某高速鐵路不良地質體穩定性研究

任 申

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

隨著我國高速鐵路的快速發展，基礎建設的工程條件越來越復雜。為保證鐵路工程設計、施工和運營安全，更深入了解巖土材料的力學特征很有必要，橋小娥利用Geo-Slope軟件中的SLOPE/W模塊，采用擬靜力法計算得出滑坡在天然和地震狀態下的最危險滑動面，為擬建工程的設計及施工安全性提供可靠依據[1]；王小波等利用極限平衡法模擬分析山區某場地在自然和暴雨工況下的穩定性[2]。以下在綜合考慮區域水文地質及地震等因素的前提下，利用數值模擬軟件分析了滑坡體的穩定性及對既有鐵路、公路和擬建鐵路的影響，并提出了相應的防治措施和建議。

1 概述

研究區地貌類型為構造侵蝕的低山丘陵，地勢北西高，南東低。前緣發育兩級階地，二級階地界面較平整，平均高程約274 m。擬建高速鐵路DK185+000～DK189+500段位于既有鐵路北西側，隧道和橋梁等重點工程位于該滑坡段(見圖1)，斜坡一旦出現失穩或產生較大變形，會對擬建高速鐵路的隧道、橋墩等的安全產生嚴重威脅。

圖1 不良地質體位置示意

2 自然地理及工程地質條件

2.1 氣象條件

研究區屬于熱帶草原氣候，雨季、旱季交替明顯。雨季降雨頻繁且降雨范圍廣，據統計，2009～2016年，年平均降雨量約1 625 mm，降雨多集中在5～10月，該時間段降雨量為1 408 mm，占全年總降雨量的86.7%，且年際間變化較大。

2.2 地層巖性

區域地質資料及現場鉆探表明，該區上覆第四系人工填土、沖積、坡積、洪積、崩積的土、砂層及碎石類土，下伏侏羅系砂巖、泥巖、礫巖[3-5]。綜合鉆探、物探以及現場調查成果，斜坡段的物質組成主要有：侏羅系下統基巖，第四系崩坡積物、洪積物、沖積物、崩積物、滑坡堆積物以及人工堆積物。

2.3 水文地質條件

受研究區地形地貌、地層巖性及構造的控制，區內水文地質條件相對簡單，根據地下水的賦存條件，區內地下水類型有松散堆積層孔隙水和基巖裂隙水。

(1)松散堆積層孔隙水

松散堆積層孔隙型潛水主要賦存于第四系地層中，補給來源主要為大氣降水，通過第四系松散堆積體中的孔隙徑流，且地下水具有隨季節性變化的特征。孔隙型潛水主要分布在斜坡中下部地勢低洼及地勢較平緩地帶。第四系地層透水性強，流動性大，儲水能力弱，富水性弱。

(2)基巖裂隙水

基巖裂隙水主要賦存于侏羅系砂巖風化帶和裂隙中。砂巖底部薄-中層狀泥巖為相對隔水層，地下水主要賦存于上部砂巖中，靠大氣降水補給，沿基巖中結構面徑流，向低高程部位排泄。

3 物探解譯

現場工程地質調查表明，研究段斜坡淺表層主要為坡積、少量崩塌堆積的塊碎石土。為查明其物質組成、結構、發育深度，對典型斜坡段開展鉆探、物探(高密度電法勘探)等勘察工作(見圖2)[6-8]。

圖2 典型斜坡物探及鉆探工程平面

根據物探解譯成果，整個斜坡表面第四系堆積物較發育。在重點勘探部位DK188+100～DK188+850段，坡體前緣視電阻率均較低(<40 Ω)，推測為表部松散堆積物；米軌鐵路下方視電阻率較高(>200 Ω)，推測為前期修筑鐵路時人工堆積的塊碎石土；斜坡中上部，淺表部視電阻率多大于400 Ω，推測為松散堆積物，總體厚度20～40 m。受地形影響，堆積厚度存在差異，其中，Ⅰ-Ⅰ′剖面在距起點550 m位置位于山脊部位，堆積物厚度最小；而在其兩側電阻率明顯偏高，堆積物厚度變大。另外，局部堆積體下方也存在低阻封閉異常，推測為砂巖富水；松散堆積物下覆巖體視電阻率存在明顯的電性差異且多小于40 Ω，推測為強風化砂泥巖。

