蒙華鐵路高家山危巖特征成因及裂隙變形分析

沈 波

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

1 工程概況

山區鐵路隧道洞口多位于高陡邊坡，尤其在孤立山嘴帶，巖體卸荷強烈，上方大多分布臨空的危巖落石，一旦墜落崩塌，往往會對既有橋梁隧道等構筑物造成嚴重危害。以下通過分析蒙華鐵路高家山隧道洞口危巖所處的地質條件、危巖體特征、形成原因，選取典型危巖體在初始應力狀態及卸荷應力狀態下裂隙發育情況，從地質及力學角度分析危巖體的變化趨勢[1-2]。

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

研究區位于黃龍山中低山區，區域地貌總體自東向西傾斜，地形高差50～200 m，自然坡度為40°～50°，坡頂表覆新黃土，坡面基巖裸露。

2.2 地層巖性

主要出露的地層：①第四系全新統坡洪積碎石土，灰褐色，稍密-中密，稍濕，主要成分為砂巖，粒徑60～80 mm，棱角狀，充填黏性土，夾大量塊石，分布于隧道出口山坡上，層厚0.5～2.0 m；②第四系上更新統風積新黃土，淺黃色，硬塑-堅硬，土質均勻，砂感較強，分布少量孔隙； ③三疊系中統二馬營組砂巖，灰白色、灰色，主要礦物成分為長石、石英，砂狀結構，薄-巨厚層狀構造，泥、鈣質膠結，全風化-弱風化，節理裂隙發育，層厚0～20 m，產狀340°∠2°；④三疊系中統二馬營組泥巖，灰白色-棕紅色，泥質結構，中-厚層狀構造，弱風化，節理裂隙發育，層厚0～2 m。

2.3 地質構造

主要地質構造為銅川-韓城隆起，為一北傾的復單斜構造。主要有NWW、NNE兩組節理，其中，NWW組較為發育，傾角83°～88°，延伸性好；NNE組節理傾角85°～88°，延伸性較差，不發育。

3 危巖特征

3.1 危巖發育特征

危巖位于隧道出口上方70～80 m的陡崖上，高程為875～896 m，相對高差5～20 m，陡崖坡角近乎垂直。陡崖上部為泥巖風化侵蝕形成的凹形面巖腔，坡角已成負角，高約5 m，往下為斜坡地形，坡角一般為70°～85°。山坡相對高差為120～140 m。根據危巖帶巖體結構面發育程度及組合特征、切割塊體的變形破壞機制及所處位置等情況[3-8]，劃分為5個危巖帶，如圖1。

圖1 高家山隧道出口高邊坡危巖體分布

由圖1可知，位于洞頂上方的W1危巖體危害最大，該危巖體沿坡面長約15 m，寬約5 m，臨空面厚約20 m，體積約1 800 m3。巖體內節理裂隙非常發育，受控于3組優勢裂隙結構面，2組卸荷節理面產狀為172～195°∠85～88°、105°∠75°，張開5～20 cm，巖層面產狀340°∠2°。危巖體潛在失穩模式為墜落[9-10]，危巖體全貌及裂隙發育情況見圖2、圖3。

圖2 W1危巖體全貌

圖3 W1危巖體發育的豎向裂隙

3.2 卸荷帶特征

卸荷帶主要指原地質環境時期侵蝕切割形成的斜坡陡崖帶，這種地質環境變化改變了原有的力學環境條件，形成新的重塑效應。在研究區域，主要表現為侵蝕形成的溝谷造成巖體側方約束釋放，形成卸荷回彈，陡傾角裂隙進一步擴容，形成新的卸荷裂隙帶。高家山危巖卸荷帶的發育程度主要與巖體結構裂隙的發育程度緊密相關[11-12]。

高家山危巖卸荷裂隙較發育，單個危巖塊體一般揭露出3～8條。卸荷帶多沿山坡走向呈帶狀分布，以平行坡面的陡傾裂隙為主。裂隙間距為0.5～2 m，張開度為1～12 cm，多有貫通趨勢，無充填，深度較大。

4 危巖形成原因

4.1 地形條件

危巖體發育一般需具備坡面陡峻、坡面風化嚴重、節理發育等條件。高家山危巖體所處邊坡高陡，高差較大，上部近乎直立，為危巖體下墜創造有利地形條件。

4.2 地層巖性

高邊坡巖體由三疊系中統二馬營組砂巖、泥巖構成，為典型的“上硬下軟”斜坡結構和“靴狀”地形。斜坡上部為厚層-巨厚層狀砂巖，致密堅硬，抗風化能力強，可形成近直立的陡崖；下部為砂巖、泥巖互層，巖體破碎，強度較低，形成陡坡。上部厚層砂巖中夾多層力學性質較差的泥巖，易軟化，在覆巖重力作用下會發生塑性流動，在覆巖中引發張應力，促進巖體節理裂隙向上擴展。泥巖局部由于長期風化剝蝕和人為開挖形成崖腔，上部巖體凸出產生懸臂作用，巖體產生拉裂破壞或順節理面垂向墜落[13-15]。

4.3 節理構造

受區域構造影響，地層中發育2組共軛節理，與巖層面及卸荷等次生節理將斜坡巖體切割成離散結構。上部厚層砂巖呈塊狀，在臨空面形成危巖體。下部砂泥巖互層呈碎裂狀，巖體強度進一步降低。

4.4 水文地質

高家山危巖所含厚層砂巖內部裂隙發育，貫通性好，富水性差。中夾泥巖滲透率低，為相對隔水層。砂巖裂隙水集聚于泥巖夾層上，造成泥巖軟化拉裂壓縮變形，再次造成上部砂巖體的位移變形及裂隙擴張，變形增大到一定程度后逐漸向崩塌破壞發展。

