某高速鐵路不良地質(zhì)體穩(wěn)定性研究

任 申

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)的工程條件越來(lái)越復(fù)雜。為保證鐵路工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)安全，更深入了解巖土材料的力學(xué)特征很有必要，橋小娥利用Geo-Slope軟件中的SLOPE/W模塊，采用擬靜力法計(jì)算得出滑坡在天然和地震狀態(tài)下的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，為擬建工程的設(shè)計(jì)及施工安全性提供可靠依據(jù)[1]；王小波等利用極限平衡法模擬分析山區(qū)某場(chǎng)地在自然和暴雨工況下的穩(wěn)定性[2]。以下在綜合考慮區(qū)域水文地質(zhì)及地震等因素的前提下，利用數(shù)值模擬軟件分析了滑坡體的穩(wěn)定性及對(duì)既有鐵路、公路和擬建鐵路的影響，并提出了相應(yīng)的防治措施和建議。

1 概述

研究區(qū)地貌類型為構(gòu)造侵蝕的低山丘陵，地勢(shì)北西高，南東低。前緣發(fā)育兩級(jí)階地，二級(jí)階地界面較平整，平均高程約274 m。擬建高速鐵路DK185+000～DK189+500段位于既有鐵路北西側(cè)，隧道和橋梁等重點(diǎn)工程位于該滑坡段(見圖1)，斜坡一旦出現(xiàn)失穩(wěn)或產(chǎn)生較大變形，會(huì)對(duì)擬建高速鐵路的隧道、橋墩等的安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。

圖1 不良地質(zhì)體位置示意

2 自然地理及工程地質(zhì)條件

2.1 氣象條件

研究區(qū)屬于熱帶草原氣候，雨季、旱季交替明顯。雨季降雨頻繁且降雨范圍廣，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009～2016年，年平均降雨量約1 625 mm，降雨多集中在5～10月，該時(shí)間段降雨量為1 408 mm，占全年總降雨量的86.7%，且年際間變化較大。

2.2 地層巖性

區(qū)域地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)鉆探表明，該區(qū)上覆第四系人工填土、沖積、坡積、洪積、崩積的土、砂層及碎石類土，下伏侏羅系砂巖、泥巖、礫巖[3-5]。綜合鉆探、物探以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查成果，斜坡段的物質(zhì)組成主要有：侏羅系下統(tǒng)基巖，第四系崩坡積物、洪積物、沖積物、崩積物、滑坡堆積物以及人工堆積物。

2.3 水文地質(zhì)條件

受研究區(qū)地形地貌、地層巖性及構(gòu)造的控制，區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，根據(jù)地下水的賦存條件，區(qū)內(nèi)地下水類型有松散堆積層孔隙水和基巖裂隙水。

(1)松散堆積層孔隙水

松散堆積層孔隙型潛水主要賦存于第四系地層中，補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水，通過(guò)第四系松散堆積體中的孔隙徑流，且地下水具有隨季節(jié)性變化的特征。孔隙型潛水主要分布在斜坡中下部地勢(shì)低洼及地勢(shì)較平緩地帶。第四系地層透水性強(qiáng)，流動(dòng)性大，儲(chǔ)水能力弱，富水性弱。

(2)基巖裂隙水

基巖裂隙水主要賦存于侏羅系砂巖風(fēng)化帶和裂隙中。砂巖底部薄-中層狀泥巖為相對(duì)隔水層，地下水主要賦存于上部砂巖中，靠大氣降水補(bǔ)給，沿基巖中結(jié)構(gòu)面徑流，向低高程部位排泄。

3 物探解譯

現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查表明，研究段斜坡淺表層主要為坡積、少量崩塌堆積的塊碎石土。為查明其物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、發(fā)育深度，對(duì)典型斜坡段開展鉆探、物探(高密度電法勘探)等勘察工作(見圖2)[6-8]。

