資。

[1]胡厚田.崩塌與落石[M].成都：中國鐵道出版社，1989.

[2] 曾廉.崩塌與防治[M].成都：西南交大出版社，1990.

U451.2

A

1004-5716(2015)10-0173-03

2015-03-31

2015-03-31

楊強國（1983-），男（漢族），四川廣安人，工程師，現(xiàn)從事巖土工程勘察、地質(zhì)災(zāi)害防治與研究工作。