虹梯關隧道進口W1危巖體穩定性及運動形式分析
2010-12-31 00:00:00張國紅
中華建設科技 2010年12期
【摘 要】本文在闡明虹梯關隧道進口處W1危巖體［1］工程地質條件的基礎上，采用赤平極射投影等方法分析危巖體穩定性，并進一步根據W1-1危巖體崩落后的落石運動規跡確定其影響范圍，提出合理的防治建議。
【關鍵詞】危巖體；卸荷裂隙；穩定性；運動軌跡
The Hong steps pass tunnel import the W1 Wei rock body stability and sport form analysis
Zhang Guo-hong
(Shanxi province three geology engineerings Jinzhong Shanxi 030620)
【Abstract】This text in clarifying Hong steps pass tunnel import place the W1 Wei rock body ［ 1 ］ engineering geology condition of foundation， adoption red even pole shoot to cast shadow etc. method analysis the Wei rock body stability， and further according to W 1-1 Wei rock body collapse to fall behind of rockslide sport rules vestige assurance it influence scope， put forward reasonable of prevention and cure suggestion.
【Key words】Wei rock body;Unload lotus crack Xi;Stability;Sport track
虹梯關隧道是長(治)～平(順)高速公路的主要工程之一，進口位于平順縣虹梯關鄉梯后村西南約2.5Km的虹霓河北岸岸坡（圖1），岸坡坡向120°，高402.4m，地貌上呈四級階狀，W1危巖體位于下部第一級陡壁上，陡壁高約130～140m，坡度72～80°，總體為一傾向北西的單斜構造，巖層產狀325° ∠5° 。坡腳為白母塘大橋橋基。
1. 危巖體工程地質特征
1.1 結構特征。
W1危巖體為南寬北窄、上寬下窄的板狀楔形體(圖2)，長約75m，寬50～70m；上部最厚處約34.5m，中部厚度20～25m，
下部厚度18～20m，高80～100m，總體積約2.3萬m3。下部發育一對共軛節理，產狀分別為265°∠88°和175°∠80°，密度均為2條/m。兩組節理與巖層面組合將巖體切割成大小不等的長方體、立方體和菱形塊體，危石聳立，其中最典型的W1-1危巖體長約65m，厚3～5m，寬30m，高10～30m，體積1500～2000m3，以PL2與母巖分離坡腳有一高約30m的巖柱以PL3與母巖分離。
圖1 虹梯關隧道進口W1危巖體
1.2 卸荷裂隙發育特征。
坡體上發育三組卸荷裂隙，PL1位于右洞進口的右側上方，走向20～35°，與隧道走向夾角為46°，傾向110～125°，傾角85～90°，上部呈膝折狀，上寬下窄張開狀，寬30～50cm。PL2與PL1大致平行，間距約3m，寬度50～80cm； PL3寬10～30cm，受其影響在下部相對較緩坡段形成一高約30m、底寬約8～10m的巖柱。
1.3 巖性及物理力學特征。
危巖體巖性由寒武系中統張夏組厚～巨厚層狀鮞狀灰巖、白云灰巖組成，基座為徐莊組上部的薄～中厚層狀鮞狀灰巖、白云質灰巖。巖石干抗壓強度244.8～247.9MPa，濕抗壓強度190.1～215.9MPa，粘聚力(C)24.9～33.6 MPa，內摩擦角41.7～45.1°，抗拉強度10.6～11.3MPa，密度2.76～2.77g/cm3。
2. 危巖體穩定性評價
2.1 應力場分析。
坡體處于太行山中南部山區與河南平原交接地帶，河流下切形成高陡臨空面，臨溝
