貴陽地鐵2號線馬王廟站北側(cè)邊坡危巖穩(wěn)定性及失穩(wěn)特征研究

賀建軍 張羽軍

(中鐵二院工程集團有限責任公司，610031，成都∥第一作者，工程師)

危巖落石是山區(qū)鐵路、公路及城市軌道交通等工程面臨的不良地質(zhì)問題中較為突出的一類。

當下對于危巖落石的研究主要分為3個方向。一是針對穩(wěn)定性、失穩(wěn)模式、運動軌跡、沖擊能量等危巖體本身特征的研究，如：文獻[1-3]針對其進行了基于運動力學的研究，文獻[4-7]對危巖的危險性、沖擊能量、運動路徑進行了模型試驗及理論分析。二是針對危巖體的特征，對危巖體失穩(wěn)概率及造成危害等建立評價系統(tǒng)，如：加拿大等國的政府性評價體系[8-10]，文獻[11-12]等對危巖落石區(qū)段預測及綜合預測提出了方法，文獻[13]對隧道洞口的危巖落石沖擊風險進行了研究。三是針對危巖落石對具體工程的影響進行理論計算及數(shù)值模擬等分析評價研究，并建議相關(guān)的防護措施，如：文獻[14-19]針對成貴鐵路所面臨的危巖落石問題進行了數(shù)值模擬研究并提出了相應(yīng)的治理措施。

本文針對貴陽地鐵2號線馬王廟站北側(cè)采石場邊坡(以下稱為“馬王廟邊坡”)遺留的危巖落石問題，在高精度勘察試驗資料的基礎(chǔ)上，采用多種方法對馬王廟站邊坡危巖落石進行研究計算并綜合分析評價對工程的影響，以為類似工程危巖落石的分析、研究、計算提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

貴陽地鐵2號線馬王廟站北側(cè)40～100 m處為人工采石場，形成了高度近60 m的高邊坡，邊坡自然坡度為32°～55°。坡面處分布大量的落石，邊坡頂部分布危巖，邊坡下方為擬建馬王廟地鐵車站。該工程區(qū)屬中低山溶丘地貌，現(xiàn)狀為一孤丘，多分布低矮灌木。巖性為三疊系中統(tǒng)松子坎組(T2s)泥質(zhì)白云巖夾泥巖地層(地貌見圖1)。

圖1 工程區(qū)地貌示意圖

馬王廟邊坡處的巖層產(chǎn)狀變化較大，其產(chǎn)狀為N25°～49°W/32～40°SW。構(gòu)造裂隙較為發(fā)育，優(yōu)勢裂隙主要發(fā)育以下2組：

L1:長0.3～2.0 m，寬1～5 cm，裂隙面平直，產(chǎn)狀為N41°～75°E/70～80°NW；

L2:長0.5～3.0 m，寬10～30 cm，裂隙面平直，產(chǎn)狀為N65°～75°W/45～90°NE。

1.2 危巖特征及成因分析

馬王廟邊坡高近60 m，頂部近似直立。巖性為泥質(zhì)白云巖夾泥巖，巖體性脆，層面外傾，張開型節(jié)理裂隙發(fā)育，易與層面形成不利結(jié)構(gòu)面組合，切割巖體。加上降雨與人工采石場開挖爆破等因素，故巖體產(chǎn)生大量裂縫、高陡臨空面等，極易發(fā)生危巖崩塌。

危巖近似呈南北向圓弧狀分布，長約120 m，寬18～62 m。危巖體規(guī)模約1.4萬m3。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查及危巖特征，將危巖范圍分為2個區(qū)(見圖2)。

圖2 馬王廟邊坡危巖落石分布示意圖

危巖Ⅰ區(qū)：分布于高程1 242～1 270 m區(qū)段(編號W5～W13)。該區(qū)危巖體多呈不規(guī)則狀；巖體多呈臨空狀，被多組節(jié)理裂隙切割，易發(fā)生滑移破壞。

危巖Ⅱ區(qū)：分布于高程1 270～1 303 m區(qū)段(編號W1～W4、W14)，邊坡陡直。在層理、節(jié)理及卸荷裂隙的組合下，該區(qū)巖體被切割，易發(fā)生滑移破壞。

