拉萨—日喀则铁路盆因拉隧道进口高边坡稳定性研究

焦国锋

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

拉萨—日喀则铁路盆因拉隧道进口高边坡稳定性研究

焦国锋

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

拉日铁路经过雅鲁藏布江峡谷区，在隧道进出口地段形成许多高陡边坡。盆因拉隧道进口边坡地形陡峻，边坡的工程稳定性直接影响施工安全，需要对边坡的稳定性进行评估。通过对工程地质资料的分析，采用赤平投影法和有限元模拟方法对盆因拉隧道进口边坡稳定性进行评价。赤平投影分析结果表明：边坡处于不稳定状态，需要采取相应的工程防护措施。有限元法结果表明：在开挖加载状态下，潜在剪切破坏点主要集中在隧道开挖处周围和隧道洞口上部边坡坡面以及桥台下部岩体。建议在工程施工开挖时，做相应的工程防护措施。

拉日铁路 岩石边坡 赤平投影 稳定性评价

拉日铁路东起拉萨向西经雅鲁藏布江峡谷到达日喀则市，全长253 km。线路在经过雅鲁藏布江峡谷区时，在隧道进出口地段形成许多高陡边坡，这些边坡的工程稳定性直接影响施工安全，因此很有必要对高陡岩石边坡进行工程稳定性评价。

目前岩石边坡稳定性分析的方法很多，如数值法、DDA(discontinuous deformation analysis)法、矢量分析法、随机方法和地质统计法、赤平投影作图法等［1］。在考虑边坡的应力分布及工程荷载作用下的边坡应力分布特征时通常采用有限元法。

本文在对盆因拉隧道进口边坡进行工程地质资料分析的基础上，采用赤平投影分析法［2］和有限元法对边坡稳定性和应力分布特征进行研究。

1 工程地质条件

隧道进口地形陡峻，自然边坡70°～85°，坡面基岩裸露，植被稀疏。洞口上方7 m处为一负地形，其上方为一高8 m，宽6 m，长15 m的基岩凸起，现有主动防护网下端已脱落、悬空。在多组结构面、岩体自重、雨水等综合作用下，岩体易失稳、坠落，对既有洞口、沟内已建桥墩造成严重的安全隐患。隧道基底下方有一右倾的长大节理，桥台开挖后，隧道纵向右侧3～5 m范围内桥台下方的岩体稳定性较差。

隧道进口基岩裸露，岩性单一，为燕山期闪长岩。以青灰色、浅灰色为主，局部呈灰绿色或灰黑色，中粗粒结构，碎块状构造。矿物成分主要为角闪石、石英、长石、黑云母等，岩体致密、坚硬，局部夹石英岩脉，节理、裂隙发育，岩体较完整，强风化，见图1。

图1 盆因拉隧道进口节理发育情况

岩体受构造影响较严重。受构造、卸荷及风化作用的影响，岩体节理裂隙较发育，本次调查中在洞内量测的节理面主要为NE，NW向节理，多为共轭节理，主要的节理特征如下:

节理 J1:N19°W/48°SW，d=0.1 ～0.5 m，l＞10 m，微张，略有充填，粗糙;

节理 J2:N50°W/41°NE，d=0.05 ～ 0.3 m，l＞10 m，微张，略有充填，粗糙;

节理 J3:N75°E/72°NW，d=0.1 ～0.5 m，l＞10 m，微张，略有充填，平直;

节理 J4:N34°E/65°SE，d=0.01 ～ 0.05 m，l＞5 m，微张，略有充填。

盆因拉隧道进口边坡岩体结构特征:表面风化严重，岩体较破碎，但仍主要为大块体。岩体结构面延伸长度多数在5 m以上，主要发育有3组节理，节理裂隙多数为微张，节理面多数呈微起伏～起伏粗糙。节理裂隙微张，一般略有充填，结构面连续性高。其主要的3 组节理面产状为 N77°W/66°NW，N41°W/66°SW 和N48°E/73°SE，结构体形态主要为长方体和块体。隧道进口线路的走向为近EW，根据既有隧道进口边坡坍塌现状，结合岩体节理裂隙发育情况，进口边坡的稳定性自沟底至山脊纵向可分为4段进行评价:

