崗子上隧道口冰水堆積體邊坡開挖支護措施研究

高美奔，鄧 輝，涂國祥，劉云鵬

(成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川成都 610059)

在我國西南地區高速公路建設中會遇到需要開挖冰水堆積體邊坡的情況。這種邊坡具有復雜的沉積和結構特征，主要由碎塊石和土組成，具有一定程度的弱膠結，膠結物成分一般為泥質，局部呈弱鈣質膠結，受地表水及地下水影響較大。文獻［1-6］對西南地區冰水堆積體的分布、成因、沉積特征、結構特征、工程特性、形成演化歷史過程等方面展開了研究。文獻［7-8］研究了瀾滄江古水電站壩前冰水堆積體滲流及強度特性，認為冰水堆積體的透水能力較差，表現出一定程度的層流～紊流過渡狀態的特點。其抗剪強度較高，剪切破壞過程存在較明顯的應變強化和剪脹現象，其強度包絡線在低應力水平下呈直線狀，在高應力水平下呈非線性下凹形。文獻［1，7-8］在對西南山區河谷冰水堆積體長期研究過程中發現，冰水堆積體顆粒粒徑分布范圍廣，主要以巨顆粒和2～60 mm的粗顆粒為主，土體不均勻系數高，組成堆積體的物質成分復雜，且大多屬遠源物質，結構密實，少見架空現象，一般呈中密～密實狀，大多還具有一定程度的泥質或弱鈣質膠結。文獻［9］認為古水古湖形成于晚更新世早中期的末次間冰期晚期和末次冰期的早冰階與間冰階早期，很可能是大型冰川(如下游的明永冰川等)或巨量的冰水沉積物堰塞了瀾滄江河谷而造成的結果。文獻［10-12］對金沙江沿岸的部分冰水堆積體形成及演化作了較為深入的研究。

雅瀘高速公路崗子上隧道位于四川省漢源縣縣城西南約10 km的小堡鄉境內，線路進口接青杠咀特大橋，出口接宰螺河大橋。下游瀑布溝電站蓄水后，將會使得岸坡前緣約1/4冰水堆積體處于水下。若崗子上隧道進口開挖邊坡產生失穩，將致使瀑布溝水庫涌浪或淤堵，造成巨大的經濟損失。因此，研究崗子上冰水堆積體隧道進口邊坡開挖支護過程中的應力、應變特征及選擇合理的支護措施，確保邊坡穩定，對瀑布溝水庫和雅瀘高速的安全運營具有重要意義。

1 工程概況

崗子上隧道進出口緊鄰大渡河右岸展布，橫穿大渡河右岸凸岸尖頂山山脊，為雙洞分離小凈距越嶺長隧道。隧道左右洞同長，全長1 460 m，單洞雙車道，建筑限界凈寬10.25 m，凈高5.0 m。隧道最大埋深約480 m，洞軸線走向在 225°57'～ 239°51'，公路下方的大渡河正常水位在768～770 m，下游瀑布溝電站蓄水后正常水位將抬升至850 m。隧道進口古冰水堆積體邊坡傾向約40°，坡度在32°～55°，坡面呈直線狀，前緣臨空。

據地面地質調查及鉆探揭露場地內出露地層主要有上～中更新統冰積、冰水沉積層(Qgl+fgl2+3)及震旦系下統蘇雄—開建橋組(Zas-k)。

冰水堆積層根據其顆粒組成主要為碎塊石土，紫紅色、紫灰色，覆于地表或伏于含礫低液限粉土下，分布于隧道進口附近及其下部坡體山梁一帶。組成成分濕，松散～中密，泥質弱膠結，一般粒徑＞200 mm約占35% ～55%，60～200 mm約占10% ～20%，20～60 mm約占10% ～20%，2～20 mm約5% ～20%，余為砂及細粒土充填，級配較好，分選差，最大塊徑達2.9 m，呈棱角狀及少量次棱角狀、次圓狀。石質成分主要為弱風化花崗巖、流紋斑巖，其次為花崗閃長巖、安山巖等，土質不均，局部為小塊石。厚度一般約25～40 m。

