高尾顶隧道进口滑坡分析

王勇刚

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

滑坡是山岭隧道所遇到的最主要的不良地质问题之一，特别是对隧道的进出口影响更为巨大。由于滑坡具有突发性及危害大的特点，一般情况下，线路应绕避稳定性差的巨型、大型滑坡体，实在不易绕避或绕避不经济时，应先治理滑坡，然后再进行工程建设。

华南某铁路高尾顶隧道位于广东省境内，属剥蚀丘陵地貌，全长约5 320 m，埋深最大处约260 m，线路走向约为156°。隧道区属亚热带海洋性气候，雨量充沛。

1 工程地质条件

隧址区丘坡表层多覆盖第四系残坡积黏土、粉质黏土，洞身穿过地层为寒武系八村群砂岩与页岩互层。总体构造形迹以断层为主、褶皱次之，区域性的大褶皱古水向斜表现为缓倾角岩层的单斜构造，岩层产状大致为315°∠27°。岩层节理裂隙发育，通过对测区内岩层中的原生节理裂隙进行了分类统计，优选出各岩组中基本优势节理的主要发育方向为 NW、NNW、NE向，构造部位节理十分发育，多为压～压扭性裂隙。

地下水主要为基岩裂隙水和构造裂隙水，补给源主要为大气降水，通过基岩风化裂隙径流和排泄。

2 隧道进口滑坡概况

隧道进口处发育一大型滑坡，并伴随有次一级小型滑坡体。滑坡体总体呈扁平状，范围为线路左侧约190 m至右侧约50 m，沿线路方向长约为200 m，滑坡体周界大致沿山顶及冲沟分布，滑坡壁表层风化为土状。滑坡体上部陡坡近乎直立，可见一级平台，宽约8～10 m，位于滑坡体中前部附近有冲沟发育，下部局部隆起，滑坡体所处的地形图如图1所示。

通过现场测绘，得出滑坡主轴为正南北向。为查明滑坡体的滑动面，分别在滑坡主轴和沿线路方向布置钻孔。钻孔揭示，高尾顶隧道地层结构由表及里大致可分为如下3层:①硬塑状粉质黏土，浅黄色，褐黄色，含约20%左右的碎石、角砾，碎石、角砾主要成份为砂岩，厚度约为3.5～14.5 m。②全风化粉砂岩，灰绿色，灰黄色，粉砂状结构，岩芯呈砂土状，手捏易散，厚度约为4～20 m。③强～弱风化粉砂岩，褐黄色，粉砂状结构，薄层状构造。据钻孔揭示的资料，高尾顶隧道进口滑坡滑动面位于全风化粉砂岩内，存在上下两层滑动面，分别位于地表以下8～10 m处与18～20 m处，滑动带厚度约为0.30～0.45 m，岩芯较软、较湿，含30%左右的角砾，角砾成分以砂岩为主，呈次棱角状，粒径一般约为0.5～2.0 cm，最大的约为4.0 cm，分布不均。滑坡体沿线路方向的剖面如图2所示。

3 隧道进口滑坡分析

鉴于试验条件的限制，未能进行室内或野外滑动面重合剪切试验。本文采用大变形弹塑性接触算法的有限元模型对高尾顶隧道进口的滑坡进行模拟分析。

3.1 弹塑性接触算法有限元概述

有限元法是以分割近似原理为基础，将连续体转化为有限个单元的集合体，然后确定单元的位移模式，根据单元的应力应变关系建立单元的刚度矩阵，通过对单元刚度矩阵的集成，建立整体的刚度矩阵，最后在一定的边界条件下求解出问题的近似解答。

图1 滑坡地形

图2 滑坡沿线路方向纵剖面

由于岩土体材料的非线性应力应变关系，在采用弹塑接触算法有限元分析滑坡稳定性时，一般对土及岩石的屈服形式均采用Drucker-Prager弹塑性模型。对于目前状态下处于未动状态的滑坡，只有采用不分离状态的接触算法，才能比较准确地评价滑坡的稳定性。

3.2 分析模型的建立

考虑到计算精度及滑坡之外的山体对滑坡本身的稳定性影响不是太大，在平面图上选择滑坡区范围内220 m×250 m，由于滑坡体沿滑面延伸深度较大，模型底面取在高程为30 m处。

为简化计算，考虑到滑坡体只存在沿滑面滑动的可能性，按滑面的位置将滑坡体分为滑坡体、滑动带及滑床三部分。鉴于三维8节点等参单元良好的适应性，本文对滑动带上下的滑坡体及滑床均采用三维8节点等参单元，滑动带采用接触单元进行模似，在对计算结果有较大影响的区域，采用较高的网格密度，在滑动带附近进行网格加密，在滑坡区外采用相对较低的网格密度，这样，既可以保证计算结构的精度，又可以节约计算成本。滑坡体立面的网格划分如图3所示。

根据现场的试验数据统计资料，按表1的物理力学指标进行分析。

图3 滑坡体有限元网格划分

表1 滑坡各部分物理力学参数

在对滑坡进行稳定分析中，滑动面参数的选择至关重要，而滑动面的参数与其含水程度是密切相关的，根据钻探揭示的岩芯，滑动面处的岩芯呈软塑状，由于滑坡体上面已产生裂缝，地表降水将可能沿滑动面下渗，降低滑动面的抗剪强度，从而降低滑坡的稳定性。广东地区属于降雨多发地带，选择降雨最频繁的7、8月份时取得的滑动面抗剪强度，应能满足工程安全度的需要。根据钻孔内取到的滑动面附近的原状土样进行物理力学性质试验，得出滑坡带软塑状黏性土的指标为天然含水量 ω=32.7%，天然密度 ρ=1.81 g/cm3，颗粒密度 ρs=2.7 g/cm3，天然孔隙比 e=0.98，液限 ωL=33.7%，塑限 ωP=23.3%，塑性指数 IL=10.4%，液性指数 IP=0.9，黏聚力 c=10.53 kPa，内摩擦角φ=15.9°。但是采用反演分析法按折线方式对滑坡稳定性进行分析时，鉴于滑坡体上部已出现裂缝，反算抗剪强度指标时，稳定安全系数K取为0.95，反算可得出滑动带抗剪强度指标为 c=10 kPa，φ=16.5°。综合两种方法得到的滑动带的指标参数，取抗剪强度指标为 c=10 kPa，φ=16.5°。

3.3 结果分析

根据上述三维有限元模型进行分析，最大推力发生在离坡脚约80 m的滑面A处，其方向沿滑面切线方向向下，在此处的滑坡最大推力约为11 777 kN/m，A处至坡脚段抗滑力较下滑力为大，至坡脚处推力约为5 496 kN/m。由此可得出结论，高尾顶进口滑坡治理难度非常大，线路予以绕避。

4 结论

本文主要利用有限元方法对高尾顶隧道进口的滑坡稳定性进行了分析，对于滑坡稳定状态的模拟分析，其最主要的问题是滑动面参数的确定，其次是计算单元的选择与网格疏密程度的划分。而滑动面参数是与现场各种复杂的环境因素有关，比如滑动面的含水量等。岩土参数的选择是决定计算结果与实际情况是否相近的关键因素。

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