盡管上下游兩側有小的沖溝發育，但溝谷兩側未見明顯的巖性差異，也未見有一定規模坡體滑動后形成的圈椅狀滑坡地貌特征。斜坡區淺表層視電阻率云圖呈劇烈起伏狀、凹凸不平，未反映出完整連續、貫穿性的、統一的平滑地質界面(見圖3)。

圖3 HP-ZD-10～HP-ZD-09段視電阻率等值線

4 斜坡體穩定性評價

4.1 計算模型與工況

(1)計算模型

以勘探相對集中的DK188+100～DK188+850斜坡部位的勘探剖面為依據，計算主要考慮淺表部第四系堆積物的整體穩定性，同時考慮可能存在的剪出口部位。Ⅰ-Ⅰ′、Ⅱ-Ⅱ′以及Ⅲ-Ⅲ′地質剖面，建立計算概化模型如圖4～圖6所示。

圖4 斜坡Ⅰ-Ⅰ′剖面概化模型

圖5 斜坡Ⅱ-Ⅱ′剖面概化模型

圖6 斜坡Ⅲ-Ⅲ′剖面概化模型

(2)計算的工況

根據斜坡的特征及其可能出現的各種荷載情況及組合，計算中，主要考慮降雨、地震的影響，依據地震安評報告，動峰值加速度為0.05g(地震基本烈度為Ⅵ度)，具體計算的工況組合及最小安全系數如下。

工況1：自重，最小安全系數1.25；

工況2：自重+暴雨，最小安全系數1.10；

工況3：自重+地震，最小安全系數1.10。

4.2 穩定性計算參數的選取

現場鉆探工程揭露，斜坡段淺表部物質組成主要為第四系坡積、崩積物，下覆基巖全風化、強風化、弱風化砂、泥巖。通過現場鉆探取樣并進行室內巖土體物理力學性質試驗，獲取計算所需的參數，同時類比相關工程巖土體的參數取值[9-11]，剔除異常值，綜合分析選取了穩定性計算所需參數，見表1。

表1 DK188+100～DK188+850段穩定性計算參數

4.3 計算結果及分析

將各剖面建立的穩定性計算概化模型導入到SLOPE/W模塊中，并將上述確定的穩定性計算參數賦予到計算模型中的各項材料，各剖面中潛在剪出口在各工況下的穩定性計算結果如下。

(1)Ⅰ-Ⅰ′剖面

根據Ⅰ-Ⅰ′剖面可能的剪出口位置，相關穩定性計算模型見圖7～圖9，計算的穩定性系數見表2。

圖7 Ⅰ-Ⅰ′剖面潛在剪出口1計算模型

圖8 Ⅰ-Ⅰ′剖面潛在剪出口2計算模型

圖9 Ⅰ-Ⅰ′剖面潛在剪出口3計算模型

表2 Ⅰ-Ⅰ′剖面穩定性計算結果

穩定性計算結果見表2，基于Ⅰ-Ⅰ′剖面各潛在剪出口，天然及暴雨工況下斜坡均處于穩定狀態，地震工況下處于欠穩定狀態。即該剖面可能的不同剪出口部位的坡體在“天然+地震”工況下，穩定性系數未達到規范要求(安全系數≥1.10)。

(2)Ⅱ-Ⅱ′剖面

根據Ⅱ-Ⅱ′剖面斜坡可能的剪出口位置，穩定性計算模型見圖10、圖11，穩定性系數計算見表3。

圖10 Ⅱ-Ⅱ′剖面潛在剪出口1計算模型

圖11 Ⅱ-Ⅱ′剖面潛在剪出口2計算模型

表3 Ⅱ-Ⅱ′剖面穩定性計算結果

由表3可知，基于Ⅱ-Ⅱ′剖面各潛在剪出口在斜坡天然工況及暴雨工況均處于穩定狀態；地震工況處于基本穩定狀態。即各潛在可能剪出口在地震工況下的穩定性系數未達到規范要求的安全系數控制標準。

(3)Ⅲ-Ⅲ′剖面

根據斜坡Ⅲ-Ⅲ′剖面可能的剪出位置，相關穩定性計算模型見圖12～圖14，計算的穩定性系數見表4。

圖12 Ⅲ-Ⅲ′剖面潛在剪出口1計算模型

圖13 Ⅲ-Ⅲ′剖面潛在剪出口2計算模型

圖14 Ⅲ-Ⅲ′剖面潛在剪出口3計算模型

由表4可知，基于Ⅲ-Ⅲ′剖面各潛在剪出口在天然工況總體處于穩定狀態，暴雨工況總體處于基本穩定狀態，地震工況以不穩定狀態為主。總體而言，在上述3種工況下，該剖面對可能潛在的剪出口的穩定性系數均不能滿足規范要求。