圖2 典型斜坡物探及鉆探工程平面

根據(jù)物探解譯成果，整個(gè)斜坡表面第四系堆積物較發(fā)育。在重點(diǎn)勘探部位DK188+100～DK188+850段，坡體前緣視電阻率均較低(<40 Ω)，推測(cè)為表部松散堆積物；米軌鐵路下方視電阻率較高(>200 Ω)，推測(cè)為前期修筑鐵路時(shí)人工堆積的塊碎石土；斜坡中上部，淺表部視電阻率多大于400 Ω，推測(cè)為松散堆積物，總體厚度20～40 m。受地形影響，堆積厚度存在差異，其中，Ⅰ-Ⅰ′剖面在距起點(diǎn)550 m位置位于山脊部位，堆積物厚度最小；而在其兩側(cè)電阻率明顯偏高，堆積物厚度變大。另外，局部堆積體下方也存在低阻封閉異常，推測(cè)為砂巖富水；松散堆積物下覆巖體視電阻率存在明顯的電性差異且多小于40 Ω，推測(cè)為強(qiáng)風(fēng)化砂泥巖。

盡管上下游兩側(cè)有小的沖溝發(fā)育，但溝谷兩側(cè)未見明顯的巖性差異，也未見有一定規(guī)模坡體滑動(dòng)后形成的圈椅狀滑坡地貌特征。斜坡區(qū)淺表層視電阻率云圖呈劇烈起伏狀、凹凸不平，未反映出完整連續(xù)、貫穿性的、統(tǒng)一的平滑地質(zhì)界面(見圖3)。

圖3 HP-ZD-10～HP-ZD-09段視電阻率等值線

4 斜坡體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

4.1 計(jì)算模型與工況

(1)計(jì)算模型

以勘探相對(duì)集中的DK188+100～DK188+850斜坡部位的勘探剖面為依據(jù)，計(jì)算主要考慮淺表部第四系堆積物的整體穩(wěn)定性，同時(shí)考慮可能存在的剪出口部位。Ⅰ-Ⅰ′、Ⅱ-Ⅱ′以及Ⅲ-Ⅲ′地質(zhì)剖面，建立計(jì)算概化模型如圖4～圖6所示。

圖4 斜坡Ⅰ-Ⅰ′剖面概化模型

圖5 斜坡Ⅱ-Ⅱ′剖面概化模型

圖6 斜坡Ⅲ-Ⅲ′剖面概化模型

(2)計(jì)算的工況

根據(jù)斜坡的特征及其可能出現(xiàn)的各種荷載情況及組合，計(jì)算中，主要考慮降雨、地震的影響，依據(jù)地震安評(píng)報(bào)告，動(dòng)峰值加速度為0.05g(地震基本烈度為Ⅵ度)，具體計(jì)算的工況組合及最小安全系數(shù)如下。

工況1：自重，最小安全系數(shù)1.25；

工況2：自重+暴雨，最小安全系數(shù)1.10；

工況3：自重+地震，最小安全系數(shù)1.10。

4.2 穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)的選取

現(xiàn)場(chǎng)鉆探工程揭露，斜坡段淺表部物質(zhì)組成主要為第四系坡積、崩積物，下覆基巖全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化砂、泥巖。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆探取樣并進(jìn)行室內(nèi)巖土體物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，獲取計(jì)算所需的參數(shù)，同時(shí)類比相關(guān)工程巖土體的參數(shù)取值[9-11]，剔除異常值，綜合分析選取了穩(wěn)定性計(jì)算所需參數(shù)，見表1。

表1 DK188+100～DK188+850段穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

4.3 計(jì)算結(jié)果及分析

將各剖面建立的穩(wěn)定性計(jì)算概化模型導(dǎo)入到SLOPE/W模塊中，并將上述確定的穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)賦予到計(jì)算模型中的各項(xiàng)材料，各剖面中潛在剪出口在各工況下的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如下。

