某隧道进口边坡治理效果评价

郭代泉 李亨

摘要：某铁路隧道进口边坡因连日降雨发生滑塌，经现场调查发现边坡地质条件较差，节理裂隙发育，岩体破碎。文章基于赤平投影分析方法，计算表明边坡在自然状态下处于不稳定状态，与现场调查情况一致。为治理边坡，采用了预应力锚索（杆）框架的加固措施，并基于FLAC3D有限元数值模拟软件的计算结果，定性评价了边坡治理的效果。结果表明：治理后的边坡剪应力下降67.9 %，水平位移下降89.4 %，稳定性系数从0.7提高至1.8，治理后的边坡处于稳定状态，预应力锚索（杆）框架起到了很好的治理效果。

[作者简介]郭代泉（1989—），男，本科，工程师，主要从事岩土工程施工管理工作。

因连日降雨，导致某隧道进口边坡出现滑塌，滑塌体主要物质为碎石类土，黏土含量较大，滑塌体长30 m，宽约20 m，厚2～5 m。补充调查发现除既有滑塌体外，還形成一前缘宽约95 m，后缘宽约155 m，高约50 m，厚约10 m的突出岩体，其两侧因受雨水侵袭、物理风化作用等影响，均出现不同程度的新鲜剥落面。边坡在基岩裂隙水浸润、物理化学风化作用、岩体自重等的影响下，有向下发展的趋势，致使该突出岩体在外力作用下存在失稳风险，对施工、运营存在安全隐患。鉴于此，需要对隧道进口范围内的边坡采取加固措施。隧道进口坡面陡峭，需按一定角度沿基岩面清除隧道洞口上方的危岩，清除隧道洞口下方一定范围内的坡面堆积体，对清除后的坡面设置锚索（杆）框架梁进行防护。通过数值模拟软件计算边坡治理前后应力位移的变化以及稳定性[1]，定量评价边坡治理的效果[5-8]，经施工、运营验证，技术参数安全可靠。

1 地质概况

1.1 工程地质条件

隧道进口边坡位于安康市早阳乡神滩河右岸，属秦岭南麓低山区，自然坡度40～60°，属“V”型侵蚀谷，西北走向，局部山体直立，坡面高陡，相对高差约190 m，边坡全景见图1。边坡卸荷节理、裂隙发育，山顶平坦处大多辟为耕地，植被茂密。地层岩性主要为第四系坡积碎石类土、志留系下统片岩、石英岩及碎裂岩。地下水主要为基岩裂隙水，分布具有不均一性，主要赋存于片岩断层带、片岩及石英岩接触带、片岩裂隙中，区内降雨量较多，地下水接受大气降水的季节性补给，补给条件较好。

1.2 隧道进口边坡地质特征

边坡坡底高程238～320 m段地表为第四系坡积碎石类土，其余地段基岩裸露，为志留系石英岩。经综合分析，将该段斜坡按高程分成3个区域进行评价，分别为Ⅰ区：坡底238～320 m基岩陡坎底面;Ⅱ区：320 m基岩陡坎底面～360 m基岩陡坎顶面;Ⅲ区：360 m基岩陡坎顶面～坡顶，边坡地质纵断面见图2。

I区主要为第四系坡积粗（细）角砾土、碎石土，黏土含量较高，透水性好，雨水、地表水极易下渗;下伏基岩为石英片岩，顺坡向片理、节理发育，目前处于基本稳定状态。II区为隧道洞顶上部基岩陡坎，岩性为石英岩，岩层产状N54°W/69°N，主要发育3组节理，形成了宽约95 m，高约50 m，厚约10 m的突出岩体，在雨水浸润、物理化学风化作用、岩体自重、施工爆破、人为扰动等的影响下，稳定性较差。III区坡面危岩、落石发育，尤其是在风化剥蚀、顺坡向节理影响下，岩体切割成块状，易与母岩脱离滚落（图2）。

2 赤平投影分析

岩质边坡的稳定性主要受岩体中的结构面控制，各组结构面将临空的边坡岩体切割成滑塌体，在重力的作用下，这些滑塌体会顺着结构面产生滑移失稳破坏。所以通过研究结构面在三维空间中的组合关系、位置、结构面的力学参数等，可以评价边坡的稳定性和研究其破坏形式[3]。

2.1 结构面参数

隧道进口边坡主要岩性为石英岩，内摩擦角35°，坡向53°，坡度55°，岩层产状36°∠69°，发育两组结构面，J1：28°∠80°，J2：186°∠68°，隧道洞顶上方陡坎结构面见图3。

2.2 稳定性计算

边坡稳定性分析如图4所示，边坡滑塌体稳定系数计算见表1。层面和两组节理面相互切割，坡面穿过单滑面1、2、3，双滑面12、13、23的滑塌形式是在边坡临空面出露的滑塌体。从稳定性系数分析得知，双滑面12、13、23的稳定性系数K值均小于1，自然状态下不稳定，有产生滑动的可能，需要采取相应的工程措施。

