虹梯關隧道進口段危巖體形成機理及處治方案

張國文

(山西省第三地質工程勘察院，山西晉中 030620)

長平高速公路是連接山西省長治市與河南省安陽市高速公路的一部分。虹梯關超特長隧道位于B6合同段。隧道進口位于平順縣虹梯關鄉梯后村西南的虹霓河峽谷左岸岸坡，在隧道進口的上方，分布一處約2萬多立方米的危巖體，威脅隧道洞門和與隧道相接的白母塘大橋的安全。

1 自然地理及地質環境條件

工作區位于長治市平順縣虹梯關鎮梯后村西南約2．5 km的虹霓河北岸，距平順縣城14 km。地貌屬溶蝕、侵蝕低中山區，大部基巖裸露，主要由奧陶系、寒武系碳酸鹽巖組成。溝谷深切，山勢險峻，巖石堅硬，懸崖峭壁隨處可見，峽谷壁陡，山頂高程1 245．4 m，溝底虹霓河河床地面高程843．0 m，最大相對高差402．4 m。隧道進口位于虹霓河峽谷左岸的堆積緩坡下方，洞底標高894．691 m。堆積緩坡以上由陡壁和緩坡平臺依次組成四級臺階。各臺階的陡壁主要由厚～巨厚層灰巖、白云質灰巖及白云巖等組成;緩坡平臺主要由薄層灰巖、白云質頁巖等組成。含水層主要為寒武系中上統厚層鮞狀灰巖和奧陶系下統白云質灰巖等，下部隔水層為徐莊組紫紅色泥巖。地下水補給來源為大氣降水入滲補給，總體由南西向北東徑流，呈脈狀產出，裂隙發育帶，巖溶較發育，易于地下水匯集。據勘探資料，測區地下水位標高在±890 m，位于隧道工程以下。

2 危巖體工程地質特征

危巖體是由卸荷裂隙與坡面包圍的巖石組合體，多發育于河谷兩側硬巖或硬巖與軟巖組合的陡峻巖壁上。河谷是在水流作用下形成的，在形成過程中由于水流的切割沖刷，破壞了巖體的原始應力場，河谷兩側巖體應力重新分布，巖壁上的坡肩部位為拉裂區，致使原巖中的節理裂隙逐漸張開呈卸荷狀，靠河谷側裂隙張開程度大，靠內側逐漸閉合與原地層節理裂隙分布趨于一致。測區危巖體位于虹梯關隧道進口上方的巖壁上，主要由PL1卸荷裂隙與坡面所包圍的巖體組成。

危巖體可分為總體部分(W1)和分體部分(W1-1)，見圖1。

W1:由PL1與坡面所包圍的危巖體為總體部分，它包括了由PL2與坡面所包圍的分體部分(W1-1)。主要由寒武系中統張夏組(∈2z)中上部的深灰、灰黑色厚～巨厚層狀鮞狀灰巖、白云質灰巖組成。呈南寬北窄、上寬下窄的板狀楔形體，南北兩側沖溝將PL1切割，危巖體長75 m，寬50 m～70 m;上部厚34．5 m，中部厚25 m，下部厚20 m，總高度100 m，總體積2．3萬m3。發育共軛節理，上方緩坡平臺上節理產狀:第一組60°∠84°，密度2條/m，縫寬1 mm～2 mm，無充填;另一組90°∠85°，密度為2條/m，縫寬1 mm～2 mm，無充填。危巖體峭壁下洞口附近節理產狀分別為265°∠88°和175°∠80°，密度均為2條/m。兩組節理與巖層面將危巖體切割成大小不等的菱形塊體，危石聳立，為典型的厚層塊狀結構，體內的層面大多連接良好。

W1-1:PL2卸荷裂隙長約65 m，危巖體厚3 m～5 m，寬30 m，高10 m～30 m，體積1 500 m3～2 000 m3。

3 危巖體穩定性評價

3．1 卸荷裂隙與各結構面赤平投影分析

危巖體受巖坡面、巖層面、卸荷裂隙面、節理面的控制，四結構面對危巖體的穩定性起主導作用，為此，以赤平極射投影平面圖反映其空間組合關系，從而分析其穩定性。

隧道進口段峭壁坡面產狀120°∠72°;PL1產狀為125°∠78°，呈連續貫通出露，但底部尖滅，使危巖體未與母體脫離;巖層產狀平緩(325°∠5°)。坡體中發育兩組共軛“X”節理，產狀分別為265°∠88°和175°∠80°，發育密度均為2條/m。由赤平投影圖可以看出，四種結構面之間相交夾有四邊形區域，即將巖石切割成塊體，其掉塊與否取決于巖層面的結合程度和巖層風化凹進程度。由于張夏組底部巖性為薄層狀泥質條帶灰巖夾紫紅、灰綠色頁巖，易風化，相對上方硬巖凸出，這樣便形成危石凸出、懸空的現象，當近水平的巖層面結合程度差時，懸空的危石重力大于巖層面的結合力即產生掉塊。

