貴陽地鐵2號線馬王廟站北側(cè)邊坡危巖穩(wěn)定性及失穩(wěn)特征研究

賀建軍 張羽軍

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，610031，成都∥第一作者，工程師)

危巖落石是山區(qū)鐵路、公路及城市軌道交通等工程面臨的不良地質(zhì)問題中較為突出的一類。

當(dāng)下對于危巖落石的研究主要分為3個(gè)方向。一是針對穩(wěn)定性、失穩(wěn)模式、運(yùn)動軌跡、沖擊能量等危巖體本身特征的研究，如：文獻(xiàn)[1-3]針對其進(jìn)行了基于運(yùn)動力學(xué)的研究，文獻(xiàn)[4-7]對危巖的危險(xiǎn)性、沖擊能量、運(yùn)動路徑進(jìn)行了模型試驗(yàn)及理論分析。二是針對危巖體的特征，對危巖體失穩(wěn)概率及造成危害等建立評價(jià)系統(tǒng)，如：加拿大等國的政府性評價(jià)體系[8-10]，文獻(xiàn)[11-12]等對危巖落石區(qū)段預(yù)測及綜合預(yù)測提出了方法，文獻(xiàn)[13]對隧道洞口的危巖落石沖擊風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究。三是針對危巖落石對具體工程的影響進(jìn)行理論計(jì)算及數(shù)值模擬等分析評價(jià)研究，并建議相關(guān)的防護(hù)措施，如：文獻(xiàn)[14-19]針對成貴鐵路所面臨的危巖落石問題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究并提出了相應(yīng)的治理措施。

本文針對貴陽地鐵2號線馬王廟站北側(cè)采石場邊坡(以下稱為“馬王廟邊坡”)遺留的危巖落石問題，在高精度勘察試驗(yàn)資料的基礎(chǔ)上，采用多種方法對馬王廟站邊坡危巖落石進(jìn)行研究計(jì)算并綜合分析評價(jià)對工程的影響，以為類似工程危巖落石的分析、研究、計(jì)算提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

貴陽地鐵2號線馬王廟站北側(cè)40～100 m處為人工采石場，形成了高度近60 m的高邊坡，邊坡自然坡度為32°～55°。坡面處分布大量的落石，邊坡頂部分布危巖，邊坡下方為擬建馬王廟地鐵車站。該工程區(qū)屬中低山溶丘地貌，現(xiàn)狀為一孤丘，多分布低矮灌木。巖性為三疊系中統(tǒng)松子坎組(T2s)泥質(zhì)白云巖夾泥巖地層(地貌見圖1)。

圖1 工程區(qū)地貌示意圖

馬王廟邊坡處的巖層產(chǎn)狀變化較大，其產(chǎn)狀為N25°～49°W/32～40°SW。構(gòu)造裂隙較為發(fā)育，優(yōu)勢裂隙主要發(fā)育以下2組：

L1:長0.3～2.0 m，寬1～5 cm，裂隙面平直，產(chǎn)狀為N41°～75°E/70～80°NW；

L2:長0.5～3.0 m，寬10～30 cm，裂隙面平直，產(chǎn)狀為N65°～75°W/45～90°NE。

1.2 危巖特征及成因分析

馬王廟邊坡高近60 m，頂部近似直立。巖性為泥質(zhì)白云巖夾泥巖，巖體性脆，層面外傾，張開型節(jié)理裂隙發(fā)育，易與層面形成不利結(jié)構(gòu)面組合，切割巖體。加上降雨與人工采石場開挖爆破等因素，故巖體產(chǎn)生大量裂縫、高陡臨空面等，極易發(fā)生危巖崩塌。

危巖近似呈南北向圓弧狀分布，長約120 m，寬18～62 m。危巖體規(guī)模約1.4萬m3。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查及危巖特征，將危巖范圍分為2個(gè)區(qū)(見圖2)。

圖2 馬王廟邊坡危巖落石分布示意圖

危巖Ⅰ區(qū)：分布于高程1 242～1 270 m區(qū)段(編號W5～W13)。該區(qū)危巖體多呈不規(guī)則狀；巖體多呈臨空狀，被多組節(jié)理裂隙切割，易發(fā)生滑移破壞。

危巖Ⅱ區(qū)：分布于高程1 270～1 303 m區(qū)段(編號W1～W4、W14)，邊坡陡直。在層理、節(jié)理及卸荷裂隙的組合下，該區(qū)巖體被切割，易發(fā)生滑移破壞。

