第38卷第4期 文章编号:1003・2843(2012)04—0623-07 西南民族大学学报・自然科学版 Journal of Southwest University for Nationalities・Natural Science Edition 某公路隧道进口边坡危岩体失稳分析及处治探讨 毛新虎I1 ,张国文 f1.山西省交通科学研究院 山西太原030006;2.黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室,山西太原030006; 3.山西省第三地质工程勘察院,山西晋中030620) 摘要:我国是一个多山的国家,山区面积约占国土面积的三分之二.在多山地区,各种地质灾害的发育制约和影响着 当地的社会经济发展,特别是崩塌、危岩体灾害,严重影响着当地与外界沟通的交通枢纽建设.山西平高速公路是 连接山西治市与河南省安阳市高速公路的一部分,长平高速公路虹梯关超特长隧道进口位于虹霓河峡谷左岸岸坡, 在隧道进口的上方,分布一处约2万多m 的危岩体,威胁隧道洞门和与隧道相接的白母塘大桥的安全.通过隧道口的工 程地质条件及危岩体的调查研究,通过分析危岩体的形成机制和影响因素,对该危岩体做了系统分析,同时经过室内计 算,对危岩体的稳定性和应力应变场作了一定研究,并在此基础上,对危岩体灾害的防治技术方案进行了探讨. 关键词:公路隧道;危岩体;崩塌运动;处治方案 中图分类号:045 doi:lO.39690.issn.1003-2483.2012.04.27 文献标识码:A 松动、崩塌、滑动、倾倒、溃屈拉裂和溃屈 岩质高陡边坡的失稳包括变形和破坏两种形式,主要有蠕动、 等¨1.不同的地形地貌、地层岩性、地质构造、结构类型、结构 面特性的岩质高陡边坡,其失稳形式也不同 。】.危岩体的变形 失稳有时会严重影响施工的进度和安全【 _ . 1 隧道进口处的工程地质背景 隧道进口处属溶蚀、侵蚀低中山区’大部基岩裸露,主要由 奥陶系、寒武系碳酸盐岩组成.沟谷深切,山势险峻,岩石坚硬, 悬崖峭壁随处可见,峡谷壁陡,山顶高程1245.4m,沟底虹霓河 河床地面高程843.0m,最大相对高差402.4m.隧道进口位于虹 霓河峡谷左岸的堆积缓坡下方,洞底标高894.691m.堆积缓坡 以上由陡壁和缓坡平台依次组成四级台阶.各台阶的陡壁主要 由厚-巨厚层灰岩、白云质灰岩及自云岩等组成;缓坡平台主要 由薄层灰岩、白云质页岩等组成.隧道洞口处岩层产状 325。 5。.岩体中节理裂隙比较发育. 2危岩体的工程地质特征 图1虹梯关隧道进121段剖面图 危岩体是由卸荷裂隙与坡面包围的岩石组合体,多发育于河谷两侧硬岩或硬岩与软岩组合的陡峻岩壁上. 河谷是在水流作用下形成的,在形成过程中由于水流的切割冲刷,破坏了岩体的原始应力场,河谷两侧岩体应 收稿日期:2012.04.04 作者简介:毛新虎(1967-),男,山西夏县人,博士,教授级高工.张国文(1967-),男,山西省夏县人,工程师,主要从事水文、 工程、环境地质工作. 624 西南民族大学学报・自然科学版 第38卷 力重新分布,岩壁上的坡肩部位为拉裂区,致使原岩中的节理裂隙逐渐张开呈卸荷状,靠河谷侧裂隙张开程度 大,靠内侧逐渐闭合与原地层节理裂隙分布趋于一致.测区危岩体位于虹梯关隧道进口上方的岩壁上,主要由 PLj卸荷裂隙与坡面所包围的岩体组成(见图1). 2.1卸荷裂隙发育特征 危岩体上发育有以PL1为主的三组卸荷裂隙,PL1为构成危岩体的主裂隙,PL2与PLl平行,上方呈张开状; PL3位于危岩体的下方,呈张开状. (1)PL1卸荷裂隙 PL 位于右洞进口的右侧上方,在隧道上方第一台阶上呈张开状,缝宽30 ̄50cm,裂隙内灌木丛发育,其走 向即为裂隙走向.走向20 ̄35。,倾向110~l25。,倾角85~90。,走向与隧道走向夹角为46。,岩壁上可看到的 裂缝宽lO ̄30cm,在上部呈膝折状,使危岩体呈上宽下窄状.PLl裂隙在危岩体下部,向外侧歪曲一段后又向下 趋于闭合,在根部已呈紧闭状态,经采取岩块样,没有发现压裂现象,对危岩体的稳定较为有利. (2)PL2卸荷裂隙 PL2走向与PL1大致平行,二者间距约3m.PL2在第一平台上呈张开状,宽度50 ̄80cm,其内与PL1一样灌 木丛发育,PL1、PL2在第一平台上呈现出两排平行的绿色植被带.