3．2 危巖體(巖塊)模擬崩塌運動參數計算

一般情況下，巖體發生崩塌后，落石的運動方式可概化為四個階段:脫離母巖、墜落、彈跳、滾動(滑動)穩定(見圖2)。

崩塌落石墜落的速度決定著落石最終的滾動或彈跳距離。而直落式落石的運動速度與落石下落的高度、體積和重量有關，非直落式落石的運動速度與山坡的坡度、坡面巖性及植被發育程度有關。

1)落石的運動速度確定。對于崩塌落石速度的確定，采用前蘇聯尼·米·羅依尼什維里教授提出的落石運動速度計算方法，按折線形山坡計算(見圖3)。適用于:折線形山坡，各坡段坡度角θ=30°～60°，各段坡長度大于10 m，相鄰的坡度θ相差大于5°。

假定在崩塌過程中，忽略聲能，落石的勢能只轉變為動能和克服摩擦做功，并設初速度為零，根據功能原理，則崩落體的運動速度可由下式確定:

其中，v為落石的下落速度，m/s;h為落石的墜落高度，m;g為重力加速度，m/s2;θ為山坡坡度角，(°);K為巖塊沿山坡運動所受各種影響因素綜合作用的阻力系數，可用表1公式計算。

表1 阻力系數K值計算公式表

其余坡段的末端速度:

其中，V0(n)為巖塊運動研究坡段起點的初速度，可按以下情況考慮:當 θ(n－1)＞ θn時，V0(n)=Vm(n－1)cos[θ(n－1)－ θn］，當 θ(n－1)＜θn時，V0(n)=Vm(n－1)，θn為研究坡段的坡度角，(°)，θ(n－1)為前一坡段的坡度角，(°)，Vm(n－1)為巖塊在前一坡段末端的運動速度，m/s。

W1-1危巖體位于第一級臺階的上部，一旦發生崩塌后，落石可能會在下部的緩坡平臺上發生彈跳，下面對危巖體的落石下落速度進行計算，計算結果見表2。

表2 危巖體落石下落速度計算結果

2)落石的彈跳計算。落石以一定的速度落到坡面上后，一般會在坡面上經過一次或多次彈跳。根據運動學原理，在第一次跳躍式彈跳以后，第二次、第三次彈跳的幅度一般會比第一次彈跳小得多。通過對落石第一次彈跳的運動軌跡研究，可計算出落石與坡面的最大偏離，從而可以確定攔截建筑物的高度和建筑物與山坡坡腳間的最小間距。

落石的運動形式理論上可按質點在斜坡上的運動軌跡來表示(見圖4)，這就可確定落石運動時距離斜坡面的最遠距離。

落石的運動軌跡方程為:

其中，V0為落石在坡面上的初速度，m/s;φ為落石反射速度

方向與垂直方向夾角;g為重力加速度。

落石在垂直方向上距斜坡的最大距離為:Hmax=Lmax·tanθ。

對W1-1危巖體發生崩塌后，落石在緩坡平臺上的彈跳參數進行計算，結果見表3，表4。

表3 彈跳參數

表4 危巖體崩塌后落石最遠堆積位置計算統計表

W1-1崩落后落石在水平方向上的最大位移為141．8 m，堆積緩坡從坡腳到河槽的總寬度為145 m，說明W1-1崩落后部分落石可能會滾落到溝底的河槽中;隧道位于堆積緩坡的中部，隧道高出河床約40 m，上方堆積緩坡高度為50 m，再按照落石運動軌跡方程計算落石在隧道標高上(當y=50時)的水平位移，X隧道標高=62．35 m。

3．3 危巖體的穩定性評價

危巖體分布于標高950 m～1 120 m之間，上部為緩坡平臺，下部呈陡壁，陡壁高約130 m～140 m，坡度72°～80°，線路左洞上方巖體中卸荷裂隙發育一般，坡體穩定性較好;右洞上方節理裂隙和卸荷裂隙比較發育，為W1和W1-1危巖體所在部位，邊坡穩定性較差。W1危巖體總體積約2．3萬m3;W1-1危巖體為W1危巖體上的一部分，體積約2 000 m3。

