基于影響因素的隧道洞口巖質(zhì)斜坡穩(wěn)定性評價
——以成蘭鐵路某隧道出口斜坡為例

馬 時 強(qiáng)

(1.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鐵道工程系，四川 成都 610399；2.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756)

·建筑與土木工程·

基于影響因素的隧道洞口巖質(zhì)斜坡穩(wěn)定性評價
——以成蘭鐵路某隧道出口斜坡為例

馬 時 強(qiáng)1,2

(1.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鐵道工程系，四川 成都 610399；2.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756)

以成蘭鐵路某隧道出口斜坡為例，將地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)與地質(zhì)構(gòu)造、工程開挖、震動作用和地貌條件確定為影響穩(wěn)定性的主要因素；運(yùn)用巴頓模型，獲得主要結(jié)構(gòu)面等效抗剪強(qiáng)度參數(shù)并應(yīng)用于赤平投影分析；分別采用有限元和離散元軟件對斜坡洞口開挖及地震作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析；綜合多種方法的分析結(jié)果作出穩(wěn)定性評價。最后給出了基于影響因素的隧道洞口巖質(zhì)斜坡穩(wěn)定性評價的幾點(diǎn)認(rèn)識。

影響因素；巖質(zhì)斜坡；穩(wěn)定性評價；赤平投影；有限元；離散元

隧道出洞的邊坡問題已成為復(fù)雜山區(qū)鐵路工程地質(zhì)的主要問題[1]。客觀評價隧道進(jìn)出口斜坡的穩(wěn)定性對于復(fù)雜山區(qū)鐵路的運(yùn)營安全意義重大。

評價斜坡穩(wěn)定性的思路很多[2-9]。本文從斜坡穩(wěn)定的影響因素出發(fā)，首先弄清影響斜坡穩(wěn)定的一般因素，然后針對特定斜坡，判斷影響其穩(wěn)定性的主要因素，采取有針對性的分析方法進(jìn)行評價。影響斜坡穩(wěn)定的一般因素包括內(nèi)在因素和外部因素。其中內(nèi)在因素有地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)與地質(zhì)構(gòu)造、水的作用、地應(yīng)力等，外部因素有工程荷載條件、工程開挖、震動作用、地貌條件、氣候條件等。

以成蘭鐵路某隧道出口斜坡為例，鑒于其地層巖性復(fù)雜，砂巖中小褶曲發(fā)育且褶曲軸部近于直立，洞門開挖嚴(yán)重削弱坡體前部的抗滑支擋作用，影響斜坡穩(wěn)定；地貌條件復(fù)雜，岷江斷裂帶位于線路左側(cè)約3 km，是一條全新世活動斷裂；因此，將地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)與地質(zhì)構(gòu)造、工程開挖、震動作用和地貌條件確定為影響該巖質(zhì)斜坡穩(wěn)定性的主要因素。另一方面，因?yàn)榭梢圆扇∮行У姆琅潘胧﹣斫档退挠绊懀又旅孑^陡，利于排水，故將水的影響作為次要因素而忽略。針對深切河谷等地應(yīng)力復(fù)雜地區(qū)應(yīng)當(dāng)建立考慮地應(yīng)力的分析模型[2]，但該斜坡地應(yīng)力以自重應(yīng)力為主；因此未專門建立地應(yīng)力分析模型。此外工程荷載與氣候條件也作為次要因素而被忽略。

在確定了影響斜坡穩(wěn)定性主要因素的基礎(chǔ)上，進(jìn)行工程地質(zhì)分析，構(gòu)建地質(zhì)模型。運(yùn)用巴頓模型，獲得主要結(jié)構(gòu)面等效抗剪強(qiáng)度參數(shù)并應(yīng)用于赤平投影分析。然后分別采用有限元和離散元對斜坡洞口開挖及地震作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析。最后綜合多種方法的分析結(jié)果作出穩(wěn)定性評價。

1 隧道出口工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

隧道位于青藏高原東部邊緣，山脈呈南北向展布，測區(qū)地形切割較大，地勢險峻，陡崖廣泛分布。巖石裸露，植被不發(fā)育，以灌木叢為主。出口高程約2 476 m，隧道經(jīng)過段最高峰約3 018 m，最大相對高差約558 m，如圖1所示。

