功東高速公路典型隧道口邊坡巖石微觀結構實驗研究

周平 張明翠 瞿翔 劉敏 何艷娥

摘 要：影響隧道口邊坡開挖施工穩定性的因素眾多，其微觀結構是不可忽略的一個重要因素。本文以功東高速工程典型隧道口邊坡開挖施工為依托，充分考慮到隧道-邊坡協同作用，在原有實驗設計的基礎上開展實驗研究，分析了巖體的微觀結構，為下一步施工提供了一定的理論指導。

關鍵詞：隧道口邊坡；穩定性；巖石；微觀結構

引言

巖石微觀結構對其物理力學性質影響較大，向來都被巖土工作者重視[1-3]。鄧繼新[4]采用掃描電鏡和CT成像技術分析龍馬溪組頁巖樣品地震彈性性質的變化規律。尹曉萌[5]，采用偏光顯微鏡、掃描電鏡研究武當群片巖的微觀組構、斷面形貌特征，偏光顯微鏡下顯示，片巖具有礦物定向排列與粒、片狀礦物近互層狀分布的典型特征。本文采用KYKY-EM6200高精度巖石斷裂面掃描電鏡對巖石微觀結構進行了實驗研究，為下一步施工提供了一定的理論指導。

1 工程項目概況

功東高速公路姑海2#隧道，隧道區屬構造剝蝕中低山地貌單元，山體上覆土層主要為第四系殘坡積（Qel+dl）含礫粉質黏土、碎石、角礫及礫砂等，下伏基巖為二疊系上統玄武巖組（P2β）玄武巖。隧址區總體地勢呈“M”形，進口端地形較平緩，坡度角18°～25°，隧道垂直進洞，植被較發育，以農作物為主；出口端上部坡角41°～55°，下部因沖溝深切，形成近乎直立的陡坎，隧道垂直出洞，植被發育，主要為灌木、喬木、雜草。隧址區的黑水河泥石流和H59、H60、H61 滑坡基本處于穩定狀態，但洞口開挖后形成臨空面，破壞其穩定性，對隧道洞口穩定性影響不大。隧道進出口附近的第四系堆積層放坡清除。

2 隧道-邊坡相互作用機理

隧道進洞過程中，由于洞身挖空形成臨空面，導致邊坡內部原有應力場發生改變，徑向應力降低，圍巖向隧道臨空面移動并相互擠壓，進而切向應力增高，坡內應力重新分布。圍巖變形會誘發邊坡坡體產生蠕變，進而邊坡將發生不同形式和不同程度的變形，最終導致邊坡破壞失穩。隧道洞口段邊坡破壞根據其破壞形式可分為：崩塌破壞、塌陷破壞、滑坡破壞、傾倒破壞和坍塌破壞。

在隧道設計、施工過程中，不僅要考慮隧道圍巖和支護體系的變形及穩定性，還要重視隧道所在山體的整體穩定性，尤其是隧道進、出口段。隧道洞口段工程地質往往較差并伴有淺埋、偏壓等現象，在隧道進洞時由于巖體被挖，圍巖會向臨空界面擠壓和移動，引起圍巖切向應力的提高，從而導致圍巖應力狀態復雜多變，甚至出現拉應力，造成巖體的局部破壞和松弛。另一方面，圍巖松弛破壞會造成邊坡內部整體應力場的重新分布以及改變水文地質環境，引起邊坡變形和破壞。因此，隧道洞口段圍巖和邊坡的變形是相互影響和制約的，對于隧道洞口段圍巖和邊坡的穩定性應綜合研究，分析兩者相互作用的機理，才能提出合理進洞技術方案，確保施工安全性。

3 實驗開展

圖像的采集數量決定了是否能獲取到足夠多的微裂隙信息，進而形成微裂隙的信息統計分布。在試驗中，每個面采集最少200張以上圖片。在切片的表面上獲取圖片，從上而下，避免圖像的重復獲取，將電鏡掃描圖片進行分析，巖樣平行節理方向與垂直節理方向放大倍數為500倍和1000倍所得的電鏡掃描圖片如圖1所示。

4 結果分析

由圖1可知，巖樣結構均一，具有殼狀斷面和放射性細紋，可見稀疏裂隙，整體結構相對密實。

綜合來看，巖石微結構是含有大量孔隙的巖石微粒和裂隙系統組成的孔隙一裂隙結構。巖石的孔隙較多，裂隙發育豐富，孔隙裂隙的存在，降低了巖石的強度，尤其是對邊坡，增強了水的滲透作用，對邊坡整體穩定性非常不利。

參考文獻

[1] 王思長，折學森，李毅 等. 基于尖點突變理論的巖質邊坡穩定性分析[J]. 交通運輸工程學報，2010，（10）3：23-27

[2] 劉麗萍，王思長. 公路高邊坡抗震穩定性計算及監測分析[J] 公路，2015，（1）1：13-17

[3] 王思長.庫岸公路碎裂巖質高邊坡穩定性研究[D] 長安大學，2011.

[4] 鄧繼新，王歡，周浩 等. 龍馬溪組頁巖微觀結構、地震巖石物理特征與建模[J]. 地球物理學報，2015，58（6）：2123-2136

[5] 尹曉萌，晏鄂川，王魯男 等. 各向異性片巖的微觀組構信息定量提取與斷面形貌特征分析[J].巖土力學.2019，40（7）：2617-2627，2729