岗子上隧道口冰水堆积体边坡开挖支护措施研究

高美奔，邓 辉，涂国祥，刘云鹏

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 610059)

在我国西南地区高速公路建设中会遇到需要开挖冰水堆积体边坡的情况。这种边坡具有复杂的沉积和结构特征，主要由碎块石和土组成，具有一定程度的弱胶结，胶结物成分一般为泥质，局部呈弱钙质胶结，受地表水及地下水影响较大。文献［1-6］对西南地区冰水堆积体的分布、成因、沉积特征、结构特征、工程特性、形成演化历史过程等方面展开了研究。文献［7-8］研究了澜沧江古水电站坝前冰水堆积体渗流及强度特性，认为冰水堆积体的透水能力较差，表现出一定程度的层流～紊流过渡状态的特点。其抗剪强度较高，剪切破坏过程存在较明显的应变强化和剪胀现象，其强度包络线在低应力水平下呈直线状，在高应力水平下呈非线性下凹形。文献［1，7-8］在对西南山区河谷冰水堆积体长期研究过程中发现，冰水堆积体颗粒粒径分布范围广，主要以巨颗粒和2～60 mm的粗颗粒为主，土体不均匀系数高，组成堆积体的物质成分复杂，且大多属远源物质，结构密实，少见架空现象，一般呈中密～密实状，大多还具有一定程度的泥质或弱钙质胶结。文献［9］认为古水古湖形成于晚更新世早中期的末次间冰期晚期和末次冰期的早冰阶与间冰阶早期，很可能是大型冰川(如下游的明永冰川等)或巨量的冰水沉积物堰塞了澜沧江河谷而造成的结果。文献［10-12］对金沙江沿岸的部分冰水堆积体形成及演化作了较为深入的研究。

雅泸高速公路岗子上隧道位于四川省汉源县县城西南约10 km的小堡乡境内，线路进口接青杠咀特大桥，出口接宰螺河大桥。下游瀑布沟电站蓄水后，将会使得岸坡前缘约1/4冰水堆积体处于水下。若岗子上隧道进口开挖边坡产生失稳，将致使瀑布沟水库涌浪或淤堵，造成巨大的经济损失。因此，研究岗子上冰水堆积体隧道进口边坡开挖支护过程中的应力、应变特征及选择合理的支护措施，确保边坡稳定，对瀑布沟水库和雅泸高速的安全运营具有重要意义。

1 工程概况

岗子上隧道进出口紧邻大渡河右岸展布，横穿大渡河右岸凸岸尖顶山山脊，为双洞分离小净距越岭长隧道。隧道左右洞同长，全长1 460 m，单洞双车道，建筑限界净宽10.25 m，净高5.0 m。隧道最大埋深约480 m，洞轴线走向在 225°57'～ 239°51'，公路下方的大渡河正常水位在768～770 m，下游瀑布沟电站蓄水后正常水位将抬升至850 m。隧道进口古冰水堆积体边坡倾向约40°，坡度在32°～55°，坡面呈直线状，前缘临空。

据地面地质调查及钻探揭露场地内出露地层主要有上～中更新统冰积、冰水沉积层(Qgl+fgl2+3)及震旦系下统苏雄—开建桥组(Zas-k)。

冰水堆积层根据其颗粒组成主要为碎块石土，紫红色、紫灰色，覆于地表或伏于含砾低液限粉土下，分布于隧道进口附近及其下部坡体山梁一带。组成成分湿，松散～中密，泥质弱胶结，一般粒径＞200 mm约占35% ～55%，60～200 mm约占10% ～20%，20～60 mm约占10% ～20%，2～20 mm约5% ～20%，余为砂及细粒土充填，级配较好，分选差，最大块径达2.9 m，呈棱角状及少量次棱角状、次圆状。石质成分主要为弱风化花岗岩、流纹斑岩，其次为花岗闪长岩、安山岩等，土质不均，局部为小块石。厚度一般约25～40 m。

边坡出露基岩主要是震旦系下统苏雄—开建桥组(Zas-k)，主要为暗紫红色、紫灰色、绿灰色流纹斑岩，玻基斑状结构，流纹斑杂状、块状构造，矿物成分以钾长石及石英为主，斑晶矿物以钾长石、石英、酸性斜长石为主，斑晶1～10 mm，含量25% ～45%，基质为玻璃质及长英质。裂隙发育，岩体呈破碎～较完整状，节理裂隙面见少量绢云母化蚀变矿物，表层岩体较破碎，呈块状及碎石状，强风化带厚度在0～13.2 m。