1.2 地層巖性

隧道出口上覆第四系全新統(tǒng)坡崩積層(Q4dl+col)塊石土，下伏基巖為(T3zh)千枚巖夾砂巖，包括強(qiáng)風(fēng)化帶和弱風(fēng)化帶。野外巖體結(jié)構(gòu)測量如圖2所示。

圖1 隧道出口地貌

1.3 地質(zhì)構(gòu)造及地震參數(shù)

岷江斷裂帶位于線路左側(cè)約3 km，是一條全新世活動斷裂。歷史上曾發(fā)生過1748年6.5級地震和1960年6.75級地震。由于受區(qū)域性斷裂影響嚴(yán)重，砂巖中小褶曲發(fā)育，褶曲軸部近于直立。

1.4 水文地質(zhì)特征

該隧道經(jīng)過段主要地表水為溝谷水，屬岷江水系。地下水以土層孔隙潛水和基巖裂隙水為主。土層孔隙潛水主要賦存于溝谷內(nèi)土體中，水量不大。基巖裂隙水主要賦存于千枚巖、砂巖中，由于裂隙發(fā)育，基巖裂隙水較豐富。地下水主要接受大氣降水及河水補(bǔ)給，同時也向溝谷、河流排泄。

1.5 不良地質(zhì)

隧道出口段主要不良地質(zhì)為巖堆、危巖落石。

1.6 地質(zhì)模型

隧道出口沿中線工程地質(zhì)斷面圖如圖3所示。

1.7 基于巴頓模型的結(jié)構(gòu)面等效抗剪強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算

Barton與其合作者在大量天然結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出巴頓(Barton)模型[10-11]

(1)

當(dāng)工程巖體中結(jié)構(gòu)面的法向應(yīng)力為某一確定數(shù)值時，可以用Barton模型在這一特定應(yīng)力時的切線方程的參數(shù)作為它的等效庫侖-摩爾準(zhǔn)則抗剪強(qiáng)度參數(shù)，即等效內(nèi)摩擦角φi和等效黏聚力ci，如圖4所示。

圖4 Barton模型的摩爾-庫倫等效處理

利用巴頓的裂隙面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)剖面，對結(jié)構(gòu)面起伏粗糙程度進(jìn)行對比，可近似求得巖體結(jié)構(gòu)面的粗糙度系數(shù)JRC為4～6。

根據(jù)回彈儀測定的Re，使用巴頓推薦的米勒經(jīng)驗(yàn)關(guān)系公式求裂隙抗壓強(qiáng)度JCS，如式(2)所示。

log10(JCS)=0.000 88γRe+1.01。

(2)

對新鮮未風(fēng)化的巖體結(jié)構(gòu)面而言，殘余摩擦角等于基本摩擦角。根據(jù)現(xiàn)場的巖體結(jié)構(gòu)情況，結(jié)構(gòu)面基本摩擦角φb取30°，通過估算選取結(jié)構(gòu)面有效正應(yīng)力為5 MPa，求取此時的等效結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 基于巴頓模型的等效抗剪強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算結(jié)果

2 赤平投影分析

隧道出口端千枚巖產(chǎn)狀：片理L：N10°E/46°SE；節(jié)理J1：N3°E/42°NW；節(jié)理J2： N75°E/68°NW；坡面Slope：N80°E/80°NW。

應(yīng)用的相關(guān)參數(shù)：巖石層間綜合φ=30°，tanφ=0.577。

邊坡巖體優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀如表2所示；優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面交線產(chǎn)狀如表3所示；邊坡巖體赤平投影穩(wěn)定性分析如圖5所示；計(jì)算結(jié)果見表4、表5。

由圖5可知：圖中坡面投影區(qū)未穿越雙滑面13、單滑面2，從各切割錐的穩(wěn)定分析得知，雙滑面13的穩(wěn)定系數(shù)為1.04，在自然狀態(tài)下基本穩(wěn)定；但在地震等外力作用下會產(chǎn)生塊體滑塌。滑塌體是由片理L、節(jié)理J2的上盤和節(jié)理J2的下盤組成，滑動方向沿著兩組結(jié)構(gòu)面交線g13傾向，方向?yàn)镹57°E，與坡向N10°W夾角67°。單滑面3的穩(wěn)定系數(shù)