3 边坡治理方案

3.1 预应力锚索框架

预应力锚索框架是一种广泛应用于加固边坡、整治铁路和公路滑坡的新型支挡结构。它将框架、锚索和岩土体结合成一个整体，充分利用了岩土体的强度，形成支挡结构，结构轻便，成本低，且与其他的支挡结构易于组合使用，对地形和变形部位的要求很低，设置位置灵活，能有效改变边坡受力状态，相比其它支挡结构而言，边坡的开挖量较小，开挖高度较低，有效减小了对自然的破坏。

3.2 锚索设计

采用预应力锚索治理边坡时，锚索提供的作用力主要有沿滑动面产生的抗滑力，在滑动面产生的法向阻力。对岩质边坡，设计锚固力Pt：

式中：γQ为荷载分项系数，可取1.30; sx和sy分别为锚索水平间距和垂直间距，设计锚索sx取3 m，sy取4 m;β为滑动面与水平面的夹角，为50°;ehk为侧向岩土压力水平分力标准值。

式中：Eh为危岩体的水平推力，根据数值计算结果取1.15 MPa;H为危岩体的上端到下端的垂直距离，根据现场调查结果H取45.44 m。

经计算，ehk=28.035 kPa，Pt=0.68 kN。

根据每孔锚索计算得到的设计锚固力Pt，计算整治每延米边坡所需锚索钢绞线的根数n：

式中：Pu为极限张拉荷载，取280 kN;安全系数FS1取2。经计算，n=4.86根，为了安全起见，锚索钢绞线取5根。

设计采用锚索钻孔直径dh=0.15 m，单根钢绞线直径d=0.0 152 m;注浆材料采用M40水泥砂浆，锚索张拉钢材与水泥砂浆的极限粘结力τu=2 400 kPa;锚孔壁对砂浆的极限剪切应力τ=550 kPa。取永久性锚固体设计安全系数FS2=3。

（1）按水泥砂浆与锚索张拉钢材粘结强度计算锚固段长度：

（2）按锚固体与孔壁的抗剪强度确定锚固段长度：

锚索的锚固体长度采用两者中最大值7.72 m，为安全起见，取8 m。锚索总长度=锚固段长度+自由段长度+张拉段长度，自由段长度根据工程实际情况进行取值。

治理方案局部布置图见图5。

4 边坡治理效果的有限元评价

4.1 计算工况选取

通过FLAC3D数值计算软件[5]分别模拟自然状态下隧道进口边坡在治理前和治理后的稳定性。

4.2 计算模型选取

采用XDK231+778.74-XDK231+960.26里程范圍内边坡断面作为计算模型，最高点的高程为412.86 m，隧道进口洞顶处高程为300.33 m。

4.3 计算参数选取

该边坡为单一的均匀连续的岩质边坡，主要岩性为志留系石英岩，计算参数见表2。

4.4 计算结果

治理前后边坡数值模拟计算结果对比如图6、图7所示。

（1）边坡治理前后剪应力对比图见图6。

应力分析：在天然状态下，岩土体由于只受自身重力的影响，故应力分布满足自重应力下的分布特征，即竖向应力随着边坡埋深的增加而增大越接近坡面水平应力越小，故边坡在治理前后水平应力与竖向应力变化比较小。由图6可以看出，治理前，边坡隧道进口上方剪应力为14 kPa，治理后该位置处剪应力有所降低，降低至4.5 kPa，降低67.9 %。

（2）边坡治理前后水平位移对比见图7。

位移分析：图7表明治理前后，边坡最大水平位移出现在隧道进口上方60.64 m处（高程360.97 m）。治理前最大水平位移为0.18 m，治理后最大水平位移为0.019 m，降低89.4 %。

稳定性计算表明，治理前边坡稳定性系数为0.7，边坡处于不稳定状态;治理后边坡稳定性系数为1.8，边坡处于稳定状态。

综合应力、位移以及稳定性系数结果，预应力锚索（杆）框架治理方案对边坡的加固起到了很大的作用，治理效果明显。经施工、运营验证，技术参数安全可靠。

5 结论

（1）通过现场调查发现，隧道进口边坡顺坡向节理发育，边坡表面存在1～4 m厚的风化层，陡坎节理裂隙发育，岩石破碎，应力重分布严重，边坡稳定性较差。

（2）赤平投影结果表明，隧道进口边坡中部临空面在治理前稳定性系数小于1，故边坡处于不稳定状态，有发生失稳破坏的可能，需要采取相应的工程措施。

（3）采用预应力锚索治理边坡时，经计算，为安全起见锚索的锚固体长度取8 m，自由段长度根据工程实际情况进行取值。

（4）对治理前后的边坡进行数值模拟，结果表明，边坡隧道进口上方治理前剪应力为14 kPa，治理后该位置处剪应力有所降低，降低至4.5 kPa，降低67.9 %，;治理前该位置最大水平位移为0.18 m，治理后为0.019 m，降低89.4 %。边坡稳定性系数从0.7提高到1.8，预应力锚索框架起到了很好的加固治理效果。

（5）经施工、运营验证，技术参数、方案安全可靠。

参考文献

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