某隧道進口邊坡治理效果評價

郭代泉 李亨

摘要：某鐵路隧道進口邊坡因連日降雨發生滑塌，經現場調查發現邊坡地質條件較差，節理裂隙發育，巖體破碎。文章基于赤平投影分析方法，計算表明邊坡在自然狀態下處于不穩定狀態，與現場調查情況一致。為治理邊坡，采用了預應力錨索（桿）框架的加固措施，并基于FLAC3D有限元數值模擬軟件的計算結果，定性評價了邊坡治理的效果。結果表明：治理后的邊坡剪應力下降67.9 %，水平位移下降89.4 %，穩定性系數從0.7提高至1.8，治理后的邊坡處于穩定狀態，預應力錨索（桿）框架起到了很好的治理效果。

[作者簡介]郭代泉（1989—），男，本科，工程師，主要從事巖土工程施工管理工作。

因連日降雨，導致某隧道進口邊坡出現滑塌，滑塌體主要物質為碎石類土，黏土含量較大，滑塌體長30 m，寬約20 m，厚2～5 m。補充調查發現除既有滑塌體外，還形成一前緣寬約95 m，后緣寬約155 m，高約50 m，厚約10 m的突出巖體，其兩側因受雨水侵襲、物理風化作用等影響，均出現不同程度的新鮮剝落面。邊坡在基巖裂隙水浸潤、物理化學風化作用、巖體自重等的影響下，有向下發展的趨勢，致使該突出巖體在外力作用下存在失穩風險，對施工、運營存在安全隱患。鑒于此，需要對隧道進口范圍內的邊坡采取加固措施。隧道進口坡面陡峭，需按一定角度沿基巖面清除隧道洞口上方的危巖，清除隧道洞口下方一定范圍內的坡面堆積體，對清除后的坡面設置錨索（桿）框架梁進行防護。通過數值模擬軟件計算邊坡治理前后應力位移的變化以及穩定性[1]，定量評價邊坡治理的效果[5-8]，經施工、運營驗證，技術參數安全可靠。

1 地質概況

1.1 工程地質條件

隧道進口邊坡位于安康市早陽鄉神灘河右岸，屬秦嶺南麓低山區，自然坡度40～60°，屬“V”型侵蝕谷，西北走向，局部山體直立，坡面高陡，相對高差約190 m，邊坡全景見圖1。邊坡卸荷節理、裂隙發育，山頂平坦處大多辟為耕地，植被茂密。地層巖性主要為第四系坡積碎石類土、志留系下統片巖、石英巖及碎裂巖。地下水主要為基巖裂隙水，分布具有不均一性，主要賦存于片巖斷層帶、片巖及石英巖接觸帶、片巖裂隙中，區內降雨量較多，地下水接受大氣降水的季節性補給，補給條件較好。

1.2 隧道進口邊坡地質特征

邊坡坡底高程238～320 m段地表為第四系坡積碎石類土，其余地段基巖裸露，為志留系石英巖。經綜合分析，將該段斜坡按高程分成3個區域進行評價，分別為Ⅰ區：坡底238～320 m基巖陡坎底面;Ⅱ區：320 m基巖陡坎底面～360 m基巖陡坎頂面;Ⅲ區：360 m基巖陡坎頂面～坡頂，邊坡地質縱斷面見圖2。

I區主要為第四系坡積粗（細）角礫土、碎石土，黏土含量較高，透水性好，雨水、地表水極易下滲;下伏基巖為石英片巖，順坡向片理、節理發育，目前處于基本穩定狀態。II區為隧道洞頂上部基巖陡坎，巖性為石英巖，巖層產狀N54°W/69°N，主要發育3組節理，形成了寬約95 m，高約50 m，厚約10 m的突出巖體，在雨水浸潤、物理化學風化作用、巖體自重、施工爆破、人為擾動等的影響下，穩定性較差。III區坡面危巖、落石發育，尤其是在風化剝蝕、順坡向節理影響下，巖體切割成塊狀，易與母巖脫離滾落（圖2）。

2 赤平投影分析

巖質邊坡的穩定性主要受巖體中的結構面控制，各組結構面將臨空的邊坡巖體切割成滑塌體，在重力的作用下，這些滑塌體會順著結構面產生滑移失穩破壞。所以通過研究結構面在三維空間中的組合關系、位置、結構面的力學參數等，可以評價邊坡的穩定性和研究其破壞形式[3]。

2.1 結構面參數

隧道進口邊坡主要巖性為石英巖，內摩擦角35°，坡向53°，坡度55°，巖層產狀36°∠69°，發育兩組結構面，J1：28°∠80°，J2：186°∠68°，隧道洞頂上方陡坎結構面見圖3。

2.2 穩定性計算

邊坡穩定性分析如圖4所示，邊坡滑塌體穩定系數計算見表1。層面和兩組節理面相互切割，坡面穿過單滑面1、2、3，雙滑面12、13、23的滑塌形式是在邊坡臨空面出露的滑塌體。從穩定性系數分析得知，雙滑面12、13、23的穩定性系數K值均小于1，自然狀態下不穩定，有產生滑動的可能，需要采取相應的工程措施。