一側應力解除，坡體產生回彈變形，應力將產生相應的調整，靠前緣的節理等結構面的結合力逐漸消失，在后期降雨、植被、風化、凍脹、重力等綜合外營力的破壞下逐漸形成卸荷裂隙，并進一步拉張、貫通。加之坡體下部泥頁巖等軟弱夾層易于風化剝蝕，形成巖腔，使上部硬質巖體極易失穩崩落。
2.2 赤平極射投影圖解法［2］分析。
坡體主要發育坡面、巖層面、卸荷裂隙面、共軛“X”節理面四個結構面，采用赤平極射投影法進行圖解分析(圖3)，巖坡面與巖層面呈大角度相交（夾角約67°），是穩定的安全角； PL1卸荷裂隙與坡面近平行，呈小角度相交(交角5°)，僅在坡頂有一交點，兩者近似豎向向溝底延伸， W1整體處于穩定狀態；PL2與坡面基本貫通，W1-1處于極不穩定狀態；兩組共軛“X”節理與層面、坡面組合，將巖體切割成塊狀，且底部薄層狀泥質條帶灰巖夾紫紅、灰綠色頁巖風化剝蝕強烈，致使上部危石凸出，處于懸空狀態，易墜落。
圖2W1危巖體剖面示意圖
3. 運動形式分析
從坡體結構、形態等分析W1-1危巖體會首先崩落，下落高度為100m，其失穩后運動方式首先是自由下落，隨后在相對平緩坡段以滾動或彈跳模式運動。
3.1 自由下落運動。
危巖體下落速度計算公式為： v＝ 2gh
式中：h——落石的墜落高度(m)；
g——重力加速度(m/s2)。
3.2 滾動模式運動
下部相對平緩坡段坡度為42°，長約50m，該坡段的終端滾動速度計算公式為：
Vj(i)= V02(i)+2ghi(1-Ki·cotαi)= V01(i)+ε2i·hi
式中： V0(i)——計算坡段起點的初速度，因α(i-1) αi時，則 V0(i)=Vj(i-1)；
αi——計算坡段的坡度角(°)；
αi-1——為相鄰的前一坡段的坡度角(°)；
Vj(i-1)——石塊在前一坡段終端的運動速度(m/s)。
圖3赤平極射投影圖
圖4 落石運動軌跡曲線
3.3 彈跳模式運動
落石彈跳運動形式可用質點或球體在斜坡上的運動軌跡曲線來表示(圖4)， 運動軌跡方程為：
y=gx22V20·sinβ+x·cotβ
式中：V0——為落石在坡面上的初速度(m/s)；
β——落石的反射速度方向與Y軸的夾角；
g——為重力加速度。
落石在水平方向上距斜坡的最大距離計算公式為：Lmax=V20·(tanα-cotβ)22gtanα(1+cot2β)
落石在垂直方向上距斜坡的最大距離計算公式為：Hmax=Lmax·tanα
落石第一次彈跳的最遠距離為：X0 =V20g·sin(2γ)
式中：β= 200+2α(1-α/45)3Vi
γ —— 第二次彈跳時的反射速度方向與X軸的夾角，tanγ=ρ 1-λ·tan；
ρ——為恢復系數，取0.3；
λ——為瞬間摩擦系數，取0.4；
——為第n次彈跳的入射角，用坡度角表示。
經計算： W1-1崩落后落石距斜坡的最大距離為6.5m，垂直方向上距斜坡的最大距離為5.85m，在水平方向上的最大位移量為141.8m，在隧道標高上的水平位移為62.35m，即落石可能彈跳到隧道洞門前12.45m范圍內。
4. 結論與建議
虹梯關隧道進口段W1危巖體整體基本穩定，而局部受結構面以及降水、重力等作用下會崩落，如W1-1目前不穩定，如發生崩塌，可能彈跳到隧道洞門前12.45m范圍內，威脅洞門、白母塘大橋橋臺和行車安全。為防止災害發生建議在危巖體下設置攔石(水)溝、相對平緩坡段設置被動防護網、隧道洞門上墊層和端墻加厚加強、洞門前設置柔性棚洞等工程進行防護。
參考文獻
［1］ 張國文等.長(治)平(順)高速公路虹梯關隧道進口段危巖體穩定性評價及處治方案［R］，山西省第三地質工程勘察院.2010.6
［2］ 陳群，項勃等.工程地質手冊（第二版）［M］. 北京：中國建筑工業出版社， 1982.
［文章編號］1619-2737（2010）12-25-168
［作者簡介］ 張國紅（1970-），男，山西省原平市人，工程師，一直在山西省第三地質工程勘察院從事水文、工程、環境地質工作。1991年畢業于南京地質學校水工專業，2007年完成中國地質大學（北京）資源勘察專業（本科）學業，現于中國地質大學（武漢）攻讀工程碩士。
