復(fù)雜艱險山區(qū)鐵路隧道洞口危巖穩(wěn)定性評價研究

【摘 要】危巖落石對于隧道洞口、鐵路沿線造成嚴(yán)重危害，以某復(fù)雜艱險山區(qū)隧道研究對象，利用現(xiàn)場取樣、室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬等手段對隧道洞口危巖落石穩(wěn)定性進(jìn)行評價，并提出相應(yīng)的防護(hù)措施。研究表明：（1）隧道洞口危巖在天然工況、暴雨工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在地震工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；（2）根據(jù)模擬試驗結(jié)果，得出危巖體失穩(wěn)影響范圍為250～300 m；（3）為保證線路安全，在洞門上方布置被動防護(hù)網(wǎng)及擋石墻，橫洞洞口右側(cè)設(shè)置主動網(wǎng)。所得結(jié)果可以為相似條件下隧道洞口穩(wěn)定性評價提供參考借鑒。

【關(guān)鍵詞】鐵路隧道； 危巖落石； 赤平投影法； 穩(wěn)定性評價

【中圖分類號】U453.1【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

0 引言

隨著“西部大開發(fā)”、“一帶一路”等一系列國家戰(zhàn)略的實施，水利和交通基礎(chǔ)設(shè)施不斷向自然環(huán)境更為復(fù)雜的西部地區(qū)延伸。我國西部地區(qū)多高原、盆地、山川，地質(zhì)條件惡劣，在這種條件下修建隧道，不可避免會遇到危巖、落石、崩塌等災(zāi)害，對隧道洞口、鐵路沿線造成嚴(yán)重危害［1-4］。因此，對隧道洞口危巖落石進(jìn)行穩(wěn)定性研究，保障洞口結(jié)構(gòu)安全及線路平穩(wěn)運行，顯得十分重要。

國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者對隧道洞口危巖落石災(zāi)害進(jìn)行了研究。王廣坤等［5］以RHRS評價系統(tǒng)為基礎(chǔ)，基于泊松分布提出了威脅區(qū)內(nèi)落石災(zāi)害年均概率的計算方法；鞏尚卿［6］等通過分析落石災(zāi)害的致災(zāi)過程，由模糊主觀的定性評價轉(zhuǎn)向清晰客觀的定量評價，設(shè)置相應(yīng)風(fēng)險水平，建立落石災(zāi)害危險性概率風(fēng)險評價體系；王玉鎖等［7］參考有關(guān)道路邊坡落石風(fēng)險評估技術(shù)提出采用初步定性評估和細(xì)部定量評估的隧道洞口段危巖落石風(fēng)險評估方法；葉四橋［8］基于RHRD準(zhǔn)則，定量分析各種危巖落石的影響因素，得到了隧道洞口段危巖落石災(zāi)害的風(fēng)險等級；相志強(qiáng)［9］采用層次分析法，對危巖落石災(zāi)害的風(fēng)險進(jìn)行了綜合性的評價與判段；張麗娜［10］采用Rocfall軟件對危巖體進(jìn)行穩(wěn)定性分析，計算出危巖體運動軌跡以及沖擊能量；賀建軍等［11］采用靜力分析法計算危巖穩(wěn)定性并，通過數(shù)值模擬軟件分析其失穩(wěn)后的運動特征，有針對性地提出防護(hù)建議。

綜上所述，諸多學(xué)者對隧道洞口危巖穩(wěn)定性評價進(jìn)行了深入研究，但評價體系并不完善，本文以復(fù)雜艱險山區(qū)某鐵路隧道工程為依托，采用定性與定量相結(jié)合的分析方式，分析了隧道洞口處危巖落石的成因及其影響，通過對邊坡及危巖體進(jìn)行穩(wěn)定性評價分析，得到了其穩(wěn)定性系數(shù)及安全等級，并通過數(shù)值模擬研究危巖體在不同工況下的影響范圍，可為本隧道安全施工以及安全防護(hù)提供可靠的技術(shù)支撐，同時為鐵路沿線其他隧道洞口危巖落石的評價及防護(hù)提供可靠的技術(shù)支撐和指導(dǎo)。

1 工程概況

該隧道出口所在區(qū)域抗震設(shè)防烈度為8度，地震動峰值加速度為0.2g；屬于凍融區(qū)。該隧道進(jìn)口所處斜坡坡度30°～40°，坡向157°，巖層產(chǎn)狀：60∠72，65∠87，主要巖性為列衣組（T2ly2）灰-深灰色變質(zhì)砂巖。巖體主要發(fā)育3組結(jié)構(gòu)面：185∠63，160∠62，300∠77，巖體多被切割呈板狀、塊狀，坡腳發(fā)育崩積物堆積體，同時由于公路開掘，內(nèi)側(cè)斜坡削坡嚴(yán)重，坡度較大，局部發(fā)育凹腔，巖體局部穩(wěn)定性較差，河流右岸發(fā)育大量崩塌危巖體WY1、WY2、WY3、WY4，如圖1所示，巖層陡傾坡外，易發(fā)滑移或傾倒式破壞。