由PL2与坡面所包围的块体是危岩体的最上面 部分,似板状爬在危岩体上,也是从坡体下观察到的最危险部分. (3)PL3卸荷裂隙 PL3隧道上方的堆积缓坡与危岩体底部的交汇部位.PL3与坡面包围的为一高约30m、底宽约8~lOm的岩 柱,是现危岩体靠沟谷边侧原来的危岩体坍塌后的残留部分.与坡体之间的裂隙宽lO ̄30cm,且岩柱紧靠危岩 体底部,对危岩体起稳定作用. 在右洞自里向外反进时,发现PL1和PL3已切穿延伸进洞内,PL3在桩号Kn+l53处与隧道洞身相交,PL1与隧 道在桩号Kl…56处相交,裂缝宽度0.1~0.3m,其内多为钙质胶结,局部可见棕红色泥质物,均呈压密坚硬半成 岩状态,未发现新近活动迹象. 2.2危岩体结构及规模特征 危岩体可分为总体部分(wo和分体部分(wI_1). W1:由上述PL1与坡面所包围的危岩体为总体部分(w1),它包括了由Pl_a与坡面所包围的分体部分(W1.1).主要 由寒武系中统张夏组(∈2z)中上部的深灰、灰黑色厚~巨厚层状鲕状灰岩、自云质灰岩组成.呈南宽北窄、上宽下 窄的板状楔形体,南北两侧冲沟将PLl切割,危岩体长75m,宽50 ̄70m;上部厚34.5m,中部厚25m,下部厚20m, 总高度l OOm,总体积2.3万m .发育共轭节理,上方缓坡平台上节理产状:第一组60。 84。,密度2条/m,缝宽l~ 2mm,无充填;另一组9O。 85。,密度为2条/m,缝宽1~2mm,无充填.危岩体峭壁下洞口附近节理产状分别为 265。 88。和1 75。 80。,密度均为2条/m.两组节理与岩层面将危岩体切割成大小不等的菱形块体,危石耸立,为典 型的厚层块状结构,体内的层面大多连接良好. WI-l:PL2卸荷裂隙长约65m,危岩体厚约3~5m,宽约30m,高lO ̄,30m,体积约1500 ̄2000m . 2.3危岩体的岩性及物理力学特征 w,位于由碳酸盐岩类岩层构成的单斜构造中,母岩为寒武系中统张夏组厚~巨厚层状鲕状灰岩、白云质灰 岩构成,基座为徐庄组上部的薄~中厚层状鲕状灰岩、白云质灰岩.岩石干抗压强度244.8 ̄247.9MPa,湿抗压 强度190.1~2l5.9MPa,粘聚力(C)24.9~33.6 MPa,内摩擦角41.7"--45.1。,抗拉强度10.6~11.3MPa,密度2.76~ 2.77g/em。. 3危岩体稳定性分析 3.1应力场关系分析 (1)危岩体与卸荷裂隙应力场分析 第4期 毛新虎等:某公路隧道进口边坡危岩体失稳分析及处治探讨 625 工作区处于太行山中南部山区与河南平原交接地带,河谷下切 剧烈,当河谷下切形成临空面时,靠沟旁斜坡侧向应力解除,斜坡岩 体产生向临空面的回弹变形,斜坡的应力将产生相应的调整,从而 靠沟旁的第一组节理面的结合力逐渐消失,在后期降雨、植被、风化、 冻胀、重力等综合外营力的破坏下,逐渐形成现今的卸荷裂隙和危岩 体.随着风化卸荷的进行,卸荷裂隙越来越大,周而复始,出现累进 .. 式破坏【6】.在层状沉积岩层中,卸荷裂隙表现为上宽下窄,到一定深 度裂隙逐渐消失,这种作用在测区隧道附近发育深度为100m左右, 靠斜坡内这种作用逐渐减弱,在岩体中表现为三个应力分布区,即 应力降低区(卸荷裂隙区)、应力增高区和原岩应力区. (2)卸荷裂隙与各结构面赤平投影分析 危岩体受岩坡面、岩层面、卸荷裂隙面、节理面的控制,四结构 ①山体边坡120。L72’ 面对危岩体的稳定性起主导作用,为此,以赤平极射投影平面图 反 ②岩层产状325。Z5。 圆卸稿搿壤125。/7R・ 映其空间组合关系,从而分析其稳定性. 图2隧道入口边坡、节理、卸荷裂隙 隧道进口段峭壁坡面产状120。 72。;PL1产状为125。 78。, 组合赤平极射投影图 呈连续贯通出露,但底部尖灭,使危岩体未与母体脱离;岩层产状 平缓(325。 o).坡体中发育两组共轭“x”节理,产状分别为 265。 88。和175。 80。,发育密度均为2条/m.由赤平投影图(图 2)可以看出,四种结构面之间相交夹有四边形区域,即将岩石切割 成块体,其掉块与否取决于岩层面的结合程度和岩层风化凹进程度. — 由于张夏组底部岩性为薄层状泥质条带灰岩夹紫红、灰绿色页岩, 易风化,相对上方硬岩凸出,这样便形成危石凸出、悬空的现象,当 近水平的岩层面结合程度差时,悬空的危石重力大于岩层面的结合 力即产生掉块. 3.2危岩体(岩块)模拟崩塌运动参数计算 一般情况下,岩体发生崩塌后,落石的运动方式可概化为四个 阶段:脱离母岩、坠落、弹跳、滚动(滑动)稳定(图3). 崩塌落石坠落的速度决定着落石最终的滚动或弹跳距离.