某隧道進(jìn)口邊坡治理效果評(píng)價(jià)

郭代泉 李亨

摘要：某鐵路隧道進(jìn)口邊坡因連日降雨發(fā)生滑塌，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)邊坡地質(zhì)條件較差，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。文章基于赤平投影分析方法，計(jì)算表明邊坡在自然狀態(tài)下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況一致。為治理邊坡，采用了預(yù)應(yīng)力錨索（桿）框架的加固措施，并基于FLAC3D有限元數(shù)值模擬軟件的計(jì)算結(jié)果，定性評(píng)價(jià)了邊坡治理的效果。結(jié)果表明：治理后的邊坡剪應(yīng)力下降67.9 %，水平位移下降89.4 %，穩(wěn)定性系數(shù)從0.7提高至1.8，治理后的邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，預(yù)應(yīng)力錨索（桿）框架起到了很好的治理效果。

[作者簡(jiǎn)介]郭代泉（1989—），男，本科，工程師，主要從事巖土工程施工管理工作。

因連日降雨，導(dǎo)致某隧道進(jìn)口邊坡出現(xiàn)滑塌，滑塌體主要物質(zhì)為碎石類土，黏土含量較大，滑塌體長(zhǎng)30 m，寬約20 m，厚2～5 m。補(bǔ)充調(diào)查發(fā)現(xiàn)除既有滑塌體外，還形成一前緣寬約95 m，后緣寬約155 m，高約50 m，厚約10 m的突出巖體，其兩側(cè)因受雨水侵襲、物理風(fēng)化作用等影響，均出現(xiàn)不同程度的新鮮剝落面。邊坡在基巖裂隙水浸潤(rùn)、物理化學(xué)風(fēng)化作用、巖體自重等的影響下，有向下發(fā)展的趨勢(shì)，致使該突出巖體在外力作用下存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)施工、運(yùn)營(yíng)存在安全隱患。鑒于此，需要對(duì)隧道進(jìn)口范圍內(nèi)的邊坡采取加固措施。隧道進(jìn)口坡面陡峭，需按一定角度沿基巖面清除隧道洞口上方的危巖，清除隧道洞口下方一定范圍內(nèi)的坡面堆積體，對(duì)清除后的坡面設(shè)置錨索（桿）框架梁進(jìn)行防護(hù)。通過(guò)數(shù)值模擬軟件計(jì)算邊坡治理前后應(yīng)力位移的變化以及穩(wěn)定性[1]，定量評(píng)價(jià)邊坡治理的效果[5-8]，經(jīng)施工、運(yùn)營(yíng)驗(yàn)證，技術(shù)參數(shù)安全可靠。

1 地質(zhì)概況

1.1 工程地質(zhì)條件

隧道進(jìn)口邊坡位于安康市早陽(yáng)鄉(xiāng)神灘河右岸，屬秦嶺南麓低山區(qū)，自然坡度40～60°，屬“V”型侵蝕谷，西北走向，局部山體直立，坡面高陡，相對(duì)高差約190 m，邊坡全景見(jiàn)圖1。邊坡卸荷節(jié)理、裂隙發(fā)育，山頂平坦處大多辟為耕地，植被茂密。地層巖性主要為第四系坡積碎石類土、志留系下統(tǒng)片巖、石英巖及碎裂巖。地下水主要為基巖裂隙水，分布具有不均一性，主要賦存于片巖斷層帶、片巖及石英巖接觸帶、片巖裂隙中，區(qū)內(nèi)降雨量較多，地下水接受大氣降水的季節(jié)性補(bǔ)給，補(bǔ)給條件較好。

1.2 隧道進(jìn)口邊坡地質(zhì)特征

邊坡坡底高程238～320 m段地表為第四系坡積碎石類土，其余地段基巖裸露，為志留系石英巖。經(jīng)綜合分析，將該段斜坡按高程分成3個(gè)區(qū)域進(jìn)行評(píng)價(jià)，分別為Ⅰ區(qū)：坡底238～320 m基巖陡坎底面;Ⅱ區(qū)：320 m基巖陡坎底面～360 m基巖陡坎頂面;Ⅲ區(qū)：360 m基巖陡坎頂面～坡頂，邊坡地質(zhì)縱斷面見(jiàn)圖2。

I區(qū)主要為第四系坡積粗（細(xì)）角礫土、碎石土，黏土含量較高，透水性好，雨水、地表水極易下滲;下伏基巖為石英片巖，順坡向片理、節(jié)理發(fā)育，目前處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。II區(qū)為隧道洞頂上部基巖陡坎，巖性為石英巖，巖層產(chǎn)狀N54°W/69°N，主要發(fā)育3組節(jié)理，形成了寬約95 m，高約50 m，厚約10 m的突出巖體，在雨水浸潤(rùn)、物理化學(xué)風(fēng)化作用、巖體自重、施工爆破、人為擾動(dòng)等的影響下，穩(wěn)定性較差。III區(qū)坡面危巖、落石發(fā)育，尤其是在風(fēng)化剝蝕、順坡向節(jié)理影響下，巖體切割成塊狀，易與母巖脫離滾落（圖2）。