2 穩(wěn)定性分析

2.1 穩(wěn)定性初步分析結(jié)果

使用極射赤平投影法對危巖體邊坡的穩(wěn)定性進行初步定性分析，如圖3所示。

如圖3 a)所示，危巖Ⅰ區(qū)(高程為1 242～1 270 m，斜坡)：L1與邊坡面走向交角大于40°，為基本穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；L2與邊坡面走向基本相反，屬穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；層面與邊坡面走向相近，當坡面傾角大于層面時，屬不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；L1與L2結(jié)構(gòu)面交點與坡面在同一側(cè)，且位于投影弧內(nèi)側(cè)，屬穩(wěn)定條件；L1與層面、L2與層面組合交點局部可能落于坡面投影弧之間，且前端局部臨空，構(gòu)成不穩(wěn)定條件。

如圖3 b)所示，危巖Ⅱ區(qū)(高程為1 270～1 283 m，陡壁)：L1與邊坡面走向交角大于40°，為基本穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；L2與邊坡面走向基本相反，屬穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；層面與邊坡面走向相近，坡面傾角大于層面時，屬不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；L1與L2結(jié)構(gòu)面交點與坡面在同一側(cè)，且位于投影弧內(nèi)側(cè)，屬穩(wěn)定條件；L1與層面、L2與層面組合交點位于坡面投影弧之間，構(gòu)成不穩(wěn)定條件。

a)危巖Ⅰ區(qū)

綜上所述，危巖Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)均存在不利于穩(wěn)定的節(jié)理裂隙或節(jié)理裂隙組合。

2.2 穩(wěn)定性定量分析

根據(jù)地表調(diào)查訪問結(jié)果，邊坡及危巖體在目前自然工況下均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。但危巖體的穩(wěn)定性受多種因素制約，其計算涉及較多參數(shù)和復雜的邊界條件，為了深刻認識區(qū)內(nèi)危巖的穩(wěn)定性，滿足危巖整治的需要，本文采用靜力解析法對典型危巖崩塌體進行穩(wěn)定性計算。

2.2.1 穩(wěn)定性計算模型及公式

計算危巖穩(wěn)定性時，結(jié)合危巖的失穩(wěn)破壞方式選取合理的計算模型，本次研究區(qū)危巖屬滑移式危巖破壞，參照《滑坡防治工程勘查規(guī)范》[20]中相關(guān)公式分析計算，公式如下：

(1)

(2)

Q=ξW

(3)

式中：

F——危巖穩(wěn)定性系數(shù)；

W——危巖體重度，取26.0 kN/m3；

Q——地震力，kN/m；

ξ——地震水平作用系數(shù)，取0.05；

C——后緣裂隙黏聚力標準值；

φ——后緣裂隙內(nèi)摩擦角標準值，當裂隙未貫通，取貫通段和未貫通段內(nèi)摩擦角標準值按長度加權(quán)和加權(quán)平均值，未貫通段內(nèi)摩擦角標準值取巖石內(nèi)摩擦角標準值的0. 95 倍[17]；

θ——結(jié)構(gòu)面傾角(外傾取正，內(nèi)傾取負)；

l——危巖結(jié)構(gòu)面長度；

V——后緣裂隙水壓力；

hw——裂隙充水高度，取裂隙深度的1/2；

γw——水的重度，取10 kN/m3。

2.2.2 計算工況

由于天然狀態(tài)下危巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)，故選取暴雨狀態(tài)下工況進行計算，考慮飽和自重及裂隙水壓力的影響。

2.2.3 計算參數(shù)選取及計算結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場測繪所得各危巖體及結(jié)構(gòu)面的形狀參數(shù)，以及相關(guān)試驗結(jié)果，穩(wěn)定性計算參數(shù)的選取如表1所示。

表1 穩(wěn)定性計算參數(shù)表

2.2.4 穩(wěn)定性計算結(jié)果

危巖體穩(wěn)定程度劃分標準如表2所示。暴雨工況下的危巖體穩(wěn)定性系數(shù)及穩(wěn)定性評價結(jié)果如表3所示。由表3可知，W1～W4滑移式危巖體在極端暴雨情況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，具有較大失穩(wěn)風險。