(1)Ⅰ-Ⅰ′剖面

根據(jù)Ⅰ-Ⅰ′剖面可能的剪出口位置，相關(guān)穩(wěn)定性計(jì)算模型見圖7～圖9，計(jì)算的穩(wěn)定性系數(shù)見表2。

圖7 Ⅰ-Ⅰ′剖面潛在剪出口1計(jì)算模型

圖8 Ⅰ-Ⅰ′剖面潛在剪出口2計(jì)算模型

圖9 Ⅰ-Ⅰ′剖面潛在剪出口3計(jì)算模型

表2 Ⅰ-Ⅰ′剖面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表2，基于Ⅰ-Ⅰ′剖面各潛在剪出口，天然及暴雨工況下斜坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)，地震工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。即該剖面可能的不同剪出口部位的坡體在“天然+地震”工況下，穩(wěn)定性系數(shù)未達(dá)到規(guī)范要求(安全系數(shù)≥1.10)。

(2)Ⅱ-Ⅱ′剖面

根據(jù)Ⅱ-Ⅱ′剖面斜坡可能的剪出口位置，穩(wěn)定性計(jì)算模型見圖10、圖11，穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算見表3。

圖10 Ⅱ-Ⅱ′剖面潛在剪出口1計(jì)算模型

圖11 Ⅱ-Ⅱ′剖面潛在剪出口2計(jì)算模型

表3 Ⅱ-Ⅱ′剖面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

由表3可知，基于Ⅱ-Ⅱ′剖面各潛在剪出口在斜坡天然工況及暴雨工況均處于穩(wěn)定狀態(tài)；地震工況處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。即各潛在可能剪出口在地震工況下的穩(wěn)定性系數(shù)未達(dá)到規(guī)范要求的安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)。

(3)Ⅲ-Ⅲ′剖面

根據(jù)斜坡Ⅲ-Ⅲ′剖面可能的剪出位置，相關(guān)穩(wěn)定性計(jì)算模型見圖12～圖14，計(jì)算的穩(wěn)定性系數(shù)見表4。

圖12 Ⅲ-Ⅲ′剖面潛在剪出口1計(jì)算模型

圖13 Ⅲ-Ⅲ′剖面潛在剪出口2計(jì)算模型

圖14 Ⅲ-Ⅲ′剖面潛在剪出口3計(jì)算模型

由表4可知，基于Ⅲ-Ⅲ′剖面各潛在剪出口在天然工況總體處于穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨工況總體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，地震工況以不穩(wěn)定狀態(tài)為主。總體而言，在上述3種工況下，該剖面對(duì)可能潛在的剪出口的穩(wěn)定性系數(shù)均不能滿足規(guī)范要求。

表4 Ⅲ-Ⅲ′剖面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

剖面計(jì)算結(jié)果表明，天然條件下斜坡穩(wěn)定性較好，天然及暴雨工況下部分剖面的穩(wěn)定性不能滿足規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)，而在地震工況下的穩(wěn)定性均未達(dá)到規(guī)范要求[12]。此外，鑒于區(qū)域地形地貌限制，并綜合考慮投入成本及后期運(yùn)營(yíng)，為保障擬建鐵路及既有米軌鐵路的安全，建議擬建線路盡量靠近山體，使隧道位于弱風(fēng)化巖體中。

4.4 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，研究段斜坡不良地質(zhì)體總體不發(fā)育，僅斜坡前緣受早期修建鐵路人工開挖的影響，在米軌鐵路兩側(cè)發(fā)育小規(guī)模的危巖帶及局部滑塌。依據(jù)GB50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，對(duì)斜坡體各段落穩(wěn)定性評(píng)價(jià)如下[13]。

DK188附近邊坡部位發(fā)育有小規(guī)模危巖體，在暴雨等作用下，有可能產(chǎn)生小規(guī)模滑移式的崩塌，對(duì)鐵路正常運(yùn)營(yíng)威脅不大。

DK187+150附近發(fā)育有H1小規(guī)模滑坡，在強(qiáng)降雨作用下，滑坡后緣的堆積物可能再次滑動(dòng)，對(duì)前緣米軌鐵路的正常運(yùn)行造成威脅。

