功東高速公路典型隧道口邊坡巖石微觀結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究

周平 張明翠 瞿翔 劉敏 何艷娥

摘 要：影響隧道口邊坡開挖施工穩(wěn)定性的因素眾多，其微觀結(jié)構(gòu)是不可忽略的一個(gè)重要因素。本文以功東高速工程典型隧道口邊坡開挖施工為依托，充分考慮到隧道-邊坡協(xié)同作用，在原有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上開展實(shí)驗(yàn)研究，分析了巖體的微觀結(jié)構(gòu)，為下一步施工提供了一定的理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：隧道口邊坡；穩(wěn)定性；巖石；微觀結(jié)構(gòu)

引言

巖石微觀結(jié)構(gòu)對其物理力學(xué)性質(zhì)影響較大，向來都被巖土工作者重視[1-3]。鄧?yán)^新[4]采用掃描電鏡和CT成像技術(shù)分析龍馬溪組頁巖樣品地震彈性性質(zhì)的變化規(guī)律。尹曉萌[5]，采用偏光顯微鏡、掃描電鏡研究武當(dāng)群片巖的微觀組構(gòu)、斷面形貌特征，偏光顯微鏡下顯示，片巖具有礦物定向排列與粒、片狀礦物近互層狀分布的典型特征。本文采用KYKY-EM6200高精度巖石斷裂面掃描電鏡對巖石微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，為下一步施工提供了一定的理論指導(dǎo)。

1 工程項(xiàng)目概況

功東高速公路姑海2#隧道，隧道區(qū)屬構(gòu)造剝蝕中低山地貌單元，山體上覆土層主要為第四系殘坡積（Qel+dl）含礫粉質(zhì)黏土、碎石、角礫及礫砂等，下伏基巖為二疊系上統(tǒng)玄武巖組（P2β）玄武巖。隧址區(qū)總體地勢呈“M”形，進(jìn)口端地形較平緩，坡度角18°～25°，隧道垂直進(jìn)洞，植被較發(fā)育，以農(nóng)作物為主；出口端上部坡角41°～55°，下部因沖溝深切，形成近乎直立的陡坎，隧道垂直出洞，植被發(fā)育，主要為灌木、喬木、雜草。隧址區(qū)的黑水河泥石流和H59、H60、H61 滑坡基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，但洞口開挖后形成臨空面，破壞其穩(wěn)定性，對隧道洞口穩(wěn)定性影響不大。隧道進(jìn)出口附近的第四系堆積層放坡清除。

2 隧道-邊坡相互作用機(jī)理

隧道進(jìn)洞過程中，由于洞身挖空形成臨空面，導(dǎo)致邊坡內(nèi)部原有應(yīng)力場發(fā)生改變，徑向應(yīng)力降低，圍巖向隧道臨空面移動并相互擠壓，進(jìn)而切向應(yīng)力增高，坡內(nèi)應(yīng)力重新分布。圍巖變形會誘發(fā)邊坡坡體產(chǎn)生蠕變，進(jìn)而邊坡將發(fā)生不同形式和不同程度的變形，最終導(dǎo)致邊坡破壞失穩(wěn)。隧道洞口段邊坡破壞根據(jù)其破壞形式可分為：崩塌破壞、塌陷破壞、滑坡破壞、傾倒破壞和坍塌破壞。

在隧道設(shè)計(jì)、施工過程中，不僅要考慮隧道圍巖和支護(hù)體系的變形及穩(wěn)定性，還要重視隧道所在山體的整體穩(wěn)定性，尤其是隧道進(jìn)、出口段。隧道洞口段工程地質(zhì)往往較差并伴有淺埋、偏壓等現(xiàn)象，在隧道進(jìn)洞時(shí)由于巖體被挖，圍巖會向臨空界面擠壓和移動，引起圍巖切向應(yīng)力的提高，從而導(dǎo)致圍巖應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜多變，甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力，造成巖體的局部破壞和松弛。另一方面，圍巖松弛破壞會造成邊坡內(nèi)部整體應(yīng)力場的重新分布以及改變水文地質(zhì)環(huán)境，引起邊坡變形和破壞。因此，隧道洞口段圍巖和邊坡的變形是相互影響和制約的，對于隧道洞口段圍巖和邊坡的穩(wěn)定性應(yīng)綜合研究，分析兩者相互作用的機(jī)理，才能提出合理進(jìn)洞技術(shù)方案，確保施工安全性。

3 實(shí)驗(yàn)開展

圖像的采集數(shù)量決定了是否能獲取到足夠多的微裂隙信息，進(jìn)而形成微裂隙的信息統(tǒng)計(jì)分布。在試驗(yàn)中，每個(gè)面采集最少200張以上圖片。在切片的表面上獲取圖片，從上而下，避免圖像的重復(fù)獲取，將電鏡掃描圖片進(jìn)行分析，巖樣平行節(jié)理方向與垂直節(jié)理方向放大倍數(shù)為500倍和1000倍所得的電鏡掃描圖片如圖1所示。

4 結(jié)果分析

由圖1可知，巖樣結(jié)構(gòu)均一，具有殼狀斷面和放射性細(xì)紋，可見稀疏裂隙，整體結(jié)構(gòu)相對密實(shí)。

綜合來看，巖石微結(jié)構(gòu)是含有大量孔隙的巖石微粒和裂隙系統(tǒng)組成的孔隙一裂隙結(jié)構(gòu)。巖石的孔隙較多，裂隙發(fā)育豐富，孔隙裂隙的存在，降低了巖石的強(qiáng)度，尤其是對邊坡，增強(qiáng)了水的滲透作用，對邊坡整體穩(wěn)定性非常不利。

參考文獻(xiàn)

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[3] 王思長.庫岸公路碎裂巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性研究[D] 長安大學(xué)，2011.

[4] 鄧?yán)^新，王歡，周浩 等. 龍馬溪組頁巖微觀結(jié)構(gòu)、地震巖石物理特征與建模[J]. 地球物理學(xué)報(bào)，2015，58（6）：2123-2136

[5] 尹曉萌，晏鄂川，王魯男 等. 各向異性片巖的微觀組構(gòu)信息定量提取與斷面形貌特征分析[J].巖土力學(xué).2019，40（7）：2617-2627，2729