5 變形數值模擬

應用不連續介質二維離散元程序進行數值模擬，模擬連續介質承受荷載下的狀態應力應變狀態。變形塊體被劃分成有限個單元網格，且每一單元根據給定的應力-應變”準則，表現為線性或非線性特性。不連續面發生法向和切向的相對運動也由線性或非線性“力-位移”的關系控制。

5.1 模型建立

高家山隧道走向為350°，與巖層產狀近似平行。選擇與隧道平行、貫穿W1危巖體的剖面建立模型，如圖4所示。

圖4 選取的地層模型

模型中，設置巖層面與陡傾節理2組結構面，層面水平，節理面傾向臨空面，傾角80°，均為連續結構面。調查發現，坡頂危巖厚3～8 m，顯示有較寬的卸荷帶。因此，建模過程中考慮風化卸荷作用，在臨坡面設置寬20～50 m卸荷裂隙帶。卸荷帶內巖層面間距10 m，陡傾節理間距5 m。模型兩側邊界設置為X方向固定、Y方向自由，底部邊界條件為X、Y方向均固定。模型選擇的重力加速度取9.81 m/s2。

5.2 參數選取

高邊坡數值模型中有砂巖和泥巖兩種巖性，巖性材料均選擇摩爾庫倫模型，主要物理力學參數包括密度、彈性模量、泊松比、內摩擦角、黏聚力。受巖體結構面影響，小尺寸巖塊強度試驗難以反映巖體強度，模擬中參考現場相關物理力學試驗結合相關規范巖體質量分級進行取值。高家山隧道出口高邊坡上部出露厚層砂巖和泥巖。砂巖為泥、鈣質膠結，屬于堅硬巖類，呈薄-巨厚層狀構造，全-弱風化，節理裂隙發育，巖體較破碎，可判斷其巖體質量為Ⅲ級；泥巖屬于軟巖類，強度較低，多風化形成巖腔，中-厚層狀構造且節理裂隙發育，巖體較破碎，巖體質量為Ⅴ級。高家山隧道出口高邊坡的巖體參數取值見表1。

表1 高家山隧道出口高邊坡的巖體參數取值

出口高邊坡數值模型中包含兩組結構面，層面和陡傾節理。結構面材料選擇摩爾-庫倫模型，主要物理力學參數包括法向剛度、剪切剛度、黏聚力、摩擦角。高家山隧道出口高邊坡的巖體結構面參數取值如表2。

表2 高家山隧道出口高邊坡巖體結構面參數取值

5.3 初始應力狀態下結果分析

不考慮風化卸荷的影響，抗剪強度選取見表5，當最大的結點不平衡力較初始所施加總力小時，可判定模型達到平衡狀態，不平衡應力比取1.0×10-5。結果如圖5。從圖5中可看出，初始應力平衡狀態下，臨坡面30～50 m范圍內出現局部節理張開，這是受邊坡本身坡面卸荷作用形成的。

圖5 初始平衡狀態裂縫張開分布

5.4 風化卸荷狀態下結果分析

長期風化卸荷作用下，高邊坡在臨坡面附近形成風化卸荷帶，卸荷帶內節理裂隙張開或錯動，導致巖體強度降低、結構裂化。在這個過程中，對卸荷帶內巖體結構面抗剪強度按表5進行修改賦值，分析長期風化卸荷作用下斜坡的應力應變特征，結果如圖6。從圖6中可看出，在應力作用下，邊坡裂隙面明顯增多，與初始平衡狀態相比，發生張開變形的節理數量和密度增大，尤其集中在陡崖面20 m范圍內。

圖6 卸荷狀態下裂縫張開分布

在軟弱結構面風化卸荷作用下，進一步分析邊坡坡面的位移情況，結果如圖7。可以看出，邊坡坡頂出現明顯應力拉張區，主要朝臨空方向向下變形，位移為4～8 mm，其中一處張拉區距離陡崖約2 m，寬約15 m，垂直發育深度22～25 m，向下逐漸收窄尖滅。另一處距離陡崖40 m，寬約10 m，發育深度10 m。邊坡表面應力張拉區主要位于陡崖與下部陡坡過渡帶，此處發育3層1.4～1.5 m厚的泥巖。張拉區向邊坡內部發育深度25～40 m，由內向外位移從4 mm增加到22 mm，變形方向從指向坡外向下轉為水平。在陡崖與陡坡交界地帶，受上部陡崖變形劇烈，下部塊體根部側限的影響，表層巖體向臨空方向擠出，其位移指向臨空面斜上方。

圖7 潛在破壞范圍變形特征

6 結論

高家山風化卸荷作用主要由砂巖間泥巖巖腔形成，其裂隙發育及后期崩塌墜落部位也多集中在泥巖凹腔頂部，而凹腔形成的主要原因為泥巖不斷風化剝落。上硬下軟結構導致基巖裂隙水流在泥巖處富集，上部壓重的疊加條件下極易發生風化掉塊，進而導致頂部拉張裂隙發育、擴大、加深，最后沿巖腔頂部從坡面崩落。

針對該危巖體的防治，可選擇漿砌片石、混凝土等材料對泥巖凹腔的進行封堵回填，以改變巖體內應力狀態；也對后期風化卸荷作用進行防治，從源頭防治后期巖體內裂隙的擴展。另外，對凹腔附近表層裂隙發育較深巖體可采用清除等措施，消除不穩定危巖塊體；內部裂隙發育處可采用錨桿、主被動網等相結合措施等進行防治， 錨桿深度宜進入裂隙內部。