2 穩(wěn)定性分析

2.1 穩(wěn)定性初步分析結(jié)果

使用極射赤平投影法對危巖體邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行初步定性分析，如圖3所示。

如圖3 a)所示，危巖Ⅰ區(qū)(高程為1 242～1 270 m，斜坡)：L1與邊坡面走向交角大于40°，為基本穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；L2與邊坡面走向基本相反，屬穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；層面與邊坡面走向相近，當(dāng)坡面傾角大于層面時(shí)，屬不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；L1與L2結(jié)構(gòu)面交點(diǎn)與坡面在同一側(cè)，且位于投影弧內(nèi)側(cè)，屬穩(wěn)定條件；L1與層面、L2與層面組合交點(diǎn)局部可能落于坡面投影弧之間，且前端局部臨空，構(gòu)成不穩(wěn)定條件。

如圖3 b)所示，危巖Ⅱ區(qū)(高程為1 270～1 283 m，陡壁)：L1與邊坡面走向交角大于40°，為基本穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；L2與邊坡面走向基本相反，屬穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；層面與邊坡面走向相近，坡面傾角大于層面時(shí)，屬不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；L1與L2結(jié)構(gòu)面交點(diǎn)與坡面在同一側(cè)，且位于投影弧內(nèi)側(cè)，屬穩(wěn)定條件；L1與層面、L2與層面組合交點(diǎn)位于坡面投影弧之間，構(gòu)成不穩(wěn)定條件。

a)危巖Ⅰ區(qū)

綜上所述，危巖Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)均存在不利于穩(wěn)定的節(jié)理裂隙或節(jié)理裂隙組合。

2.2 穩(wěn)定性定量分析

根據(jù)地表調(diào)查訪問結(jié)果，邊坡及危巖體在目前自然工況下均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。但危巖體的穩(wěn)定性受多種因素制約，其計(jì)算涉及較多參數(shù)和復(fù)雜的邊界條件，為了深刻認(rèn)識區(qū)內(nèi)危巖的穩(wěn)定性，滿足危巖整治的需要，本文采用靜力解析法對典型危巖崩塌體進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。

2.2.1 穩(wěn)定性計(jì)算模型及公式

計(jì)算危巖穩(wěn)定性時(shí)，結(jié)合危巖的失穩(wěn)破壞方式選取合理的計(jì)算模型，本次研究區(qū)危巖屬滑移式危巖破壞，參照《滑坡防治工程勘查規(guī)范》[20]中相關(guān)公式分析計(jì)算，公式如下：

(1)

(2)

Q=ξW

(3)

式中：

F——危巖穩(wěn)定性系數(shù)；

W——危巖體重度，取26.0 kN/m3；

Q——地震力，kN/m；

ξ——地震水平作用系數(shù)，取0.05；

C——后緣裂隙黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值；

φ——后緣裂隙內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)裂隙未貫通，取貫通段和未貫通段內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值按長度加權(quán)和加權(quán)平均值，未貫通段內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值取巖石內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值的0. 95 倍[17]；

θ——結(jié)構(gòu)面傾角(外傾取正，內(nèi)傾取負(fù))；

l——危巖結(jié)構(gòu)面長度；

V——后緣裂隙水壓力；

hw——裂隙充水高度，取裂隙深度的1/2；

γw——水的重度，取10 kN/m3。

2.2.2 計(jì)算工況

由于天然狀態(tài)下危巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)，故選取暴雨?duì)顟B(tài)下工況進(jìn)行計(jì)算，考慮飽和自重及裂隙水壓力的影響。

2.2.3 計(jì)算參數(shù)選取及計(jì)算結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場測繪所得各危巖體及結(jié)構(gòu)面的形狀參數(shù)，以及相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)的選取如表1所示。

表1 穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)表

2.2.4 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

危巖體穩(wěn)定程度劃分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。暴雨工況下的危巖體穩(wěn)定性系數(shù)及穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果如表3所示。由表3可知，W1～W4滑移式危巖體在極端暴雨情況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，具有較大失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

表2 危巖穩(wěn)定程度劃分

表3 暴雨工況下危巖體穩(wěn)定系數(shù)及穩(wěn)定性評價(jià)

3 運(yùn)動特征深度的數(shù)值模擬分析

為了更有針對性地分析馬王廟邊坡危巖落石失穩(wěn)情況及落石失穩(wěn)后的運(yùn)動軌跡特征，本文使用Rockfall軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析。