2 赤平投影分析

巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性主要受巖體中的結(jié)構(gòu)面控制，各組結(jié)構(gòu)面將臨空的邊坡巖體切割成滑塌體，在重力的作用下，這些滑塌體會(huì)順著結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移失穩(wěn)破壞。所以通過(guò)研究結(jié)構(gòu)面在三維空間中的組合關(guān)系、位置、結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)等，可以評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性和研究其破壞形式[3]。

2.1 結(jié)構(gòu)面參數(shù)

隧道進(jìn)口邊坡主要巖性為石英巖，內(nèi)摩擦角35°，坡向53°，坡度55°，巖層產(chǎn)狀36°∠69°，發(fā)育兩組結(jié)構(gòu)面，J1：28°∠80°，J2：186°∠68°，隧道洞頂上方陡坎結(jié)構(gòu)面見(jiàn)圖3。

2.2 穩(wěn)定性計(jì)算

邊坡穩(wěn)定性分析如圖4所示，邊坡滑塌體穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算見(jiàn)表1。層面和兩組節(jié)理面相互切割，坡面穿過(guò)單滑面1、2、3，雙滑面12、13、23的滑塌形式是在邊坡臨空面出露的滑塌體。從穩(wěn)定性系數(shù)分析得知，雙滑面12、13、23的穩(wěn)定性系數(shù)K值均小于1，自然狀態(tài)下不穩(wěn)定，有產(chǎn)生滑動(dòng)的可能，需要采取相應(yīng)的工程措施。

3 邊坡治理方案

3.1 預(yù)應(yīng)力錨索框架

預(yù)應(yīng)力錨索框架是一種廣泛應(yīng)用于加固邊坡、整治鐵路和公路滑坡的新型支擋結(jié)構(gòu)。它將框架、錨索和巖土體結(jié)合成一個(gè)整體，充分利用了巖土體的強(qiáng)度，形成支擋結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)輕便，成本低，且與其他的支擋結(jié)構(gòu)易于組合使用，對(duì)地形和變形部位的要求很低，設(shè)置位置靈活，能有效改變邊坡受力狀態(tài)，相比其它支擋結(jié)構(gòu)而言，邊坡的開(kāi)挖量較小，開(kāi)挖高度較低，有效減小了對(duì)自然的破壞。

3.2 錨索設(shè)計(jì)

采用預(yù)應(yīng)力錨索治理邊坡時(shí)，錨索提供的作用力主要有沿滑動(dòng)面產(chǎn)生的抗滑力，在滑動(dòng)面產(chǎn)生的法向阻力。對(duì)巖質(zhì)邊坡，設(shè)計(jì)錨固力Pt：

式中：γQ為荷載分項(xiàng)系數(shù)，可取1.30; sx和sy分別為錨索水平間距和垂直間距，設(shè)計(jì)錨索sx取3 m，sy取4 m;β為滑動(dòng)面與水平面的夾角，為50°;ehk為側(cè)向巖土壓力水平分力標(biāo)準(zhǔn)值。

式中：Eh為危巖體的水平推力，根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果取1.15 MPa;H為危巖體的上端到下端的垂直距離，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果H取45.44 m。

經(jīng)計(jì)算，ehk=28.035 kPa，Pt=0.68 kN。

根據(jù)每孔錨索計(jì)算得到的設(shè)計(jì)錨固力Pt，計(jì)算整治每延米邊坡所需錨索鋼絞線的根數(shù)n：

式中：Pu為極限張拉荷載，取280 kN;安全系數(shù)FS1取2。經(jīng)計(jì)算，n=4.86根，為了安全起見(jiàn)，錨索鋼絞線取5根。

設(shè)計(jì)采用錨索鉆孔直徑dh=0.15 m，單根鋼絞線直徑d=0.0 152 m;注漿材料采用M40水泥砂漿，錨索張拉鋼材與水泥砂漿的極限粘結(jié)力τu=2 400 kPa;錨孔壁對(duì)砂漿的極限剪切應(yīng)力τ=550 kPa。取永久性錨固體設(shè)計(jì)安全系數(shù)FS2=3。

（1）按水泥砂漿與錨索張拉鋼材粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算錨固段長(zhǎng)度：

（2）按錨固體與孔壁的抗剪強(qiáng)度確定錨固段長(zhǎng)度：

錨索的錨固體長(zhǎng)度采用兩者中最大值7.72 m，為安全起見(jiàn)，取8 m。錨索總長(zhǎng)度=錨固段長(zhǎng)度+自由段長(zhǎng)度+張拉段長(zhǎng)度，自由段長(zhǎng)度根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行取值。

治理方案局部布置圖見(jiàn)圖5。

4 邊坡治理效果的有限元評(píng)價(jià)

