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湖北某山区高速公路隧道洞口边坡稳定性分析
发布时间:2014-4-24  |  发布者:佚名  |  查看:1183  |  字体:
 在山区及丘陵区进行高速公路的施工建设时往往会形成挖方、填方以及隧道洞口边坡,因此边坡稳定性问题成为该类区域高速公路建设的主要工程地质问题。边坡的滑坡失稳破坏是一种重要的地质灾害,尤其是隧道洞口边坡失稳会造成局部环境破坏[1]。因此,根据不同类型滑坡的滑体特征和滑动特征,正确评价边坡的稳定性,并采取经济合理的治理措施,在工程建设过程中显得极为重要。
  1  工程概述
  湖北某山区高速公路隧道位于秦岭、大巴山余脉,隧道呈近东西向展布,左幅长322m,最大埋深约57m;右幅长311m,最大埋深约69m。隧道毛洞宽约12m,高约10m,隧道洞口段围岩等级为Ⅴ级,拟在洞口设置5m明洞,20m超前管棚支护。隧道仰坡设计按1:0.75刷坡,采用φ25L4.0m中空注浆锚杆防护;隧道洞口段接高填方路堤,下设钢筋混凝土拱涵跨越冲沟。隧址区属构造剥蚀丘陵-低山地貌区,地形起伏较大,植被较发育。隧道轴线经过地段地面高程约245~510m。隧道进出口地形坡度稍陡,自然坡脚约20~30°,坡脚为青石沟沟底,有季节性流水。该区域地质构造十分复杂,具有典型活动型地壳构造和时空演变规律,岩浆活动频繁,区域变质作用普遍,褶皱、断裂十分发育,褶皱多扇形及倒转构造,断裂有正、逆、平移等类型。表层分布第四系残坡积层,基底岩石为元古界武当山群挡鱼河组片岩。
  2  隧道洞口稳定性影响因素及破坏模式
  隧道洞口段施工与边坡稳定相互影响。洞口段开挖已经破坏了山体的自然平衡,进洞施工时进一步减少了山脚的支撑,使得进洞施工时边仰坡变形增加;同时,边坡变形后对洞口段支护结构的压力增大,导致支护结构受力不利。对于坡面平行型边坡,边坡出现的病害为隧道开挖诱发山体滑坡和隧道拱顶薄弱处塌方,隧道支护结构受地形偏压的影响受到不对称荷载而出现开裂、喷层剥落等病害;对于坡面正交型边坡,开挖导致隧道上方岩体向隧道内移动,当隧道埋深较浅时地表会出现较大沉降,当边坡较高且防护不及时可能出现滑坡或者坡面开裂等情况。为避免施工时边仰坡出现塑性区或者限制塑性区的发展,减小松动范围,防止边坡破坏,需要在隧道进洞前对边仰坡进行支护,限制边坡位移[1]。
  2.1  隧道边坡稳定性影响因素
  影响边坡稳定性的基本因素是多种多样的,对于隧道边坡,首先要从隧道所处地质的结构状况、力学特性出发,再结合具体的工程因素和自然因素等综合分析,寻求各因素的影响特点和关系[2]。
  1)地质结构的影响
  对于处于岩质地区的隧道,洞口岩体中结构面的存在是影响岩质边坡稳定性的重要因素之一。不稳定岩体往往是沿着1个适宜的结构面或多个结构面的组合边界发生剪切滑移、张拉破裂和错动变形等,从而造成岩体边坡的失稳。
  对于处于土质地区的隧道,边坡的破坏无不与地表水的冲刷、侵蚀有关,而土体自身的凝聚力对边坡稳定的影响最大。
  2)地应力的影响
  地应力包括自重应力、地质构造应力、地震应力、温度应力以及有关物理化学作用所引起的应力等。由于隧道的开挖,工程活动形成的二次应力场的叠加、干扰和调整问题,破坏了边坡岩土体的相对平衡的应力状态,进而进一步加剧了岩体的物理力学状态的复杂性,初始应力状态重新分布,不仅表现在应力释放方面,而且表现在应力集中方面,这对于洞口处的边坡稳定是很不利的。
  3)其他因素的影响
  在施工过程中,由于隧道的开挖,可能破坏原有的稳定控制界面,将原有的控制界面带间的水流闭路系统破坏,形成渗流通道,使得界面上的黏性参数大幅降低,导致边坡的滑移破坏。
  2.2  隧道边坡破坏模式
  在隧道工程中,边坡的破坏模式主要表现为以下几种:1)边坡喷层剥落破坏;2)张拉破坏;3)剪切破坏;4)局部塌陷破坏;5)雨水冲刷破坏;6)洞口初期支护失稳破坏。其中,比较常见的是剪切挤压破坏和拉裂破坏。对于隧道边坡的破坏模式,可以分为以下几种:平面滑动破坏、楔形破坏、崩溃破坏、局部塌陷破坏和堆塌破坏[3]。
  3  隧道洞口滑坡特点
  隧道洞口开挖整平过程中,山体边坡发生滑动,地表出现开裂变形,严重影响隧道洞口段的施工。滑坡区自下向上主要分为3个平台,第1级平台标高约275m,第2级平台标高约为289m,第3级平台标高约为298m。滑坡体平面上呈“簸箕”形,主滑方向75°,滑坡后缘高程312m,前缘高程275 m,前后缘高差37 m,倾向东侧冲沟。
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  3.1  滑体及滑床特征