為0.23，在自然狀態(tài)下不穩(wěn)定，將會產(chǎn)生滑動，滑動方向沿著節(jié)理J2的傾向，方向?yàn)镹15°W，與坡向N10°W夾角5°，在工程中需要采取相應(yīng)的加固和防護(hù)措施。

表2 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀表

表3 結(jié)構(gòu)面交線產(chǎn)狀表

表4 隧道出口斜坡滑塌體的構(gòu)成及穩(wěn)定系數(shù)

注：1)“上”“下”表示Li面的上盤或者下盤；2)gij指向赤平面以上為(-)，以下為(+)；3)單滑面1、2、3是沿著層理L、節(jié)理J1、節(jié)理J2傾向的單平面滑動；4)雙滑面12是指由片理L和節(jié)理J1共同切割所形成的楔形體，雙滑面13是指由片理L和節(jié)理J2共同切割所形成的楔形體，雙滑面23是指由節(jié)理J1和節(jié)理J2共同切割所形成的楔形體，雙滑面滑動方向沿著兩組結(jié)構(gòu)面的交線方向。

表5 雙滑面滑塌體的γij、γi、γj

3 有限元數(shù)值模擬

3.1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

地質(zhì)模型主要地層巖性有砂巖與千枚巖互層(T3zh)和塊石土(Q4dl+col)，其物理力學(xué)參數(shù)如表6所示。

注：gi表示滑動方向。

圖5 邊坡巖體穩(wěn)定性分析圖

表6 數(shù)值模擬參數(shù)取值表

3.2 地震加速度

測區(qū)地震動峰值加速度取0.20g。

3.3 開挖后地震狀態(tài)下有限元模擬

基于ANSYS的有限元模擬主要分析地震條件下隧道洞口開挖部分的穩(wěn)定性，沒有考慮斜坡巖體主要結(jié)構(gòu)面的影響，因此，斜坡的整體穩(wěn)定性僅作參考。斜坡地震狀況應(yīng)力云圖見圖6—8。

圖6 斜坡地震狀況水平方向應(yīng)力云圖

圖7 斜坡地震狀況豎直方向應(yīng)力云圖

圖8 斜坡地震狀況剪應(yīng)力云圖

圖9 斜坡開挖地震狀態(tài)下破壞點(diǎn)

3.3.1 應(yīng)力分析

對斜坡模型施加與坡向一致的0.2g的水平加速度，根據(jù)圖6—8分析，最大水平向拉應(yīng)力出現(xiàn)在隧道口底部，產(chǎn)生局部拉應(yīng)力集中，最大水平向壓應(yīng)力出現(xiàn)在陡壁下緣基巖與塊石土分界處；最大豎直向拉應(yīng)力出現(xiàn)在隧道口開挖底部，產(chǎn)生局部拉應(yīng)力集中；最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在隧道口底部及陡壁下緣基巖與塊石土分界處，產(chǎn)生局部剪應(yīng)力集中。

3.3.2 強(qiáng)度分析

采用莫爾強(qiáng)度理論準(zhǔn)則對加載后斜坡巖體進(jìn)行分析，取c=0.2 MPa，φ=30°，地震加速度0.2g。由圖9可看出在隧道口底部有零星破壞點(diǎn)出現(xiàn)，此外由于地震影響在陡壁底部前緣破壞點(diǎn)集中，破壞點(diǎn)貫通后會沿著基巖與塊石土巖層分界線產(chǎn)生剪切破壞。

4 離散元數(shù)值模擬

基于UDEC軟件的離散元分析是在考慮主要結(jié)構(gòu)面影響下巖體斜坡在地震作用下的總體穩(wěn)定性。因此建模時，不考慮斜坡表層的塊石土。取隧道底部向下12 m，向上67 m，作為此邊坡的地質(zhì)模型。坡角及頂角均按地質(zhì)剖面圖計(jì)算。考慮巖體兩組長大貫通節(jié)理，一組層面產(chǎn)狀N10°E/46°SE，另一組節(jié)理產(chǎn)狀N75°E/68°NW，模型斷面的走向?yàn)镹35°W，在計(jì)算斷面上換算為視傾角分別為36°和67°。模型節(jié)理間距按3 m計(jì)算，節(jié)理跡線長度按3 m計(jì)算。由于隧道開挖范圍只在塊石中進(jìn)行，而未挖到基巖；所以未考慮開挖工況，而只分析考慮地震作用下，斜坡自然狀態(tài)下的整體穩(wěn)定性。