表2 危巖穩(wěn)定程度劃分

表3 暴雨工況下危巖體穩(wěn)定系數(shù)及穩(wěn)定性評價

3 運動特征深度的數(shù)值模擬分析

為了更有針對性地分析馬王廟邊坡危巖落石失穩(wěn)情況及落石失穩(wěn)后的運動軌跡特征，本文使用Rockfall軟件進行數(shù)值模擬計算分析。

3.1 模擬原理

Rockfall軟件是在落石運動模擬分析中使用較為廣泛的數(shù)值模擬軟件。針對設(shè)定的邊坡參數(shù)、落石參數(shù)，可模擬落石在邊坡上的運動軌跡、能量、彈跳高度和最大運動距離[21]，還可直觀地展示落石失穩(wěn)后對工程的影響，以作為設(shè)計防護的有力參考。

3.2 計算參數(shù)選取及計算結(jié)果

選取馬王廟邊坡最具代表性斷面進行模擬計算。根據(jù)邊坡的實際情況，將計算剖面分為6段，并分別賦予與實際情況相應(yīng)的計算參數(shù)。參數(shù)依據(jù)Rockfall軟件建議值及TB 10035—2018《鐵路特殊路基設(shè)計規(guī)范》[22]選取(見表4)。經(jīng)過100次的數(shù)值模擬計算后，得到計算成果圖如圖4及圖5所示。

圖4 落石運動軌跡模擬圖

圖5 落石水平運動距離分布圖

表4 落石模擬計算參數(shù)

3.3 結(jié)果分析

從Rockfall數(shù)值模擬結(jié)果(見表5)可以看出：在模擬次數(shù)為100的情況下，馬王廟邊坡落石失穩(wěn)后沿坡面滾動的水平距離具有高度的集中性，其最后主要集中停留在斷面E-F段(坡腳下緩坡段)，距離地鐵車站及附屬結(jié)構(gòu)約15～25 m。

表5 危巖失穩(wěn)模擬計算結(jié)果

4 落石的影響與防治措施

4.1 落石的影響

馬王廟站主體結(jié)構(gòu)位于危巖區(qū)南東側(cè)(見圖6)，呈北西-南東向展布。臨近危巖區(qū)的主要結(jié)構(gòu)為2號風亭新風井及排風井，屬于車站附屬結(jié)構(gòu)。風亭距離危巖區(qū)坡腳約40 m。

圖6 危巖區(qū)與工程位置關(guān)系圖

根據(jù)模擬結(jié)果，落石沿坡面滾落至坡腳后最大剩余平動距離約為20 m。按危巖落石最遠平動距離，落石雖未能觸及地鐵車站及附屬結(jié)構(gòu)，但僅有約20 m的距離，在極端情況下可能會更接近地鐵設(shè)施，也可能對地鐵產(chǎn)生撞擊、掩埋等破壞影響，具有一定威脅，故應(yīng)采取防護措施。

4.2 防治措施

鑒于馬王廟邊坡危巖在極端暴雨工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，且失穩(wěn)后危巖落石體對地鐵及附屬結(jié)構(gòu)有一定影響，建議采取以下防治措施：

1)對高程為1 242～1 270 m斜坡表層危石塊進行清除；

2)對高程為1 270 m以上體積較大的危巖體進行清除處理；

3)在1 242 m平臺，落石運動軌跡末端設(shè)置被動攔石網(wǎng)、防撞樁板墻或滾石槽；

4)對尚未貫通且規(guī)模較大的卸荷裂隙、溶蝕裂隙進行封閉處理，定期監(jiān)測陡崖的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

本文通過成因分析、赤平投影、靜力分析、數(shù)值模擬等手段對馬王廟邊坡進行了較為全面多樣的分析，得出以下結(jié)論：

1)馬王廟邊坡危巖落石形成原因主要為人工開挖、結(jié)構(gòu)面切割及雨水侵蝕等；

2)根據(jù)極射赤平投影法的初步分析結(jié)果，高程為1 242～1 270 m的斜坡及高程為1 270～1 283 m的陡壁均存在不利于穩(wěn)定的節(jié)理裂隙或節(jié)理裂隙組合；

3)根據(jù)靜力計算結(jié)果，在極端暴雨的工況下，危巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，失穩(wěn)可能性較大；

4)根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果，危巖體失穩(wěn)后最大水平運動距離可達76.6 m，離地鐵及附屬結(jié)構(gòu)較近，僅有20 m左右的距離；

5)為保證結(jié)構(gòu)安全，建議對馬王廟邊坡危巖落石體采取清除及設(shè)立攔石網(wǎng)、防撞墻、滾石槽等措施進行防護。