而直 图3落石的运动方式 落式落石的运动速度又与下落的高度及落石的体积和重量有关,非 直落式落石的运动速度与山坡的坡度、坡面岩性及植被发育情况密 切相关. (1)落石运动速度计算 对于崩塌落石速度的计算,采用前苏联尼・米・罗依尼什维里教授 提出的落石运动速度的计算方法,按折线形山坡(图4)计算.此计算 适用于:折线形山坡,各坡段的坡度角 为30 ̄60。,各段坡的长度 超过lOm,相邻的坡度 相差在5。以上. 假定在崩塌过程中,忽略声能,落石的势能只转变为动能和克服 摩擦做功,并设初速度为零,根据功能原理,则崩落体的运动速度可 由下式确定: 直落式 v=√2 . 非直落式v=,u42gh=e4h. 图4直线山坡崩塌落石速度 u= , = . 计算示意图 626 西南民族大学学报・自然科学版 第38卷 式中:h一落石的坠落高度(m); g一重力加速度(m/s ); 山坡坡度角(。); 一K一石块沿山坡运动所受一切有关因素综合影响的阻力特征系数,可采用下表所列公式计算 表1阻力特征系数K值计算公式表 注:K值计算公式可用于下列各种山坡:1.a>45。基岩外露的山坡;2. =35 ̄45。基岩外露、局部有草和稀 疏灌木的山坡;3. =30 ̄35。有草、稀疏灌木,局部基岩外露的山坡;4. =25~3O。有草,稀疏灌木的山坡; 其余坡段的终端速度按下式计算: r————————————————————————————一r——————————:——一 ,( )=√ 2(,)+2ghf(1一K ・cot ,)=、/ l(f)+s ・hf・ 时,则Vo(,)= 『(f一1);其中 一所考虑坡段的坡度角(。); 式中:Vo( )一石块运动所考虑坡段起点的初速度,可按不同情况考虑:若 ( )> 时,则 Vo(,)= 一1)cos(a(f_1)一 );若 (H) ( )一为相邻的前一坡段的坡度角(。);V,(川)一石块在前一坡段终端的运动速度(m/s). w 危岩体位于第一级台阶的上部,一旦发生崩塌后,落石可能会在下部的缓坡平台上发生弹跳,下面对 危岩体的落石下落速度进行计算,见表2. 表2危岩体的落石下落速度计算表 (2)落石的弹跳计算 落石以一定的速度落到坡面上以后,一般会在坡面上经过一次或多次弹跳.根据运动学原理,在第一次跳 跃式弹跳以后,第二次、第三次弹跳的幅度一般会比第一次弹跳小的多.通过对落石第一次弹跳运动轨迹研究, 可以计算出落石与坡面的最大偏离,从而可以确定拦截建筑物的高度和建筑物与山坡坡角间的最小距离. 落石的运动形式在理论上可按质点或球体在斜坡上的运动轨迹来表示(图5),这样就可以计算出落石运动时 距离斜坡面的最大距离. 2 r X ~ 式中:V0一为落石在坡面上的初速度(m/s);p一落石的反射速度方向与 —落石的运动轨迹方程为: —2V 2 infl+ 。c。 ・ .osj1_ , tilia-一/ / /t, Y轴的夹角:g一为重力加速度. 据此可以计算出落石运动轨迹在水平方向上距斜坡的最大距离为: Jl / / l一 /  ̄ \/ /一Vo2 ̄(tan a-cotf1)2max:一. 2gtana(1+cot ) 落石在垂直方向上距斜坡的最大距离为:H max=L max・tan 2 \/_/ —一 落石第一次弹跳的最远距离为: 0=二 ・sin(2y). g 200+2a(1-———其中: :—产=—一%5);丫为第二次弹跳时的反射速度 一/ / / y 、 f | 图5落石运动轨迹曲线 第4期 毛新虎等:某公路隧道进口边坡危岩体失稳分析及处治探讨 627 方向与 轴的夹角,X tan =_ :_ ・. tanan ;p一为恢复系数;九一为瞬间摩擦系数;;p一为恢复系数;九一为瞬间摩擦系数; l一/L (p一为第11次弹跳的入射角,一般用坡度角表示. 对w 危岩体发生崩塌后,落石在缓坡平台上的弹跳参数进行计算,见表3、4 表3 落石在缓坡平台上的弹跳参数计算表 wl-1崩落后落石在水平方向上的最大位移为141.8m,堆积缓坡从坡脚到河槽的总宽度为145m,说明W1.I 崩落后部分落石可能会滚落到沟底的河槽中;隧道位于堆积缓坡的中部,隧道高出河床约40m,上方堆积缓坡 高度为50m,再按照落石运动轨迹方程计算落石在隧道标高上(当y=50时)的水平位移,X隧道标高=62.35m. 3.3危岩体的稳定性评价 危岩体分布于标高950~11 20m之间,上部为缓坡平台,下部呈陡壁,陡壁高约130~140m,坡度72 ̄80。