2 边坡开挖主要问题

下游瀑布沟电站蓄水后，会使得岸坡前缘约1/4冰水堆积体处于水下。据调查，该部分冰水堆积体由碎块石和土组成，具有一定程度的弱胶结，胶结物成分一般为泥质，局部呈弱钙质胶结，在水的软化作用及孔隙水压力作用下将可能诱发隧道进口开挖边坡产生失稳，此外由于隧道进口仰坡开挖坡度较大，导致前缘临空侧岩土体变薄，为冰水堆积体开挖边坡下滑提供了较为有利的前缘剪出条件，存在失稳的可能。因此岗子上隧道进口冰水堆积体边坡主要面临两方面问题:一是开挖边坡稳定性问题，二是如何选取合适的开挖边坡治理方案。

3 边坡支护措施

根据开挖边坡稳定性计算结果以及破坏面形态，同时考虑到隧道外接跨河大桥对边坡变形控制的特殊要求，提出分5级放坡。放坡线下部开口线位于桩号K95+190，自下而上第1，2级坡比为1∶1.75;第3级坡比为1∶1.5;第 4，5 级(隧道仰坡)坡比为 1∶0.75。在开挖隧道进口下部，剪出口上部布设抗滑桩，并用横梁将2排桩顶部连接，以提高支挡结构物整体刚度。其中，坡脚桩号K95+190设置一排抗滑桩(C排桩)，桩长为24 m，截面尺寸为2 m×3 m，间距为5 m。另外在桩号约K95+244处设置2排抗滑桩，2排桩之间间距为6.5 m。外侧桩(A排桩)长为27 m，截面尺寸为2 m×3 m，桩间距为5 m。内侧桩(B排桩)长27 m，截面尺寸为2 m×3 m，间距为5 m。2排桩顶采用承台相连，桩顶以下4 m设置一地梁相连。隧道仰坡采用锚杆框架支护，第1级坡布设5排长10 m，直径φ28的普通全浆锚杆，第2级仰坡布设5排长15 m，直径φ28的全浆锚杆。支护方案设计如图1所示。

图1 支护方案设计(单位:m)

4 边坡开挖支护过程数值分析

运用Geo-studio(sigma)软件，研究岗子上边坡工程开挖支护过程中边坡变形破坏趋势及应力、应变特征，探讨抗滑桩+锚杆支护措施的效果。

4.1 计算参数及边界条件选取

根据前期勘查资料及试验数据，结合现场调研资料及工程地质类比，综合确定了边坡内各岩土体的物理力学参数如表1。

表1 岩土体物理力学参数

据区域资料显示，该边坡地区应力场以重力场为主，构造应力较小。尤其在地壳浅表层，构造应力场在斜坡形成过程中受后期风化卸荷作用，已经基本释放完毕。因此，本次有限元计算模拟边界条件采用边界节点固定约束类型。

4.2 模型构建及计算方法选取

综合考虑边坡岩性组合及岩体结构特征等边坡实际工程地质条件，假定边坡岩体应力、应变之间的本构关系为弹塑性，岩体的破坏服从摩尔—库仑准则。本次有限元计算中，有限元单元的划分以三节点、三角形单元为主，辅以少量四节点、四边形单元。模型共划分了1 612个单元。整个有限元计算网格模型如图2所示。

图2 有限元计算网格模型

4.3 边坡初始应力、应变场特征

边坡初始应力、应变场见图3，从图中可见:

1)应力特征。由图3(a)可见，初始状态下边坡最大主应力方向在坡内深部与重力方向近于一致，靠近边坡表层最大主应力方向发生偏转，在边坡表层其方向变为与坡面近于平行;由图3(b)可见，边坡最大剪应力方向在坡内深部与重力方向近于一致，与最大主应力一样，靠近边坡表层最大主应力方向发生偏转，在边坡表层其方向变为与坡面近于平行。

2)应变特征。由图3(c)和图3(d)可见，变形方向与坡面平行，在隧道入口一定深度处有变形集中带。

3)总体而言，边坡初始应力场表现出明显受重力场控制的斜坡应力场特征。

图3 边坡初始应力、应变场(应力单位:kPa;应变单位:m)

4.4 边坡开挖后应力、应变场特征

边坡开挖后应力、应变场见图4，从图中可见:

1)应力特征。由图4(a)可见，开挖后，边坡最大主应力变化不大，与初始状态下相似，最大值约为4 500 kPa;由图4(b)可见，开挖后边坡剪应力在隧道入口处有一定的变化。方向有突变，出现应力集中。