通過對與危巖體相關的巖坡面、PL1卸荷裂隙面、巖層面和節理面的關系進行分析，自然條件下邊坡為欠穩定邊坡，W1-1危巖體的穩定性較差;極端條件下，可能會發生崩塌，威脅隧道進口、隧道前面橋臺及過往車輛的安全。經計算危巖體發生崩塌后，落石彈跳的最大水平位移為141．80 m。

4 處治方案建議

4．1 被動防護方案(方案Ⅰ)

主要在危巖體下設置攔石(水)溝、堆積緩坡設置被動防護網、兩隧道洞門上墊層和端墻加厚加強、兩隧道洞門前設置柔性棚洞四部分防護工程對危巖體進行防護。此方案的優點是:簡單、易施工，造價不大。缺點是:在極端條件下，危巖體形成大方量崩塌，被動防護工程仍有被摧毀的可能性。具體工程措施如下:

1)危巖體下方設置攔石溝(Ⅰ-1)。

在危巖體與堆積緩坡交界地帶設置攔石(水)溝。攔石溝靠危巖體下方腳部順地勢以左右洞中心向兩側沿展設置，修筑時自兩側坡下向坡上兩隧道中心相向進行，溝內呈階梯狀，寬度隨地勢盡量加寬，底寬不小于1 m。其功能是:a．利于排水;b．攔截沿危巖體垂直下落的石塊;c．便于行人和運送材料及小型設備;d．攔石溝修好后，順便將巖柱后PL1裂縫中的灌木等植被清理后，用水泥砂漿封閉、抹平，以抑制植物根劈作用和風化作用，加強危巖體根部的穩定性。

2)堆積緩坡設置被動防護網(Ⅰ-2)。

采用布魯克(成都)工程有限公司生產的布魯克防護網(下稱布魯克)，網高7 m，寬70 m～100 m，網與坡面基本垂直，坡面與水平面約成45°角，自左右洞中心向兩側呈“人”字形并向下方傾斜，以利落石彈向洞門外側，對洞門不產生危害。

3)兩隧道洞門上墊層加厚、端墻加強(Ⅰ-3)。

隧道貫通后，結合洞門景觀設計，將洞門上的端墻加厚加高、箍筋加強，洞門頂部平臺在原設計方案上加大填料厚度，最好用均勻的碎石料回填，增加落石在此處的彈性，使落石在此得到緩沖。

4)在隧道洞門前設置柔性棚洞(Ⅰ-4)。

據模擬計算:在最不利的情況下，危巖體崩落石塊有可能彈跳到隧道洞門前62．35－50=12．35 m范圍內，洞門前方為白母塘大橋橋臺，在橋臺兩側以工字鋼支撐鋼拱網架，網架上下裝兩層布魯克網片，使其形成一柔性棚洞，以防對洞門前橋梁和行車產生危害。柔性棚洞的長度以12．35 m增加50%的安全儲備，即安全系數取1．5時，柔性棚洞的長度為18．53 m。

4．2 主動+被動防護(方案Ⅱ)

該方案是對隧道西側已有的人行小道進行拓寬修筑后，可到達隧道頂部的二級緩坡平臺上，在此設立工作面，將設備和材料吊至隧道頂的第一級平臺上，再在第一級平臺上設立工作面，對隧道上方危巖體進行防護。施工便道修通和兩個平臺工作面設立后，可采取下面方案進行防護:

將隧道上方危巖體易崩落部分(W1-1)用布魯克網防護，隧道下方采用方案Ⅰ中的Ⅰ-1，Ⅰ-2和Ⅰ-3三項被動防護工程措施。此方案的優點是:危巖體基本不會產生大的崩塌，隧道上方自然保護區的自然景觀可以得到保護。缺點是:修路工程量大、造價高，從第一平臺工作面向下吊放設備、材料和工作人員有很大的安全隱患。

5 結語

虹梯關隧道進口段W1危巖體總體積2．3萬m3，整體穩定，

其上方的W1-1約1 500 m3～2 000 m3不穩定，在極端條件下可能會產生局部崩塌，威脅洞門、橋臺和行車安全。采用上述方案處治后，可有效改善其穩定性，確保高速公路的安全運營。

[1] 周永昌，張國文．長(治)平(順)高速公路虹梯關隧道進口段危巖體穩定性評價及處治方案[Z］．2010．

[2] 廖興發．地質勘察與地質災害監測評估防治技術實用手冊[M］．北京:世圖音像電子出版社，2002．

[3] 陳秀瓊．內昆鐵路K249+159右側巖質邊坡崩塌形成機理及整治措施[D］．成都:西南交通大學，2007．