1)沟底至高程H3769附近，该高程为洞口下方残留卵石土上界。该段发育有2～3组节理，岩体多切割成块状、巨块状，完整性好。主节理走向总体为 NE向，倾向北，与线路大角度相交，在纵断面中的反映为倾向山里的1组节理。且自然边坡近似直立，岩体新鲜、完整。因此，本段边坡稳定性好，无需防护。

2)高程 H3769附近至隧道基底高程 H3798。该段岩体发育以上4组节理，其中节理J2，J4为顺坡向节理，为不利结构面。在桥台开挖后，其线路右侧基岩山体较薄，在爆破、机械振动、附加荷载等综合因素的影响下，隧道基底下方的长大节理J3易延伸、扩张，导致其上方右侧岩体失稳。同时，对桥台、隧道基础的稳定性造成威胁。

3)隧道基底高程H3798至洞顶凸起基岩上方高程H3820附近。本段为塌方段落，塌方导致洞顶以上7 m处高程H3812为一负地形，其上方岩体凸起、悬空。该塌方体受J1，J2，J4节理面控制，形成一个菱形砌体，在人为机械扰动作用下坠落。

4)洞顶凸起基岩上方高程 H3820附近至山脊。本段施工中已采取了主动防护网的处理措施，但本段由于受塌方体的影响，加之对其前端悬空岩体的爆破清除、刷方，导致原本处于稳定状态的坡面，在以上4组节理面、岩体自重、雨水等的共同作用下，形成新的危石。

2 赤平投影分析

边坡在高程H3769附近至隧道基底高程H3798和洞顶凸起基岩上方高程H3820附近至山脊这两段边坡发育有4组节理，但两段边坡的倾角不同。通过工程地质断面图可以得出H3769附近至隧道基底段边坡的产状为N10°W/62°NE，洞顶凸起基岩上方至山脊段边坡的产状为 N10°W/44°NE。隧道基底 H3798至洞顶凸起基岩上方H3820附近段边坡主要发育有J1，J2，J4 3 组节理，边坡的产状为 N10°W/84°NE。

2.1 计算参数选取

该段边坡闪长岩应用产状:节理 J1，N19°W/48°SW;节理 J2，N50°W/41°NE;节理 J3，N75°E/72°NW;节理 J4，N34°E/65°SE。

坡面 Slope1:N10°W/62°NE(H3769 ～ H3798);坡面 Slope2:N10°W/84°NE(H3798 ～ H3820);坡面Slope3:N10°W/44°NE(H3820 ～ 山脊)。应用的相关参数:岩石层间综合摩擦角38°。

2.2 赤平投影法稳定性分析［3-5］

采用赤平投影分析法，绘出节理、边坡临空面空间组合关系图(图2)，从图2(a)和图2(c)可以看出:坡面投影区穿过单滑面1，2，3和 4，双滑面 12，13，14以及坠落体 G，未穿过双滑面23，24和34。故双滑面23，24和34的滑塌形式是在边坡临空面出露的滑塌体，从各切割锥的稳定性系数分析得知，双滑面23，24和34的稳定性系数分别为1.06，0.89，1.31。故双滑面滑塌体34处于稳定状态，双滑面滑塌体23处于基本稳定，双滑面滑塌体24不稳定，会产生滑动。故盆因拉隧道进口边坡 H3769～H3798段和H3820～山脊段岩体在自然状态处于不稳定状态，在施工前需采取工程防护措施。

图2 边坡赤平投影

从图2(b)可以看出:坡面投影区未穿过双滑面24，故双滑面24的滑塌形式是在边坡临空面出露的滑塌体。双滑面24的稳定系数为0.89，故双滑面滑塌体24不稳定，会产生滑动。故盆因拉隧道进口边坡H3798～H3820段岩体在自然状态处于不稳定状态，在施工前需采取工程防护措施。

