高速公路隧道洞頂危巖穩(wěn)定性及防治分析

黃傳勝，胡德玉，任開富，劉火，于文霞

（1.東華理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2.貴州路橋集團有限公司，貴州 貴陽 550001；3.江西省地質(zhì)局地理信息工程大隊，江西 南昌 330000）

0 前言

山區(qū)高速公路由于線路布置等原因，難免會遇到隧道進出口危巖落石等災(zāi)害。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該危巖體位于隧道出口端隧道洞頂正上方，方量約22000m3，屬特大型危巖體。在大規(guī)模的隧道爆破、開挖等活動下，會對危巖體造成擾動，極有可能誘發(fā)其失穩(wěn)，影響項目施工的進度。

近年來，許多學(xué)者在危巖穩(wěn)定性及防治上開展了諸多研究。何建軍[1]采用靜力分析法計算極端工況下邊坡危巖的穩(wěn)定性，針對不同高程的落石提出了工程治理措施。李勝等[2]利用k 近鄰算法與基于密度比S 的評價準(zhǔn)則實現(xiàn)了優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面與產(chǎn)狀赤平投影的快速分析。劉寶臣等[3-5]基于離散元模擬法分析了危巖的發(fā)育特征和破壞情況，指出對巖塊體積小的危巖采用靜態(tài)爆破進行清理，體積較大危巖選用錨桿支護進行加固。文興祥[6]利用Rockfall 軟件模擬典型危巖體落石運動特征，提出“凹腔嵌補+錨固”“清除+攔截”和主動防護網(wǎng)3類治理措施。

1 工程概況

1.1 項目概況

道真至武隆高速公路項目是貴州省“678”高速公路網(wǎng)中“第三縱”道真至新寨的首段，項目起于渝黔交界的子母巖，經(jīng)棗子坪、丘家灣與道真至甕安高速公路道真支線順接，全線位于道真自治縣境內(nèi)，該隧道為一分離式特長隧道，全長7530m，貴州境內(nèi)全長5280m，重慶境內(nèi)2250m。

1.2 水文及地質(zhì)

項目區(qū)屬長江流域-烏江水系-芙蓉江支流-梅江二級支流。場區(qū)地形高差大，地表溝谷切割較深，溝谷內(nèi)常有地表水分布，多為季節(jié)性溪流，流量受大氣降雨控制。

項目區(qū)地處黔北高原北部，為大婁山延伸段向四川盆地過渡的斜坡地帶。主要山脈呈南北走向。其地理特點是低緯度、高海拔、深切割，多中低山丘陵。地貌類型復(fù)雜多樣，以山地、丘陵、河谷、峽谷、山間壩地和槽谷為主。

1.3 洞頂危巖概況

該隧道出口段洞頂危巖體（“錯落體”位于東經(jīng)107°44'54.40″、北緯29°5'18.41″）地屬貴州省道真縣洛龍鎮(zhèn)，危巖體位于隧道出口端隧道右幅YK42+425～YK42+455 段洞頂正上方，與隧道洞門水平距離約140m，垂直高差約100m，危巖體長約30m，寬約25m，高約29m，總體積約21750m3，面貌如圖1、圖2所示。

圖1 隧道洞頂危巖體照片

圖2 隧道洞頂危巖體近景照片

危巖及基圍巖位于黃因（困）背斜SN 翼之（YK42+580～YK42+640）次級平緩褶皺構(gòu)造上，危巖體為中厚層-厚層狀含燧石條帶中風(fēng)化灰?guī)r，產(chǎn)狀為23°∠28°（視傾角18°），危巖體后準(zhǔn)穩(wěn)定基（圍）巖為二迭系下統(tǒng)棲霞組（P1q1)第一段中厚層至厚層狀中風(fēng)化灰?guī)r，產(chǎn)狀20°∠15°（視傾角9°）。危巖體傾錯賦存YK42+640 段新近崩積體頂部，場地堆積體呈上薄下厚，厚度約1.8～10m，堆積體以塊石為主、粒徑1～3m，塊石母巖為中厚層石灰?guī)r、巖質(zhì)堅硬，塊石間鑲嵌粘土充填。危巖體地質(zhì)縱斷面如圖3 所示。