3 邊坡治理方案

3.1 預應力錨索框架

預應力錨索框架是一種廣泛應用于加固邊坡、整治鐵路和公路滑坡的新型支擋結構。它將框架、錨索和巖土體結合成一個整體，充分利用了巖土體的強度，形成支擋結構，結構輕便，成本低，且與其他的支擋結構易于組合使用，對地形和變形部位的要求很低，設置位置靈活，能有效改變邊坡受力狀態，相比其它支擋結構而言，邊坡的開挖量較小，開挖高度較低，有效減小了對自然的破壞。

3.2 錨索設計

采用預應力錨索治理邊坡時，錨索提供的作用力主要有沿滑動面產生的抗滑力，在滑動面產生的法向阻力。對巖質邊坡，設計錨固力Pt：

式中：γQ為荷載分項系數，可取1.30; sx和sy分別為錨索水平間距和垂直間距，設計錨索sx取3 m，sy取4 m;β為滑動面與水平面的夾角，為50°;ehk為側向巖土壓力水平分力標準值。

式中：Eh為危巖體的水平推力，根據數值計算結果取1.15 MPa;H為危巖體的上端到下端的垂直距離，根據現場調查結果H取45.44 m。

經計算，ehk=28.035 kPa，Pt=0.68 kN。

根據每孔錨索計算得到的設計錨固力Pt，計算整治每延米邊坡所需錨索鋼絞線的根數n：

式中：Pu為極限張拉荷載，取280 kN;安全系數FS1取2。經計算，n=4.86根，為了安全起見，錨索鋼絞線取5根。

設計采用錨索鉆孔直徑dh=0.15 m，單根鋼絞線直徑d=0.0 152 m;注漿材料采用M40水泥砂漿，錨索張拉鋼材與水泥砂漿的極限粘結力τu=2 400 kPa;錨孔壁對砂漿的極限剪切應力τ=550 kPa。取永久性錨固體設計安全系數FS2=3。

（1）按水泥砂漿與錨索張拉鋼材粘結強度計算錨固段長度：

（2）按錨固體與孔壁的抗剪強度確定錨固段長度：

錨索的錨固體長度采用兩者中最大值7.72 m，為安全起見，取8 m。錨索總長度=錨固段長度+自由段長度+張拉段長度，自由段長度根據工程實際情況進行取值。

治理方案局部布置圖見圖5。

4 邊坡治理效果的有限元評價

4.1 計算工況選取

通過FLAC3D數值計算軟件[5]分別模擬自然狀態下隧道進口邊坡在治理前和治理后的穩定性。

4.2 計算模型選取

采用XDK231+778.74-XDK231+960.26里程范圍內邊坡斷面作為計算模型，最高點的高程為412.86 m，隧道進口洞頂處高程為300.33 m。

4.3 計算參數選取

該邊坡為單一的均勻連續的巖質邊坡，主要巖性為志留系石英巖，計算參數見表2。

4.4 計算結果

治理前后邊坡數值模擬計算結果對比如圖6、圖7所示。

（1）邊坡治理前后剪應力對比圖見圖6。

應力分析：在天然狀態下，巖土體由于只受自身重力的影響，故應力分布滿足自重應力下的分布特征，即豎向應力隨著邊坡埋深的增加而增大越接近坡面水平應力越小，故邊坡在治理前后水平應力與豎向應力變化比較小。由圖6可以看出，治理前，邊坡隧道進口上方剪應力為14 kPa，治理后該位置處剪應力有所降低，降低至4.5 kPa，降低67.9 %。

（2）邊坡治理前后水平位移對比見圖7。

位移分析：圖7表明治理前后，邊坡最大水平位移出現在隧道進口上方60.64 m處（高程360.97 m）。治理前最大水平位移為0.18 m，治理后最大水平位移為0.019 m，降低89.4 %。

穩定性計算表明，治理前邊坡穩定性系數為0.7，邊坡處于不穩定狀態;治理后邊坡穩定性系數為1.8，邊坡處于穩定狀態。

綜合應力、位移以及穩定性系數結果，預應力錨索（桿）框架治理方案對邊坡的加固起到了很大的作用，治理效果明顯。經施工、運營驗證，技術參數安全可靠。

5 結論

（1）通過現場調查發現，隧道進口邊坡順坡向節理發育，邊坡表面存在1～4 m厚的風化層，陡坎節理裂隙發育，巖石破碎，應力重分布嚴重，邊坡穩定性較差。

（2）赤平投影結果表明，隧道進口邊坡中部臨空面在治理前穩定性系數小于1，故邊坡處于不穩定狀態，有發生失穩破壞的可能，需要采取相應的工程措施。

（3）采用預應力錨索治理邊坡時，經計算，為安全起見錨索的錨固體長度取8 m，自由段長度根據工程實際情況進行取值。

（4）對治理前后的邊坡進行數值模擬，結果表明，邊坡隧道進口上方治理前剪應力為14 kPa，治理后該位置處剪應力有所降低，降低至4.5 kPa，降低67.9 %，;治理前該位置最大水平位移為0.18 m，治理后為0.019 m，降低89.4 %。邊坡穩定性系數從0.7提高到1.8，預應力錨索框架起到了很好的加固治理效果。

（5）經施工、運營驗證，技術參數、方案安全可靠。

參考文獻

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