斜坡在自然狀態(tài)地震作用下通過分別計(jì)算8萬、9萬及10萬步后得出：水平位移與垂直位移最大值已無變化但最大不平衡力仍未趨于零。從位移云圖可以看出，地震作用下斜坡節(jié)理巖體位移量明顯增大：最大垂直位移達(dá)30 cm，出現(xiàn)在斜坡頂部區(qū)域；最大水平位移達(dá)60 cm，出現(xiàn)在斜坡底部前緣。顯然，斜坡在地震作用下已處于不穩(wěn)定狀態(tài)，可能出現(xiàn)巖體滑動崩塌。圖10、圖11分別給出斜坡地震作用下的水平和垂直位移云圖。

圖10 地震作用下水平位移云圖

圖11 地震作用下垂直位移云圖

5 結(jié)論

針對該斜坡，影響其穩(wěn)定性的主要因素是地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)與地質(zhì)構(gòu)造、工程開挖、震動作用和地貌條件。基于此，綜合采用工程地質(zhì)分析、赤平投影分析、有限元及離散元數(shù)值模擬等方法可以得出以下結(jié)論。1)斜坡受區(qū)域構(gòu)造影響，巖體節(jié)理發(fā)育，加之坡腳較大，在非開挖的自然狀態(tài)下局部處于不穩(wěn)定狀態(tài)，危巖落石是主要不良地質(zhì)現(xiàn)象。2)不考慮洞口開挖的地震工況下，斜坡發(fā)生巖體滑動崩塌極易誘發(fā)整體失穩(wěn)。3)在洞口開挖并地震的工況下，洞口底部及陡壁底部前緣應(yīng)力集中，破壞點(diǎn)較多，呈貫通趨勢，基巖與塊石土分界線產(chǎn)生剪切破壞；但開挖本身對整體穩(wěn)定性影響不大。基于以上結(jié)論，建議清除表層塊石土，再進(jìn)行進(jìn)洞開挖；并進(jìn)行專門的洞口斜坡抗震設(shè)計(jì)。

通過對成蘭鐵路若干隧道洞口巖質(zhì)斜坡的穩(wěn)定性評價實(shí)踐，對基于影響因素的穩(wěn)定性評價獲得以下認(rèn)識：1)弄清影響洞口巖質(zhì)斜坡穩(wěn)定性的所有內(nèi)外因素是進(jìn)行穩(wěn)定性評價的基礎(chǔ)；2)針對具體斜坡，客觀評價影響其穩(wěn)定性的主要因素是關(guān)鍵；3)針對主要影響因素，分別采取有針對性的方法進(jìn)行穩(wěn)定性評價；4)綜合各種分析方法的結(jié)果，對其穩(wěn)定性給出評價。

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(編校：葉超)

StabilityEvaluationofTunnelPortalRockSlopeBasedonInfluencingFactors—CaseofaTunnelPortalSlopeinChenglanRailway

MA Shi-qiang1,2

(1.DepartmentofRailwayEngineering,SichuanCollegeofArchitectureTechnology,Deyang618000China;2.FacultyofGeosciencesandEnvironmentalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu611756China)

Lithology, structure and tectonic of the rock mass, excavation, vibration and geomorphologic conditions are regarded as main factors to affect stability of portal rock slope. Barton model is utilized to work out equivalent shear strength parameters of main structural plane, which are applied in stereographic projection analysis. The slope stability in condition of excavation and earthquake action is simulated with finite element and discrete element software. The stability evaluation is demonstrated with the case of tunnel portal slope in Chenglan railway. Some suggestions are presented on the tunnel portal rock slope stability evaluation based on the influencing factors.

influence factors; rock slope; stability evaluation; stereographic projection; finite element; discrete element

2014-01-16

馬時強(qiáng)(1982—)，男，講師，博士研究生，主要研究方向?yàn)檐泿r隧道及邊坡工程穩(wěn)定性分析。

P642

：A

：1673-159X(2015)01-0107-06

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.01.020