圖3 危巖體地質(zhì)縱斷面圖

2 危巖體穩(wěn)定性分析

該危巖位于隧道出口洞頂上方，危巖所在山體地勢高陡，構(gòu)造作用劇烈，在隧道施工的擾動下，出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅到隧道施工的正常進行。因此對危巖的穩(wěn)定性及加固進行研究是保障隧道施工人員安全的關(guān)鍵一環(huán)，同時及早預(yù)防治理能有效減少災(zāi)害造成的損失。

2.1 定性分析

據(jù)文獻[7-8]，危巖的穩(wěn)定性受多種因素影響，包括巖體所處的地形坡度、主控結(jié)構(gòu)面、降雨、人類相關(guān)活動。

將影響危巖穩(wěn)定性的因素逐一分析，該隧道洞頂上方危巖體地形陡峭，坡度在50°以上。主控結(jié)構(gòu)面順坡向，傾角小于坡角，斷續(xù)充填泥質(zhì)、巖屑，同時由于降雨及隧道爆破、開挖對堆積體也會產(chǎn)生一定擾動，加速了上部危巖體產(chǎn)生順坡向位移的趨勢，判別此危巖體的破壞方式為滑移式，危巖會隨著堆積體的滑動而產(chǎn)生整體下滑。綜合評價子母巖隧道洞頂上方危巖穩(wěn)定性不良。

2.2 定量分析

①評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（GB/T 32864-2016），各類危巖可建立下列評價標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

表1 危巖評價標(biāo)準(zhǔn)

②計算方法

根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTGD30-2015）第3.7.5 條規(guī)定，規(guī)模較大的碎裂結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡和土質(zhì)邊坡采用簡化Bishop（畢肖普）法計算。此次計算采用的巖土參數(shù)為危巖勘察報告中的建議值，巖體容重取24.5kN/m3，碎石土取20kN/m3，粘聚力為60kPa，內(nèi)摩擦角為11°。

危巖體穩(wěn)定性計算采用Bishop（畢肖普）法計算下滑力，合計下滑力En 計算公式為：

式中，En為第n個條塊的剩余下滑力（kN/m）；K為安全系數(shù)ωi；ωi為第i 塊重量（kN）；αi為第i個條塊所在折線段滑面的傾角（°）；φi為第i個條塊滑面上的內(nèi)摩擦角（°）；Li為第i個條塊分段的弧長度（m）；Ci為第i 個條塊填土粘結(jié)力（kPa）。

結(jié)合現(xiàn)場實際情況，本次計算塊段劃分共計7 塊，塊厚度取值取單位厚度1m，塊段劃分如圖4所示。

圖4 穩(wěn)定性計算塊段劃分圖

③計算結(jié)果

根據(jù)計算公式及塊段劃分，計算過程如表2、表3所示。

表2 子母巖隧道洞頂危巖Bishop（畢肖普）法計算（k取0.985）

表3 子母巖隧道洞頂危巖Bishop（畢肖普）法計算（k取1.09）

結(jié)合表中數(shù)據(jù)，通過畢肖普法結(jié)合反推法進行計算，當(dāng)假定穩(wěn)定性系數(shù)為0.985 時，危巖體下滑力 En=-405.14kN/m。當(dāng)假定穩(wěn)定性系數(shù)為1.09 時，危巖體下滑力為En=1.13kN/m，此時危巖體下滑力近似等于0，此時土體屬于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，說明該特大型危巖體的穩(wěn)定性系數(shù)為1.09。根據(jù)危巖穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)，如圖2 所示，滑塌式危巖體穩(wěn)定性系數(shù)必須在1.3 以上才能保證穩(wěn)定性滿足要求。由此可知，在自然狀態(tài)下該危巖體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，而暴雨和隧道施工均為觸發(fā)危巖體發(fā)生崩落的活躍因素，為了確保危巖體穩(wěn)定，需對危巖體進行加固處理。

3 危巖體防治措施

3.1 防治措施

綜合前人研究成果及危巖的常見防治措施可知，危巖的破壞方式主要有墜落式、滑移式、傾倒式，通過對該隧道洞頂上方危巖的穩(wěn)定性分析，可知此危巖體的破壞方式為滑移式，危巖會隨著堆積體的滑動而產(chǎn)生整體下滑。結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境確定如下治理方案，主動防護加固網(wǎng)→清理小型危石→澆筑護坡?lián)鯄Α知毩㈠^索錨固→綠化坡面。治理加固斷面圖如圖5所示。

①主動防護加固網(wǎng)

