高尾頂隧道進(jìn)口滑坡分析

王勇剛

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

滑坡是山嶺隧道所遇到的最主要的不良地質(zhì)問題之一，特別是對隧道的進(jìn)出口影響更為巨大。由于滑坡具有突發(fā)性及危害大的特點，一般情況下，線路應(yīng)繞避穩(wěn)定性差的巨型、大型滑坡體，實在不易繞避或繞避不經(jīng)濟(jì)時，應(yīng)先治理滑坡，然后再進(jìn)行工程建設(shè)。

華南某鐵路高尾頂隧道位于廣東省境內(nèi)，屬剝蝕丘陵地貌，全長約5 320 m，埋深最大處約260 m，線路走向約為156°。隧道區(qū)屬亞熱帶海洋性氣候，雨量充沛。

1 工程地質(zhì)條件

隧址區(qū)丘坡表層多覆蓋第四系殘坡積黏土、粉質(zhì)黏土，洞身穿過地層為寒武系八村群砂巖與頁巖互層。總體構(gòu)造形跡以斷層為主、褶皺次之，區(qū)域性的大褶皺古水向斜表現(xiàn)為緩傾角巖層的單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀大致為315°∠27°。巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，通過對測區(qū)內(nèi)巖層中的原生節(jié)理裂隙進(jìn)行了分類統(tǒng)計，優(yōu)選出各巖組中基本優(yōu)勢節(jié)理的主要發(fā)育方向為 NW、NNW、NE向，構(gòu)造部位節(jié)理十分發(fā)育，多為壓～壓扭性裂隙。

地下水主要為基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水，補給源主要為大氣降水，通過基巖風(fēng)化裂隙徑流和排泄。

2 隧道進(jìn)口滑坡概況

隧道進(jìn)口處發(fā)育一大型滑坡，并伴隨有次一級小型滑坡體。滑坡體總體呈扁平狀，范圍為線路左側(cè)約190 m至右側(cè)約50 m，沿線路方向長約為200 m，滑坡體周界大致沿山頂及沖溝分布，滑坡壁表層風(fēng)化為土狀。滑坡體上部陡坡近乎直立，可見一級平臺，寬約8～10 m，位于滑坡體中前部附近有沖溝發(fā)育，下部局部隆起，滑坡體所處的地形圖如圖1所示。

通過現(xiàn)場測繪，得出滑坡主軸為正南北向。為查明滑坡體的滑動面，分別在滑坡主軸和沿線路方向布置鉆孔。鉆孔揭示，高尾頂隧道地層結(jié)構(gòu)由表及里大致可分為如下3層:①硬塑狀粉質(zhì)黏土，淺黃色，褐黃色，含約20%左右的碎石、角礫，碎石、角礫主要成份為砂巖，厚度約為3.5～14.5 m。②全風(fēng)化粉砂巖，灰綠色，灰黃色，粉砂狀結(jié)構(gòu)，巖芯呈砂土狀，手捏易散，厚度約為4～20 m。③強～弱風(fēng)化粉砂巖，褐黃色，粉砂狀結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造。據(jù)鉆孔揭示的資料，高尾頂隧道進(jìn)口滑坡滑動面位于全風(fēng)化粉砂巖內(nèi)，存在上下兩層滑動面，分別位于地表以下8～10 m處與18～20 m處，滑動帶厚度約為0.30～0.45 m，巖芯較軟、較濕，含30%左右的角礫，角礫成分以砂巖為主，呈次棱角狀，粒徑一般約為0.5～2.0 cm，最大的約為4.0 cm，分布不均。滑坡體沿線路方向的剖面如圖2所示。

3 隧道進(jìn)口滑坡分析

鑒于試驗條件的限制，未能進(jìn)行室內(nèi)或野外滑動面重合剪切試驗。本文采用大變形彈塑性接觸算法的有限元模型對高尾頂隧道進(jìn)口的滑坡進(jìn)行模擬分析。

3.1 彈塑性接觸算法有限元概述

有限元法是以分割近似原理為基礎(chǔ)，將連續(xù)體轉(zhuǎn)化為有限個單元的集合體，然后確定單元的位移模式，根據(jù)單元的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系建立單元的剛度矩陣，通過對單元剛度矩陣的集成，建立整體的剛度矩陣，最后在一定的邊界條件下求解出問題的近似解答。