DK187+000～DK187+500段斜坡前緣左側(cè)沖溝部位發(fā)育有H2滑坡，滑動(dòng)方向與鐵路走向近于平行。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，滑坡未見有明顯變形跡象，現(xiàn)狀穩(wěn)定性好[14]。

DK188+100～DK188+850段發(fā)育有H3、H4滑塌，盡管現(xiàn)場(chǎng)未見滑坡有明顯的變形跡象，但在降雨作用下坡體存在發(fā)生淺表層塌滑的可能，對(duì)前緣的鐵路安全運(yùn)行影響不大。

5 防治措施及建議

5.1 防治措施

研究段斜坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，不良地質(zhì)體總體不發(fā)育，僅斜坡前緣受早期修建鐵路人工開挖的影響，在米軌鐵路兩側(cè)發(fā)育有小規(guī)模的危巖及局部滑塌。針對(duì)這些變形破壞特征，提出如下防治措施。

(1)對(duì)DK188附近發(fā)育的小規(guī)模危巖體，采用局部清危，然后進(jìn)行坡面掛網(wǎng)、護(hù)坡或下部設(shè)攔石墻[15]。

(2)DK187+150附近的H1塌滑體對(duì)米軌鐵路的正常運(yùn)營(yíng)存在一定威脅，建議對(duì)其支擋、護(hù)坡措施進(jìn)行加強(qiáng)。

(3)DK188+100～DK188+850段附近的H3、H4滑塌體對(duì)前緣的米軌鐵路安全運(yùn)營(yíng)的總體影響不大，可增加適當(dāng)?shù)淖o(hù)坡工程。

5.2 設(shè)計(jì)建議

Ⅰ-Ⅰ′剖面部位隧道總體位于弱風(fēng)化巖體中，但其頂板弱風(fēng)化巖體厚度小于20 m，外側(cè)強(qiáng)全風(fēng)化砂、泥巖完整性差、巖體破碎；Ⅱ-Ⅱ′剖面部位，擬規(guī)劃的高速鐵路大部分位于第四系堆積物中，隧道底部位于強(qiáng)-全風(fēng)化的巖體中，隧道埋深約18 m，成洞條件差，對(duì)斜坡的穩(wěn)定性影響較大。Ⅲ-Ⅲ′剖面部位，隧道已出山體，主要以開挖路基的形式通過(guò)，路基的開挖將直接影響斜坡穩(wěn)定性。根據(jù)分析，在極端條件下斜坡物質(zhì)可能會(huì)產(chǎn)生局部或整體性失穩(wěn)破壞，對(duì)隧道、橋梁以及行車安全將產(chǎn)生巨大影響[16]。總體而言，重點(diǎn)研究段斜坡巖體的成洞條件差、各部位坡體在地震條件下的穩(wěn)定性系數(shù)不能滿足規(guī)范要求，部分剖面在天然以及暴雨條件下亦不能滿足規(guī)范要求。因此，綜合考慮斜坡坡體結(jié)構(gòu)、成洞條件以及堆積體的穩(wěn)定性，建議研究斜坡段擬建線路盡量靠近山體，使整個(gè)線路位于弱風(fēng)化巖體中。

6 結(jié)論

(1)斜坡坡面主要為第四系堆積物，以及崩塌堆積形成的厚度不等的崩坡積層。

(2)DK186+800～DK187+500段斜坡防治工程等級(jí)為Ⅱ級(jí)，可認(rèn)為研究區(qū)斜坡段整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)剖面計(jì)算結(jié)果表明，評(píng)估斜坡在天然條件下，其穩(wěn)定性較好，但在地震或暴雨工況下的穩(wěn)定性不滿足，規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)，為保障擬建高鐵及已有米軌鐵路的安全運(yùn)營(yíng)，需采取相應(yīng)處置措施，并將擬建高鐵線路盡量靠近山體，使隧道位于弱風(fēng)化巖體中。