通過物理力學(xué)試驗，得到結(jié)構(gòu)面及巖體的物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

2 斜坡及危巖穩(wěn)定性評價方法

2.1 穩(wěn)定性定性分析

影響巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定的最重要的因素是巖質(zhì)邊坡不連續(xù)面的方向（幾何特性）和剪切特性（粗糙度、填充物）。巖質(zhì)邊坡的破壞一般可根據(jù)規(guī)模分為平面滑動破壞、楔形破壞、傾倒破壞，如圖2所示。

赤平投影分析方法可以確定邊坡與臨空面與巖體中結(jié)構(gòu)面的相互組合關(guān)系，以及結(jié)構(gòu)面組合切割體可能失穩(wěn)滑移的方向。因此，使用赤平投影法對危巖體邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定性評價分析，如圖3所示。

從圖中可以看出，該邊坡傾角較小，結(jié)構(gòu)面3與邊坡面呈大角度相交，3組結(jié)構(gòu)面發(fā)育于邊坡中，且均為高角度結(jié)構(gòu)面。根據(jù)繪制的赤平投影圖，對結(jié)構(gòu)面進(jìn)行兩兩組合分析，結(jié)果：

（1）J1與J2結(jié)構(gòu)面組合其交點位于邊坡面投影弧的同一側(cè)，位于邊坡投影弧的內(nèi)側(cè)，說明結(jié)構(gòu)面組合交線的傾向與邊坡傾向相對一致，傾角小于邊坡角，結(jié)構(gòu)面組合切割體屬于不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，易發(fā)生滑移式破壞。

（2）J1與J3結(jié)構(gòu)面組合其交點位于邊坡面投影弧對側(cè)，說明結(jié)構(gòu)面組合交線的傾向與邊坡傾向相反，結(jié)構(gòu)面組合切割體屬于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，邊坡與巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）J2與J3結(jié)構(gòu)面組合其交點位于邊坡面投影弧的同一側(cè)，位于邊坡投影弧的內(nèi)側(cè)，說明結(jié)構(gòu)面組合交線的傾向與邊坡傾向相對一致，傾角小于邊坡角，結(jié)構(gòu)面組合切割體屬于不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，易發(fā)生滑移式破壞。

綜上所述，由于2組結(jié)構(gòu)面組合形成不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體，所以該邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。由工程地質(zhì)勘察資料可知，邊坡巖體多被切割呈板狀、塊狀，坡腳發(fā)育崩積物堆積體，巖體局部穩(wěn)定性較差，容易發(fā)生掉塊、滾石災(zāi)害，其破壞形式為滑移傾倒式破壞。

2.2 穩(wěn)定性定量分析

鑒于研究區(qū)危巖體存在方式的特殊性，采用定性分析來判斷危巖體的穩(wěn)定性狀態(tài)是不夠全面的，因此還需借助量化分析對不同工況下危巖穩(wěn)定性進(jìn)行判斷與評價。

計算危巖體穩(wěn)定性時，參照GB 51180-2016《煤礦采空區(qū)建（構(gòu)）筑物地基處理技術(shù)規(guī)范》［12］中相關(guān)分析計算公式。

2.2.1 滑移式危巖

滑移式危巖體的穩(wěn)定性系數(shù)計算方法為式（1）。

K=（Wcosθ-Qsinθ-V）tanφ+c（H－h(huán)）sinθWsinθ+Qcosθ（1）

式中：K，危巖穩(wěn)定性系數(shù)；W，危巖體自重（kN/m）；θ，潛在滑動面傾角（°）；Q，地震力（kN/m），按公式Q=ξe*W確定；V，裂隙水壓力（kN/m）；hW，裂隙充水高度（m），取裂隙深度的1/3；γ，水的重度，取10 kN/m3；c，巖體粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；φ，巖體內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值（°）；H，落石總高度（m）；h，落石后卸荷裂隙發(fā)育深度（m）。