  滑坡体物质成分主要为第四系残坡积碎石土,褐黄色,主要由碎石土组成,碎石由强风化片岩碎块石组成,稍密-中密,土石比2:8,碎石粒径一般为2~5cm,少量大于20cm。其中K3、K4钻孔土石比6:4,粉质黏土含量较高,呈可塑状。该层厚度3.95~8.80m。
  滑床物质成分为片岩,灰绿色、深灰色,变晶结构,片状构造,主要矿物成分为云母、石英,根据岩石风化程度可分为强风化带和中风化带。采取中风化岩石样作饱和单轴抗压强度试验,抗压强度9.52~21.94MPa,平均值为16.53MPa。
  3.2  滑面特征
  从滑体的物质成分及变形特征分析,滑坡为土质滑坡,滑面为土岩接合面。滑面整体倾角18°,土岩接合面处黏性土含量较高,呈软塑状态,地下水在此遇阻后浸泡软化土体。
  滑坡体主要位于隧道左洞及两侧,前缘为现隧道洞口开挖的175m高程坡脚,跨2幅隧道的洞口段;后缘位于山间小路西侧陡坎附近,陡坎局部基岩出露;南北两侧边缘斜裂隙发育,地表变形界限较清晰。
  滑坡体第2级平台垂直下陷最大达2.8m,平均下陷1.8m,形成拉张裂缝宽30cm以上,中部形成多处拉张裂缝,滑坡后缘第3级平台拉张裂缝平均宽7cm,南北两侧形成剪切斜裂缝,宽度5~20cm不等。滑坡体纵长约90m,横宽约40~70m,平均厚度约6.0m,面积约5400m2,体积约32400m3,该滑坡属于小型浅层土质滑坡。
  4  边坡稳定性分析
  隧道边坡采用了削方减载法,通过减轻滑坡致滑段的滑体超重部分,减小滑体的下滑力,使得滑坡趋于稳定。通过数值模拟,分析了隧道边坡坡脚开挖时的情况,并且模拟削坡卸载的3种方案:1)沿表面地层线削坡1m厚度;2)沿表面地层线削坡1.5m厚度;3)沿表面地层线削坡2m厚度。
  4.1  分析方法
  采用强度折减法进行边坡稳定性系数计算。强度折减法就是运用式(1)和式(2),不断调整土体的强度指标c、,然后对边坡进行数值分析,通过不断增加折减系数,反复分析边坡,直到其达到临界破坏状态,此时得到的即为稳定安全系数[4]。
  4.2  模型建立与计算参数的选取
  由于地质情况的复杂性和不确定性,考虑到勘查的滑坡体范围和洞口地形(见图1)以及洞口边坡剖面(图2),确定该隧道进洞口边坡模型X方向边坡长为90m,Y方向研究厚度为0.5m,Z方向边坡高度为37m。边界条件中,平行于XOZ面的两侧为Y方向约束,平行于YOZ面的两侧为X方向约束,平行于XOY面的底面为固定约束,模型上表面为坡面,取为自由边界。
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  在进行模拟时,整个模型分为表层碎石土层、中层强风化岩层以及下层中风化岩层,边坡表层碎石土层采用elastic(弹性)模型,厚度为6m;强风化及中风化岩层采用mohr(摩尔库伦)模型,强风化岩层为6m,中风化岩层为24m。在整个建模过程中,应用实体单元模拟整个边坡结构。
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    模型模拟时采用的地质参数见表2。
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  4.3  数值模拟计算结果分析
  通过数值模拟得出隧道洞口边坡在自然情况、坡脚开挖以及几种工程削坡处治状态下的稳定性系数,详细见表3。
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  随着削坡厚度的增加,边坡稳定性安全系数不断增大,边坡稳定性逐渐增强。
  通过数值模拟计算,得到了不同工况下的边坡的最大竖向位移,其结果见表4。
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通过理论分析得出,边坡的最不稳定部分为坡体前缘,因此需要在施工时密切监控前缘的位移变形,进洞时对初进洞部分采取有效的加固措施,保证边坡的稳定性。削坡卸载方案中,随着削坡厚度的增加,边坡的最大竖向位移呈现先减小后增大的趋势。这说明在削坡过程中,削坡的厚度对于边坡的稳定性有相应的影响,削坡厚度过小,则不能完全达到卸载的效果;而当削坡厚度过大,则对坡体产生较大的扰动,从而影响到岩土分界面。
  结合边坡稳定性系数分析结果,考虑到削坡土方工程量、成本以及边坡加固效果,建议采用削坡厚度为1.5m的削坡卸载方案。
  5  结语
  坡脚开挖对于边坡稳定性的影响较大,由于坡脚开挖导致边坡竖向位移增大,在采用了削坡卸载方案后,边坡的竖向位移明显减小,说明其边坡加固措施是有效的。结合数值分析结果以及工程实践经验,该工程滑坡治理采取地表排水+自钻式锚杆注浆+工程削坡卸载(削坡厚度1.5m)相合的方法,取得了很好的效果。
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