表4 Ⅲ-Ⅲ′剖面穩定性計算結果

剖面計算結果表明，天然條件下斜坡穩定性較好，天然及暴雨工況下部分剖面的穩定性不能滿足規范規定的安全系數控制標準，而在地震工況下的穩定性均未達到規范要求[12]。此外，鑒于區域地形地貌限制，并綜合考慮投入成本及后期運營，為保障擬建鐵路及既有米軌鐵路的安全，建議擬建線路盡量靠近山體，使隧道位于弱風化巖體中。

4.4 穩定性評價

現場調查表明，研究段斜坡不良地質體總體不發育，僅斜坡前緣受早期修建鐵路人工開挖的影響，在米軌鐵路兩側發育小規模的危巖帶及局部滑塌。依據GB50330—2013《建筑邊坡工程技術規范》，對斜坡體各段落穩定性評價如下[13]。

DK188附近邊坡部位發育有小規模危巖體，在暴雨等作用下，有可能產生小規模滑移式的崩塌，對鐵路正常運營威脅不大。

DK187+150附近發育有H1小規模滑坡，在強降雨作用下，滑坡后緣的堆積物可能再次滑動，對前緣米軌鐵路的正常運行造成威脅。

DK187+000～DK187+500段斜坡前緣左側沖溝部位發育有H2滑坡，滑動方向與鐵路走向近于平行。現場調查表明，滑坡未見有明顯變形跡象，現狀穩定性好[14]。

DK188+100～DK188+850段發育有H3、H4滑塌，盡管現場未見滑坡有明顯的變形跡象，但在降雨作用下坡體存在發生淺表層塌滑的可能，對前緣的鐵路安全運行影響不大。

5 防治措施及建議

5.1 防治措施

研究段斜坡整體處于穩定狀態，不良地質體總體不發育，僅斜坡前緣受早期修建鐵路人工開挖的影響，在米軌鐵路兩側發育有小規模的危巖及局部滑塌。針對這些變形破壞特征，提出如下防治措施。

(1)對DK188附近發育的小規模危巖體，采用局部清危，然后進行坡面掛網、護坡或下部設攔石墻[15]。

(2)DK187+150附近的H1塌滑體對米軌鐵路的正常運營存在一定威脅，建議對其支擋、護坡措施進行加強。

(3)DK188+100～DK188+850段附近的H3、H4滑塌體對前緣的米軌鐵路安全運營的總體影響不大，可增加適當的護坡工程。

5.2 設計建議

Ⅰ-Ⅰ′剖面部位隧道總體位于弱風化巖體中，但其頂板弱風化巖體厚度小于20 m，外側強全風化砂、泥巖完整性差、巖體破碎；Ⅱ-Ⅱ′剖面部位，擬規劃的高速鐵路大部分位于第四系堆積物中，隧道底部位于強-全風化的巖體中，隧道埋深約18 m，成洞條件差，對斜坡的穩定性影響較大。Ⅲ-Ⅲ′剖面部位，隧道已出山體，主要以開挖路基的形式通過，路基的開挖將直接影響斜坡穩定性。根據分析，在極端條件下斜坡物質可能會產生局部或整體性失穩破壞，對隧道、橋梁以及行車安全將產生巨大影響[16]。總體而言，重點研究段斜坡巖體的成洞條件差、各部位坡體在地震條件下的穩定性系數不能滿足規范要求，部分剖面在天然以及暴雨條件下亦不能滿足規范要求。因此，綜合考慮斜坡坡體結構、成洞條件以及堆積體的穩定性，建議研究斜坡段擬建線路盡量靠近山體，使整個線路位于弱風化巖體中。

6 結論

(1)斜坡坡面主要為第四系堆積物，以及崩塌堆積形成的厚度不等的崩坡積層。

(2)DK186+800～DK187+500段斜坡防治工程等級為Ⅱ級，可認為研究區斜坡段整體處于穩定狀態。

(3)剖面計算結果表明，評估斜坡在天然條件下，其穩定性較好，但在地震或暴雨工況下的穩定性不滿足，規范規定的安全系數控制標準，為保障擬建高鐵及已有米軌鐵路的安全運營，需采取相應處置措施，并將擬建高鐵線路盡量靠近山體，使隧道位于弱風化巖體中。