4.1 計(jì)算工況選取

通過(guò)FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件[5]分別模擬自然狀態(tài)下隧道進(jìn)口邊坡在治理前和治理后的穩(wěn)定性。

4.2 計(jì)算模型選取

采用XDK231+778.74-XDK231+960.26里程范圍內(nèi)邊坡斷面作為計(jì)算模型，最高點(diǎn)的高程為412.86 m，隧道進(jìn)口洞頂處高程為300.33 m。

4.3 計(jì)算參數(shù)選取

該邊坡為單一的均勻連續(xù)的巖質(zhì)邊坡，主要巖性為志留系石英巖，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

4.4 計(jì)算結(jié)果

治理前后邊坡數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖6、圖7所示。

（1）邊坡治理前后剪應(yīng)力對(duì)比圖見(jiàn)圖6。

應(yīng)力分析：在天然狀態(tài)下，巖土體由于只受自身重力的影響，故應(yīng)力分布滿足自重應(yīng)力下的分布特征，即豎向應(yīng)力隨著邊坡埋深的增加而增大越接近坡面水平應(yīng)力越小，故邊坡在治理前后水平應(yīng)力與豎向應(yīng)力變化比較小。由圖6可以看出，治理前，邊坡隧道進(jìn)口上方剪應(yīng)力為14 kPa，治理后該位置處剪應(yīng)力有所降低，降低至4.5 kPa，降低67.9 %。

（2）邊坡治理前后水平位移對(duì)比見(jiàn)圖7。

位移分析：圖7表明治理前后，邊坡最大水平位移出現(xiàn)在隧道進(jìn)口上方60.64 m處（高程360.97 m）。治理前最大水平位移為0.18 m，治理后最大水平位移為0.019 m，降低89.4 %。

穩(wěn)定性計(jì)算表明，治理前邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.7，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài);治理后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.8，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

綜合應(yīng)力、位移以及穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)果，預(yù)應(yīng)力錨索（桿）框架治理方案對(duì)邊坡的加固起到了很大的作用，治理效果明顯。經(jīng)施工、運(yùn)營(yíng)驗(yàn)證，技術(shù)參數(shù)安全可靠。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隧道進(jìn)口邊坡順坡向節(jié)理發(fā)育，邊坡表面存在1～4 m厚的風(fēng)化層，陡坎節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石破碎，應(yīng)力重分布嚴(yán)重，邊坡穩(wěn)定性較差。

（2）赤平投影結(jié)果表明，隧道進(jìn)口邊坡中部臨空面在治理前穩(wěn)定性系數(shù)小于1，故邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能，需要采取相應(yīng)的工程措施。

（3）采用預(yù)應(yīng)力錨索治理邊坡時(shí)，經(jīng)計(jì)算，為安全起見(jiàn)錨索的錨固體長(zhǎng)度取8 m，自由段長(zhǎng)度根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行取值。

（4）對(duì)治理前后的邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，邊坡隧道進(jìn)口上方治理前剪應(yīng)力為14 kPa，治理后該位置處剪應(yīng)力有所降低，降低至4.5 kPa，降低67.9 %，;治理前該位置最大水平位移為0.18 m，治理后為0.019 m，降低89.4 %。邊坡穩(wěn)定性系數(shù)從0.7提高到1.8，預(yù)應(yīng)力錨索框架起到了很好的加固治理效果。

（5）經(jīng)施工、運(yùn)營(yíng)驗(yàn)證，技術(shù)參數(shù)、方案安全可靠。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙志明.工程治理后巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及方法研究—以元磨高速公路為例[D].成都： 西南交通大學(xué).2013：13-14.

[2] 肖若愚.基于FLAC3D的陽(yáng)溝新村南側(cè)邊坡定性分析及治理措施研究[D].昆明：昆明理工大學(xué).2016：11-15.

[3] 蔣爵光.用赤平投影進(jìn)行節(jié)理巖體穩(wěn)定性分析的方法[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1985（2）：37-43.

[4] 李皆準(zhǔn).預(yù)應(yīng)力錨索框架的作用機(jī)理及工程效果評(píng)價(jià)[D].北京：北京交通大學(xué).2008：7.

[5] Cem Kincal. Application of two new stereographic projection techniques to slope stability problems[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2014（1）：6.

[6] S.S Lim，H.S Yang. An analysis of plane failure of rock slopes by quantified stereographic projection[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2003（12）：37.

[7] Yan Gu，Qingsong Hua，Chuanzeng Zhang， et al. The generalized finite difference method for long-time transient heat conduction in 3D anisotropic composite materials[J]. Applied Mathematical Modelling，2019（2）：23.

[8] Selculc Alemdag，Ayberk Kaya，Mustafa Karadag，et al. Utilization of the limit equilibrium and finite element methods for the stability analysis of the slope debris：An example of the Kalebasi District（NE Turkey）[J]，Journal of African Earth Sciences，2015（106）：134-146.

[9] 張登武.西南某機(jī)場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析及綜合治理研究[D]. 蘭州： 蘭州交通大學(xué)，2013：7.