2.2.2 傾倒式危巖體

傾倒式危巖的穩(wěn)定性系數(shù)計算方法可分為式（2）和式（3）。

重心位于傾覆點內(nèi)側(cè)時：

Kn=flkH-hsinβH-h2sinβ+bcosαcos（β-α）+WaQh0+VH-hsinβ+hw3sinβ+bcosαcos（β-α）（2）

重心位于傾覆點外側(cè)時：

Kw=flkH-hsinβH-h2sinβ+bcosαcos（β-α）Wa+Qh0+VH-hsinβ+hw3sinβ+bcosαcos（β-α）（3）

式中：K，危巖穩(wěn)定性系數(shù)；W，危巖體自重（kN/m）；θ，潛在滑動面傾角（°）；Q，地震力（kN/m），按公式Q=ξeW確定；V，裂隙水壓力（kN/m）；hW，裂隙充水高度（m），取裂隙深度的1/3；γ，水的重度，取10 kN/m3；α，基座面傾角（°），外傾取正，內(nèi)傾取負(fù)；β，后緣卸荷裂隙傾角（°），外傾取正，內(nèi)傾取負(fù)；flk，危巖體抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；H，落石高度（m）；h，落石后卸荷裂隙發(fā)育深度（m）；h0，重心到傾覆點垂直距離（m）；a，重心到傾覆點平距（m）；b，后緣裂隙未貫通下端到傾覆點水平距離（m）。

2.3 危巖穩(wěn)定性狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)

按危巖體的穩(wěn)定性系數(shù)K來對危巖體穩(wěn)定性進(jìn)行量化判斷，根據(jù)DB50/143—2003《地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》［13］可建立如下評價標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。

3 穩(wěn)定性評價計算結(jié)果

3.1 極限平衡計算結(jié)果

基于極限平衡計算，結(jié)合危巖穩(wěn)定性狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)，得出危巖體在自然、地震、暴雨、凍融四種工況下穩(wěn)定性計算結(jié)果，如表3所示。

結(jié)果表明，WY1、WY3在天然、暴雨、凍融工況下均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在地震工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 危巖體滑移模擬

本文采用采用二維離散元（UDEC）對危巖在天然與地震工況穩(wěn)定性進(jìn)行計算分析，對該斜坡用離散元軟件建立模型進(jìn)行分析，分別計算天然和地震工況下極限滑移距離。坡度為30°，危巖體范圍為高4 m，長10 m。

計算結(jié)果如圖4、圖5所示，滑移范圍如圖6所示。

離散元數(shù)值模擬結(jié)果顯示，地震狀態(tài)下WY1極限滑移250 m至坡底，WY3極限滑移300 m至坡底。

3.3 防治措施

該處隧道洞口邊坡危巖在地震工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，且研究區(qū)位于地震頻發(fā)區(qū)，危巖體失穩(wěn)會對沿線鐵路及附屬結(jié)構(gòu)有一定影響，建議采取一些防護(hù)措施：

（1）WY3位于隧道進(jìn)口右上側(cè)，在地震工況下穩(wěn)定性較差，但滑動方向不與線位相交，且危巖體下部已存在滑塌，對其下部設(shè)置被動防護(hù)網(wǎng)以及擋石墻以保證施工安全，并做好監(jiān)測工作。

（2）WY1比較靠近鐵路沿線，建議對斜坡表面危巖碎石進(jìn)行清理，并對靠近鐵路沿線一側(cè)進(jìn)行掛網(wǎng)噴錨支護(hù)，并做好監(jiān)測工作。

（3）隧道洞口上方設(shè)置被動防護(hù)網(wǎng)以及擋石墻，進(jìn)一步阻擋危巖落石掉塊。

4 結(jié)束語

本文以復(fù)雜艱險山區(qū)隧道工程為依托，分析了隧道洞口處危巖落石的成因及其影響，通過對邊坡及危巖體進(jìn)行穩(wěn)定性評價分析，得出結(jié)論：

（1）研究區(qū)危巖落石主要是由于其獨特的地質(zhì)構(gòu)造運動，經(jīng)過長期自然風(fēng)化、凍融、侵蝕作用形成。

（2）根據(jù)赤平投影法初步分析，該處邊坡受結(jié)構(gòu)面作用處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）根據(jù)極限平衡計算，WY1、WY3在地震工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，失穩(wěn)可能性較大。

（4）根據(jù)模擬試驗結(jié)果，得出危巖體失穩(wěn)影響范圍為250～300 m。

（5）為保證線路安全，在洞門上方（仰坡外側(cè)）布置被動防護(hù)網(wǎng)及擋石墻，橫洞洞口右側(cè)設(shè)置主動網(wǎng)。

（6）所得結(jié)果可以為相似條件下隧道洞口穩(wěn)定性評價提供參考借鑒。

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［基金項目］中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司科技開發(fā)項目（項目編號：2020YY230103）

［作者簡介］王成（1981—），男，碩士，高級工程師，研究方向為隧道及地下結(jié)構(gòu)工程。