, 线路左}同上方岩体中卸荷裂隙发育一般,坡体稳定性较好;右洞上方节理裂隙和卸荷裂隙比较发育,为wl和 wl_1危岩体所在部位,边坡稳定陛较差.wl危岩体总体积约2.3万In ;W1.1危岩体为wt危岩体上的一部分,体积 约2000m。. 危岩体的分布与崩落的主要影响因素有降雨地震地形条件地质构造地层岩性风化卸荷和人工开挖等,其中, 人工开挖、降雨和地震为诱发因素 】.通过对与危岩体相关的岩坡面、PLl卸荷裂隙面、岩层面和节理面的关 系进行分析,自然条件下边坡为欠稳定边坡,wl_l危岩体的稳定性较差;极端条件下,可能会发生崩塌,威胁隧 道进口、隧道前面桥台及过往车辆的安全.经计算危岩体发生崩塌后,落石弹跳的最大水平位移为141.80m. 4处治方案建议 4.1被动防护方案 主要在危岩体下设置拦石(水)沟、堆积缓坡设置被动防护网、两隧道 洞门上垫层和端墙加厚加强、两隧道洞门前设置柔性棚洞四部分防护工程 对危岩体进行防护.具体工程措施如下: 危岩体下方设置拦石沟(I.t) 在危岩体与堆积缓坡交界地带设置拦石(水)沟(图6).拦石沟靠危岩体 下方脚部顺地势以左右洞中心向两侧沿展设置,修筑时自两侧坡下向坡上 两隧道中心相向进行,沟内呈阶梯状,宽度随地势尽量加宽,底宽不小于 lm.其功能是:1.利于排水;2.拦截沿危岩体垂直下落的石块;3.便于行人 和运送材料及小型设备;4.拦石沟修好后,顺便将岩柱后PL1裂缝中的灌木 等植被清理后,用水泥砂浆封闭、抹平,以拟制植物根劈作用和风化作用, 加强危岩体根部的稳定性. (2)堆积缓坡设置被动防护网(I一2) 采用布鲁克(成都)工程有限公司生产的布鲁克防护网(下称布鲁克),网 图6拦石沟示意图 628 西南民族大学学报・自然科学版 第38卷 高7m,宽70~lOOm,网与坡面基本垂直,坡面与水平面约呈45。角,自左右洞中心向两侧呈“人”字形并PJ-F方 倾斜,以利落石弹向洞门外侧,对洞门不产生危害(图7). (3)两隧道洞门上垫层加厚、端墙加强(I一3) 隧道贯通后,结合洞门景观设计,将洞门上的端墙加厚加 高(图7)、箍筋加强,洞门顶部平台在原设计方案上加大填料厚 度,最好用均匀的碎石料回填,增加落石在此处的弹性,使落 石在此得到缓冲. (3)在隧道i ̄l'-J前设置柔性棚洞(I一4) 据模拟计算:在最不利的情况下,危岩体崩落石块有可能 弹跳到隧道洞门前62.35—50=12.35m范围内,洞门前方为自 母塘大桥桥台,在桥台两侧以工字钢支撑钢拱网架,网架上下 装两层布鲁克网片,使其形成一柔性棚洞(图8),以防对洞门 前桥梁和行车产生危害.柔性棚洞的长度以1 2.35m增加50% 的安全储备,即安全系数取1.5时,柔性棚洞的长度为18.53m. 4.2主动+被动防护 该方案是对隧道西侧已有的人行小道进行拓宽修筑后,可到达 隧道顶部的二级缓坡平台上,在此设立工作面,将设备和材料 吊至隧道顶的第一级平台上,再在第一级平台上设立工作面, 对隧道上方危岩体进行防护.施工便道修通和两个平台工作面 设立后,可采取下面方案进行防护: 将隧道上方危岩体易崩落部分(wl一-)用布鲁克网防护,隧 道下方采用方案I中的I.1、I.2和I.3三项被动防护工程措施. 图7端墙、防护网等示意图 此方案的优点是:危岩体基本不会产生大的崩塌,隧道上方自 然保护区的自然景观可以得到保护.缺点是:修路工程量大、造 价高,从第一平台工作面向下吊放设备、材料和工作人员有很大 的安全隐患. 5结论与建议 图8柔性棚洞示意图 虹梯关隧道进口段W1危岩体总体积2.3万m ,整体稳定,其上方的wl-1约1500 ̄2000m 不稳定,在极端 条件下可能会产生局部崩塌,威胁洞门、桥台和行车安全.采用上述方案处治后,可有效改善其稳定性,确保高 速公路的安全运营. 参考文献: 【l1 】籍廷青.某岩质边坡失稳机理分析及处置措施研究【J】.山西交通科技,201 l(O5):llO・ll4. 【2】 陈秀琼.内昆铁路K249+1 59右侧岩质边坡崩塌形成机理及整治措施[DI.成都:西南交通大学,2007. 【3】王忠.索风营水电站Dr2危岩体稳定性分析及处治技术研究[O1.长沙:中南大学,2007. 【4】王成,黄勇.天山公路K701+850路段危岩体防治对策研究[J】.公路交通科技:应用技术版,201l(06):27-31. 【5】李沧海,邓辉.渝利铁路青石岩段边坡危岩体稳定性评价及防治措施研究【J].地质灾害与环境保护,2010(01):35-39. 【6】刘卫华.高陡边坡危岩体稳定性运动特征及防治对策研究[D】.成都:成都理工大学,2008. 