3 有限元分析

基于边坡工程地质资料和有限元法模型建立原则［6］，建立地质模型和离散模型，见图3(a)和图3(b)，对模型进行边界约束:侧面X向不变形，底面Y向不变形。计算参数见表1。开挖状态下边坡剪应力分布见图3(c)。

图3 盆因拉隧道计算模型

表1 数值模拟岩石物理力学参数取值

应力变形分析:最大水平向应力、最大垂直向应力和最大剪应力均出现在隧道开挖加载的边角处。由于隧道的开挖加载，应力发生重新分布，在隧道开挖边角处产生较明显的局部应力集中。根据以上分析，边坡开挖加载改变了岩体内原始应力状态，并产生局部应力集中。为适应新的应力状态，边坡向开挖临空面方向发生回弹变形，边坡临空面变形较大。

强度分析:采用莫尔强度理论准则［7］对开挖后边坡岩体抗拉强度进行破坏分析，取强度因子 σt=2 MPa，C=0.3 MPa，φ =38°。在隧道开挖加载处发生应力集中，潜在剪切破坏点主要集中在隧道开挖处周围、隧道洞口上部边坡坡面以及桥台下部岩体。

4 结论与建议

盆因拉隧道进口边坡发育4组节理，其中节理J1倾向与边坡倾向相反，对边坡稳定性影响较小，节理J3的倾向与边坡倾向垂直。节理J2，J4为顺坡向节理，为不利结构面，严重影响边坡的稳定性。由结构面切割形成的楔形体可能沿节理面J2和J4，J2和J3，或者J3和J4滑动，边坡处于不稳定状态。在降雨、隧道施工、桥台开挖等作用下，边坡上将形成滑塌体，需要采取相应的工程防护措施。

盆因拉隧道进口边坡在自然状态下是处于稳定的，开挖加载状态下，隧道开挖加载处发生应力集中，潜在剪切破坏点主要集中在隧道开挖处周围、隧道洞口上部边坡坡面以及桥台下部岩体。建议在工程施工开挖时，采取相应的工程防护措施。

盆因拉隧道进口边坡岩体稳定性差。坡面岩体在4组结构面的作用下，形成潜在不稳定岩体，对隧道基底、桥台基础均构成严重威胁，需采取清危、主动防护网、锚索框架梁等综合治理措施。隧道洞口上方楔形危岩体，在降雨、机械震动、施工扰动等作用下很可能发生滑塌，影响边坡稳定性，对下部的隧道口、桥台施工及已建桥墩的安全造成严重威胁。需采取爆破清除、刷方、锚索框架梁等综合治理措施。边坡在开挖加载桥台时，需加固隧道洞口上部边坡岩体，并对桥台基础岩体采取加固措施，提高基础岩体强度。

［1］杨志法，王思敬，高丙丽．坐标投影图解法及其在岩石块体稳定分析中的应用［M］．北京．科学出版社，2009．

［2］蒋爵光．用赤平投影进行节理岩体稳定性分析的方法［J］．西南交通大学学报，1985(2):37-44．

［3］石跟华．岩体稳定分析的赤平投影方法［J］．中国科学，1977(3):261-271．

［4］赵文廷，卢毅．极射赤平投影 CAD图解及其在岩质边坡稳定性分析中的应用［J］．中国建材资讯，2007(6):42-48．

［5］王喜华，赵志明．赤平投影法在峡谷岸坡稳定性评价中的应用［J］．铁道建筑，2012(5):102-104．

［6］李红云，赵社戌，孙雁．ANSYS 10.0基础及工程应用［M］．北京:机械工业出版社，2008．

［7］刘佑荣．岩体力学［M］．武汉:中国地质大学出版社，2010．

U453．1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．09．21

1003-1995(2013)09-0068-03

2012-12-23;

2013-05-20

铁道部科技研究开发计划项目(2011G027-B)

焦国锋(1974— )，男，山西运城人，高级工程师。

(责任审编 赵其文)