圖1 滑坡地形

圖2 滑坡沿線路方向縱剖面

由于巖土體材料的非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，在采用彈塑接觸算法有限元分析滑坡穩(wěn)定性時，一般對土及巖石的屈服形式均采用Drucker-Prager彈塑性模型。對于目前狀態(tài)下處于未動狀態(tài)的滑坡，只有采用不分離狀態(tài)的接觸算法，才能比較準(zhǔn)確地評價滑坡的穩(wěn)定性。

3.2 分析模型的建立

考慮到計算精度及滑坡之外的山體對滑坡本身的穩(wěn)定性影響不是太大，在平面圖上選擇滑坡區(qū)范圍內(nèi)220 m×250 m，由于滑坡體沿滑面延伸深度較大，模型底面取在高程為30 m處。

為簡化計算，考慮到滑坡體只存在沿滑面滑動的可能性，按滑面的位置將滑坡體分為滑坡體、滑動帶及滑床三部分。鑒于三維8節(jié)點等參單元良好的適應(yīng)性，本文對滑動帶上下的滑坡體及滑床均采用三維8節(jié)點等參單元，滑動帶采用接觸單元進(jìn)行模似，在對計算結(jié)果有較大影響的區(qū)域，采用較高的網(wǎng)格密度，在滑動帶附近進(jìn)行網(wǎng)格加密，在滑坡區(qū)外采用相對較低的網(wǎng)格密度，這樣，既可以保證計算結(jié)構(gòu)的精度，又可以節(jié)約計算成本。滑坡體立面的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

根據(jù)現(xiàn)場的試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計資料，按表1的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行分析。

圖3 滑坡體有限元網(wǎng)格劃分

表1 滑坡各部分物理力學(xué)參數(shù)

在對滑坡進(jìn)行穩(wěn)定分析中，滑動面參數(shù)的選擇至關(guān)重要，而滑動面的參數(shù)與其含水程度是密切相關(guān)的，根據(jù)鉆探揭示的巖芯，滑動面處的巖芯呈軟塑狀，由于滑坡體上面已產(chǎn)生裂縫，地表降水將可能沿滑動面下滲，降低滑動面的抗剪強度，從而降低滑坡的穩(wěn)定性。廣東地區(qū)屬于降雨多發(fā)地帶，選擇降雨最頻繁的7、8月份時取得的滑動面抗剪強度，應(yīng)能滿足工程安全度的需要。根據(jù)鉆孔內(nèi)取到的滑動面附近的原狀土樣進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)試驗，得出滑坡帶軟塑狀黏性土的指標(biāo)為天然含水量 ω=32.7%，天然密度 ρ=1.81 g/cm3，顆粒密度 ρs=2.7 g/cm3，天然孔隙比 e=0.98，液限 ωL=33.7%，塑限 ωP=23.3%，塑性指數(shù) IL=10.4%，液性指數(shù) IP=0.9，黏聚力 c=10.53 kPa，內(nèi)摩擦角φ=15.9°。但是采用反演分析法按折線方式對滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析時，鑒于滑坡體上部已出現(xiàn)裂縫，反算抗剪強度指標(biāo)時，穩(wěn)定安全系數(shù)K取為0.95，反算可得出滑動帶抗剪強度指標(biāo)為 c=10 kPa，φ=16.5°。綜合兩種方法得到的滑動帶的指標(biāo)參數(shù)，取抗剪強度指標(biāo)為 c=10 kPa，φ=16.5°。

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)上述三維有限元模型進(jìn)行分析，最大推力發(fā)生在離坡腳約80 m的滑面A處，其方向沿滑面切線方向向下，在此處的滑坡最大推力約為11 777 kN/m，A處至坡腳段抗滑力較下滑力為大，至坡腳處推力約為5 496 kN/m。由此可得出結(jié)論，高尾頂進(jìn)口滑坡治理難度非常大，線路予以繞避。

4 結(jié)論

本文主要利用有限元方法對高尾頂隧道進(jìn)口的滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，對于滑坡穩(wěn)定狀態(tài)的模擬分析，其最主要的問題是滑動面參數(shù)的確定，其次是計算單元的選擇與網(wǎng)格疏密程度的劃分。而滑動面參數(shù)是與現(xiàn)場各種復(fù)雜的環(huán)境因素有關(guān)，比如滑動面的含水量等。巖土參數(shù)的選擇是決定計算結(jié)果與實際情況是否相近的關(guān)鍵因素。

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