3.1 模擬原理

Rockfall軟件是在落石運(yùn)動模擬分析中使用較為廣泛的數(shù)值模擬軟件。針對設(shè)定的邊坡參數(shù)、落石參數(shù)，可模擬落石在邊坡上的運(yùn)動軌跡、能量、彈跳高度和最大運(yùn)動距離[21]，還可直觀地展示落石失穩(wěn)后對工程的影響，以作為設(shè)計(jì)防護(hù)的有力參考。

3.2 計(jì)算參數(shù)選取及計(jì)算結(jié)果

選取馬王廟邊坡最具代表性斷面進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)邊坡的實(shí)際情況，將計(jì)算剖面分為6段，并分別賦予與實(shí)際情況相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)。參數(shù)依據(jù)Rockfall軟件建議值及TB 10035—2018《鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[22]選取(見表4)。經(jīng)過100次的數(shù)值模擬計(jì)算后，得到計(jì)算成果圖如圖4及圖5所示。

圖4 落石運(yùn)動軌跡模擬圖

圖5 落石水平運(yùn)動距離分布圖

表4 落石模擬計(jì)算參數(shù)

3.3 結(jié)果分析

從Rockfall數(shù)值模擬結(jié)果(見表5)可以看出：在模擬次數(shù)為100的情況下，馬王廟邊坡落石失穩(wěn)后沿坡面滾動的水平距離具有高度的集中性，其最后主要集中停留在斷面E-F段(坡腳下緩坡段)，距離地鐵車站及附屬結(jié)構(gòu)約15～25 m。

表5 危巖失穩(wěn)模擬計(jì)算結(jié)果

4 落石的影響與防治措施

4.1 落石的影響

馬王廟站主體結(jié)構(gòu)位于危巖區(qū)南東側(cè)(見圖6)，呈北西-南東向展布。臨近危巖區(qū)的主要結(jié)構(gòu)為2號風(fēng)亭新風(fēng)井及排風(fēng)井，屬于車站附屬結(jié)構(gòu)。風(fēng)亭距離危巖區(qū)坡腳約40 m。

圖6 危巖區(qū)與工程位置關(guān)系圖

根據(jù)模擬結(jié)果，落石沿坡面滾落至坡腳后最大剩余平動距離約為20 m。按危巖落石最遠(yuǎn)平動距離，落石雖未能觸及地鐵車站及附屬結(jié)構(gòu)，但僅有約20 m的距離，在極端情況下可能會更接近地鐵設(shè)施，也可能對地鐵產(chǎn)生撞擊、掩埋等破壞影響，具有一定威脅，故應(yīng)采取防護(hù)措施。

4.2 防治措施

鑒于馬王廟邊坡危巖在極端暴雨工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，且失穩(wěn)后危巖落石體對地鐵及附屬結(jié)構(gòu)有一定影響，建議采取以下防治措施：

1)對高程為1 242～1 270 m斜坡表層危石塊進(jìn)行清除；

2)對高程為1 270 m以上體積較大的危巖體進(jìn)行清除處理；

3)在1 242 m平臺，落石運(yùn)動軌跡末端設(shè)置被動攔石網(wǎng)、防撞樁板墻或滾石槽；

4)對尚未貫通且規(guī)模較大的卸荷裂隙、溶蝕裂隙進(jìn)行封閉處理，定期監(jiān)測陡崖的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

本文通過成因分析、赤平投影、靜力分析、數(shù)值模擬等手段對馬王廟邊坡進(jìn)行了較為全面多樣的分析，得出以下結(jié)論：

1)馬王廟邊坡危巖落石形成原因主要為人工開挖、結(jié)構(gòu)面切割及雨水侵蝕等；

2)根據(jù)極射赤平投影法的初步分析結(jié)果，高程為1 242～1 270 m的斜坡及高程為1 270～1 283 m的陡壁均存在不利于穩(wěn)定的節(jié)理裂隙或節(jié)理裂隙組合；

3)根據(jù)靜力計(jì)算結(jié)果，在極端暴雨的工況下，危巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，失穩(wěn)可能性較大；

4)根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，危巖體失穩(wěn)后最大水平運(yùn)動距離可達(dá)76.6 m，離地鐵及附屬結(jié)構(gòu)較近，僅有20 m左右的距離；

5)為保證結(jié)構(gòu)安全，建議對馬王廟邊坡危巖落石體采取清除及設(shè)立攔石網(wǎng)、防撞墻、滾石槽等措施進(jìn)行防護(hù)。