邊坡出露基巖主要是震旦系下統蘇雄—開建橋組(Zas-k)，主要為暗紫紅色、紫灰色、綠灰色流紋斑巖，玻基斑狀結構，流紋斑雜狀、塊狀構造，礦物成分以鉀長石及石英為主，斑晶礦物以鉀長石、石英、酸性斜長石為主，斑晶1～10 mm，含量25% ～45%，基質為玻璃質及長英質。裂隙發育，巖體呈破碎～較完整狀，節理裂隙面見少量絹云母化蝕變礦物，表層巖體較破碎，呈塊狀及碎石狀，強風化帶厚度在0～13.2 m。

2 邊坡開挖主要問題

下游瀑布溝電站蓄水后，會使得岸坡前緣約1/4冰水堆積體處于水下。據調查，該部分冰水堆積體由碎塊石和土組成，具有一定程度的弱膠結，膠結物成分一般為泥質，局部呈弱鈣質膠結，在水的軟化作用及孔隙水壓力作用下將可能誘發隧道進口開挖邊坡產生失穩，此外由于隧道進口仰坡開挖坡度較大，導致前緣臨空側巖土體變薄，為冰水堆積體開挖邊坡下滑提供了較為有利的前緣剪出條件，存在失穩的可能。因此崗子上隧道進口冰水堆積體邊坡主要面臨兩方面問題:一是開挖邊坡穩定性問題，二是如何選取合適的開挖邊坡治理方案。

3 邊坡支護措施

根據開挖邊坡穩定性計算結果以及破壞面形態，同時考慮到隧道外接跨河大橋對邊坡變形控制的特殊要求，提出分5級放坡。放坡線下部開口線位于樁號K95+190，自下而上第1，2級坡比為1∶1.75;第3級坡比為1∶1.5;第 4，5 級(隧道仰坡)坡比為 1∶0.75。在開挖隧道進口下部，剪出口上部布設抗滑樁，并用橫梁將2排樁頂部連接，以提高支擋結構物整體剛度。其中，坡腳樁號K95+190設置一排抗滑樁(C排樁)，樁長為24 m，截面尺寸為2 m×3 m，間距為5 m。另外在樁號約K95+244處設置2排抗滑樁，2排樁之間間距為6.5 m。外側樁(A排樁)長為27 m，截面尺寸為2 m×3 m，樁間距為5 m。內側樁(B排樁)長27 m，截面尺寸為2 m×3 m，間距為5 m。2排樁頂采用承臺相連，樁頂以下4 m設置一地梁相連。隧道仰坡采用錨桿框架支護，第1級坡布設5排長10 m，直徑φ28的普通全漿錨桿，第2級仰坡布設5排長15 m，直徑φ28的全漿錨桿。支護方案設計如圖1所示。

圖1 支護方案設計(單位:m)

4 邊坡開挖支護過程數值分析

運用Geo-studio(sigma)軟件，研究崗子上邊坡工程開挖支護過程中邊坡變形破壞趨勢及應力、應變特征，探討抗滑樁+錨桿支護措施的效果。

4.1 計算參數及邊界條件選取

根據前期勘查資料及試驗數據，結合現場調研資料及工程地質類比，綜合確定了邊坡內各巖土體的物理力學參數如表1。

表1 巖土體物理力學參數

據區域資料顯示，該邊坡地區應力場以重力場為主，構造應力較小。尤其在地殼淺表層，構造應力場在斜坡形成過程中受后期風化卸荷作用，已經基本釋放完畢。因此，本次有限元計算模擬邊界條件采用邊界節點固定約束類型。

4.2 模型構建及計算方法選取

綜合考慮邊坡巖性組合及巖體結構特征等邊坡實際工程地質條件，假定邊坡巖體應力、應變之間的本構關系為彈塑性，巖體的破壞服從摩爾—庫侖準則。本次有限元計算中，有限元單元的劃分以三節點、三角形單元為主，輔以少量四節點、四邊形單元。模型共劃分了1 612個單元。整個有限元計算網格模型如圖2所示。