從穩(wěn)定基巖體設(shè)置12 根A20 錨固鋼絲繩，作用于危巖體上，SNS主動防護網(wǎng)布設(shè)位于危巖體外側(cè)坡面上，防護網(wǎng)總長45m，寬25m，支撐繩采用A20 鋼絲繩，在支撐繩構(gòu)成的每個4.5m×4.5m網(wǎng)格內(nèi)鋪設(shè)4m×4m 的DO/08/300 型鋼繩網(wǎng)，形成SNS 主動防護網(wǎng)進行臨時加固。每張鋼繩網(wǎng)與四周支撐繩間用縫合繩縫合聯(lián)結(jié)并進行預(yù)張拉，該張拉工藝能使系統(tǒng)對放面施以一定的法向預(yù)緊壓力，從面提高表層危巖體的穩(wěn)定性。

②清理小型危石

清理小型危石時，首先破碎并清理掉塊莖小于1m 的危石，然后用錨繩固定塊莖較大危石后采用靜力爆破的方式進行破碎，避免產(chǎn)生對該特大型危巖的擾動，安全性高。

③澆筑護坡?lián)鯄?/p>

臨時加固后從危巖底外側(cè)地基增設(shè)3排微形鋼管樁（69根，單根長12m），在鋼管樁頂設(shè)護坡?lián)鯄π睋沃廖r，斜撐可根據(jù)危巖實際情況作適當(dāng)調(diào)整，然后分層澆筑護坡?lián)鯄炷?，護坡施工時按2m 間距梅花形布置10cm 直徑泄水孔。

④十字獨立錨索加固

錨索采用HRB300 鋼筋，C30 混凝土，長度25m，4.5m×4.5m 間距布置，在現(xiàn)場實際施工時，需要保證足夠的錨固長度，使錨固段錨固到基巖中，因此可根據(jù)危巖實際厚度合理調(diào)整錨索長度，每索設(shè)計張拉力750kN，共17 束十字獨立錨索。

⑤綠化坡面

加固完畢后對被破壞的整個坡面通過噴播草種(含灌木籽)進行綠化處理，恢復(fù)原生態(tài)。

3.2 防治效果分析

根據(jù)規(guī)范要求，要想保證危巖穩(wěn)定性要求，穩(wěn)定性系數(shù)最小須達到1.3，現(xiàn)按1.3 穩(wěn)定系數(shù)取值，計算結(jié)果如表4 所示。

表4 隧道洞頂危巖Bishop（畢肖普）法計算（K取1.3）

由表中計算結(jié)果可知，當(dāng)圍巖穩(wěn)定系數(shù)在1.3時，合計下滑力為814.22kN，所需抗滑力必須大于下滑力，才能保證危巖體不會發(fā)生滑移，使下方隧道施工的安全得到保障。根據(jù)危巖加固措施，12 根A20 錨固鋼絲繩，每根鋼絲繩施加力按100kN 計算，共計抗滑力1200kN，護坡?lián)鯄苍O(shè)3 排微型鋼管樁，每根鋼管樁按15kN 計算，共計抗滑力1035kN，共設(shè)十字獨立錨索17 束，每索施加預(yù)應(yīng)力600kN，共計抗滑力10200kN，抗滑力總和為12435kN，穩(wěn)定性系數(shù)=12435/814.22=15.27，遠遠大于規(guī)范要求的1.3。計算表明，對于采用主動防護網(wǎng)+護坡?lián)鯄?十字獨立錨索錨固的加固措施，可以有效提高危巖的穩(wěn)定性，防治效果良好。

4 結(jié)論

該隧道洞頂上方危巖總體積約21750m3。根據(jù)穩(wěn)定性分析，危巖所在山體地勢高陡，構(gòu)造作用劇烈，穩(wěn)定性較差。判斷該特大型危巖體破壞方式為滑移式，危巖會隨著堆積體的滑動而產(chǎn)生整體下滑。

通過畢肖普法對危巖體穩(wěn)定性進行定量計算，并對其穩(wěn)定性做出合理評價，自然狀態(tài)下該危巖體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨和隧道施工極有可能會造成該危巖體發(fā)生破壞。

對該特大型危巖采用主動防護加固網(wǎng)+護坡?lián)鯄?十字獨立錨索錨固的加固措施，復(fù)核計算表明危巖體的穩(wěn)定性得到顯著提高，防治效果良好。