【7】刘旭军,秦瑞萍,张国红.拍盘隧道进口危岩体稳定性分析[J】.华北国土资源,2007(02):73・79. 【8】刘宏,宋建波,向喜琼.缓倾角层状岩质边坡小危岩体失稳破坏模式与稳定性评价【J】_岩石力学与工程学报,2006,25(8):l12-l16 【9】胡厚田.崩塌与落石【M】.北京:中国铁道出版社,1989:9-24. 第4期 毛新虎等:某公路隧道进口边坡危岩体失稳分析及处治探讨 629 Some thoughts 0n dangerous rock mass for some highway tunnel import slope MAO Xin-huI' .ZHANG GUO—wen f1.Trafifc Emphases Lab for Constructing and Conserving Technology of Highway in Loess Zone,Taiyuan 030006,ER.C.; 2.Shanxi Provincial Research Institute ofCommunications,Taiyuan 030006,ER.C.; 3_Shanxi Third University ofr Geological Engineering Reconnaissance,Jinzhong 030620,RR.C.) Abstract:China is a mountainous country,and the mountainous area is about two-thirds of the land area.In mountainous raeas,constraints and the impact of the various geological disasters growth restrict and affect the local socio-economic development.Especially,collapse,dangerous rock mass disasters have seriously affected the trafifc construcion.With the development of China’S transportation industry,the long miles of road over the mountains have increasingly complex geological conditions of the tunnel through the mountain.Shanxi Changping Highway is part of the highway connecting Changzhi city nad Anyang city.Changping Highway Hon ̄iguan ultr ̄long tunnel is on the left bank of the rainbow river canyon.Above the tunnel entrance,there are approximately more than 20,000 m of dangerous rock mass,which threatens the Baimutang Bridge safety between the tunnel portal and the tunnel connection.This paper surveys the engineering geological conditions of the tunnel mouth and the dangerous rock mass,analyzes the dangerous rock mass formation mechanism and influencing factors,and by the indoor calcultaion,researches the dangerous rock stability and strain fields.Finally,this paper discusses the dangerous rock disaster prevention technology. key words:highway tunnel;dangerOUS rock mass;collapse movement;treatment program