2)应变特征。从图4(c)和图4(d)中可见，边坡开挖后在基覆界面处形成应变集中带，应变明显增加，最大剪应变可达0.8 mm，最大应变值约为0.5 mm。

图4 边坡开挖后应力、应变场(应力单位:kPa;应变单位:m)

3)总体分析。开挖后，边坡应力、应变场与初始应力、应变场相比有一定变化。因工程挖方量较大，开挖对边坡应力、应变场产生了一定范围的改变，致使应变明显增加，若无支护，高程850～910 m段边坡体将从环湖公路沿应变集中带在开挖形成的前缘临空位置剪出。

4.5 边坡支护后应力、应变特征

抗滑桩+锚杆支护后边坡应力、应变场见图5，从图中可见:

图5 边坡支护后应力、应变场(应力单位:kPa;应变单位:m)

1)应力特征。由图5(a)可见，支护后边坡最大主应力等值线在B排桩后缘发生明显的偏转和突变，最大主应力等值线图变为“外凸内凹”，致使B排桩与锚杆(长5 m)区间最大主应力增大约200 kPa，第1根等值线位置处由原来200 kPa增加到500 kPa;由图5(b)可见，剪应力在排桩底部和锚杆尾端均发生明显偏转和突变，剪应力等值线在桩底变为“外凹内凸”，致使临近区域剪应力水平值低于原来水平。

2)应变特征。从图5(c)和图5(d)可见，支护后应变在B排桩后近坡表位置处发生了明显偏转，该区域最大应变变为集中于桩后，且位移值有一定程度的降低。

3)总体分析。抗滑桩+锚杆支护措施有效地控制了坡体的变形，剪切破坏面未贯通，在与抗滑桩接触面附近，方向发生了明显改变，保证了边坡的稳定性。同时锚杆能起到辅助坡面的作用。

5 结论

通过对岗子上隧道口冰水堆积体边坡开挖与支护过程的分析，可以得出以下结论:

1)在天然状态下，岗子上隧道口冰水堆积体边坡应力场表现出明显受重力场控制的斜坡应力场特征，整体稳定性较好。

2)工程开挖致使基覆界面处应变明显增加，若无支护，高程850～910 m段边坡体将从环湖公路沿应变集中带在开挖形成的前缘临空位置剪出。

3)抗滑桩+锚杆支护措施有效地控制了边坡的变形，能确保边坡的稳定性，将为隧道的安全使用和运营提供有力保证。

［1］中国第四纪冰川与环境研究中心，中国第四纪研究委员会.中国西部第四纪冰川与环境［M］.北京:科学出版社，1996.

［2］涂国祥.西南河谷典型古冰水堆积体工程特性及稳定性研究［D］.成都:成都理工大学，2011.

［3］刘云鹏，黄润秋，邓辉.库岸再造对雅泸高速公路岗子上隧道进口岸坡的影响［J］.工程地质学报，2011，19(3):417-427.

［4］姚鑫，张永双，李宗亮，等.四川泸定磨西台地第四纪冰水台地边坡地质灾害易发性研究［J］.工程地质学报，2009，17(5):597-605.

［5］周家文，徐卫亚，孙怀昆.古水水电站工程区域堆积体边坡工程地质分析［J］.工程地质学报，2009，17(4):489-495.

［6］王运生，黄润秋，段海澎.中国西部末次冰期一次强烈的侵蚀事件［J］.成都理工大学学报:自然科学版，2006，33(1):73-76.

［7］涂国祥，黄润秋，邓辉.澜沧江某冰水堆积体演化过程及工程地质问题探讨［J］.山地学报，2009，27(1):54-62.

［8］涂国祥，黄润秋，邓辉.典型冰水堆积体浪蚀作用下变形破坏机制研究［J］.工程地质学报，2006，16(5):598-604.

［9］张永双，赵希涛.澜沧江云南德钦古水一带第四纪堰塞湖的沉积特征及其环境意义［J］.地质学报，2008，82(2):262-268.

［10］赵希涛，郑绵平，李道明.云南迪庆小中甸古湖的形成演化及其与石鼓古湖和金沙江河谷发育的关系［J］.地质学报，2007，81(12):1845-1851.

［11］赵希涛，张永双，曲永新，等.玉龙山西麓更新世冰川作用及其与金沙江河谷发育的关系［J］.第四纪研究，2007，27(1):35-44.

［12］张明，胡瑞林.金沙江下咱日堆积体的成因和稳定性初步分析［J］.工程地质学报，2008，16(4):445-449.