圖2 有限元計算網格模型

4.3 邊坡初始應力、應變場特征

邊坡初始應力、應變場見圖3，從圖中可見:

1)應力特征。由圖3(a)可見，初始狀態下邊坡最大主應力方向在坡內深部與重力方向近于一致，靠近邊坡表層最大主應力方向發生偏轉，在邊坡表層其方向變為與坡面近于平行;由圖3(b)可見，邊坡最大剪應力方向在坡內深部與重力方向近于一致，與最大主應力一樣，靠近邊坡表層最大主應力方向發生偏轉，在邊坡表層其方向變為與坡面近于平行。

2)應變特征。由圖3(c)和圖3(d)可見，變形方向與坡面平行，在隧道入口一定深度處有變形集中帶。

3)總體而言，邊坡初始應力場表現出明顯受重力場控制的斜坡應力場特征。

圖3 邊坡初始應力、應變場(應力單位:kPa;應變單位:m)

4.4 邊坡開挖后應力、應變場特征

邊坡開挖后應力、應變場見圖4，從圖中可見:

1)應力特征。由圖4(a)可見，開挖后，邊坡最大主應力變化不大，與初始狀態下相似，最大值約為4 500 kPa;由圖4(b)可見，開挖后邊坡剪應力在隧道入口處有一定的變化。方向有突變，出現應力集中。

2)應變特征。從圖4(c)和圖4(d)中可見，邊坡開挖后在基覆界面處形成應變集中帶，應變明顯增加，最大剪應變可達0.8 mm，最大應變值約為0.5 mm。

圖4 邊坡開挖后應力、應變場(應力單位:kPa;應變單位:m)

3)總體分析。開挖后，邊坡應力、應變場與初始應力、應變場相比有一定變化。因工程挖方量較大，開挖對邊坡應力、應變場產生了一定范圍的改變，致使應變明顯增加，若無支護，高程850～910 m段邊坡體將從環湖公路沿應變集中帶在開挖形成的前緣臨空位置剪出。

4.5 邊坡支護后應力、應變特征

抗滑樁+錨桿支護后邊坡應力、應變場見圖5，從圖中可見:

圖5 邊坡支護后應力、應變場(應力單位:kPa;應變單位:m)

1)應力特征。由圖5(a)可見，支護后邊坡最大主應力等值線在B排樁后緣發生明顯的偏轉和突變，最大主應力等值線圖變為“外凸內凹”，致使B排樁與錨桿(長5 m)區間最大主應力增大約200 kPa，第1根等值線位置處由原來200 kPa增加到500 kPa;由圖5(b)可見，剪應力在排樁底部和錨桿尾端均發生明顯偏轉和突變，剪應力等值線在樁底變為“外凹內凸”，致使臨近區域剪應力水平值低于原來水平。

2)應變特征。從圖5(c)和圖5(d)可見，支護后應變在B排樁后近坡表位置處發生了明顯偏轉，該區域最大應變變為集中于樁后，且位移值有一定程度的降低。

3)總體分析。抗滑樁+錨桿支護措施有效地控制了坡體的變形，剪切破壞面未貫通，在與抗滑樁接觸面附近，方向發生了明顯改變，保證了邊坡的穩定性。同時錨桿能起到輔助坡面的作用。

5 結論

通過對崗子上隧道口冰水堆積體邊坡開挖與支護過程的分析，可以得出以下結論:

1)在天然狀態下，崗子上隧道口冰水堆積體邊坡應力場表現出明顯受重力場控制的斜坡應力場特征，整體穩定性較好。

2)工程開挖致使基覆界面處應變明顯增加，若無支護，高程850～910 m段邊坡體將從環湖公路沿應變集中帶在開挖形成的前緣臨空位置剪出。

3)抗滑樁+錨桿支護措施有效地控制了邊坡的變形，能確保邊坡的穩定性，將為隧道的安全使用和運營提供有力保證。

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