复杂地质隧道进口危岩稳定性评价及防治措施_刘树林_.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202203004开放科学（资源服务）标识码（OSID）复杂地质隧道进口危岩稳定性评价及防治措施刘树林，雷 杰，祝 建（1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，西安710065；2.西安中交公路岩土工程有限责任公司，西安710065）摘要：基于某隧道进口处 3 处危岩单体，详细进行野外调查、勘查、测绘，查明危岩的自然环境、水文和工程地质条件、危岩特征及变形破坏模式。分析形成危岩的内外因素，认为危岩形成的内因是活动断裂、地层岩性和地貌条件，外因是风化作用和大气降水。并采用定性分析及结合计算模型定量评价危岩的稳定性，危岩体在天然工况下处于基本稳定状态，暴雨和地震工况下处于欠稳定-基本稳定状态。根据危岩体的发育特征、破坏模式及隧道洞口的建设条件，采用清危、镶补凹腔、回填洞穴、锚固、封闭注浆的防治措施。关键词：危岩；隧道；稳定性；倾倒式；拉裂式中图分类号：U451+.2文献标志码：B文章编号：1003 8825(2023)01 0234 07 0 引言国内外对危岩防治的理论较为成熟，治理措施较多，但针对不同的危岩需结合实际做到经济、合理、安全、可靠。邵其东1采用预应力锚索、排水沟、拦石墙对万州天生城危岩进行了防治，认为锚固是技术可靠、有效的危岩防治技术；唐红梅等2对三峡库区高陡拉裂-崩塌型危岩破坏机制进行了分析；冉涛等3分析三峡库区某危岩带的特征，评价了其稳定性并提出防治对策；郭红雨4分析了水利高边坡危岩的稳定性，并提出了防治措施和建议；胡鹏飞5对高速公路危岩工程地质分析及治理设计开展了相关研究。某高速公路项目处侵蚀剥蚀高中山峡谷地貌，山高坡陡、河流深切，地表起伏大，自然条件恶劣，沿线地质灾害极为发育。某隧道进口地形陡峻、断裂带发育、区域降水集中、岩性特殊，发育 3 处危岩单体。危岩体下方现有省道 S205、拟建桥梁和隧道，受线路控制点的影响，拟建线路无调整余地。治理方案受地形条件限制，不具备棚洞、拦石墙等防治措施。为消除危岩对隧道洞门、桥梁和既有省道S205 的隐患，在详细进行野外调查和勘查的基础上，查明危岩的工程地质条件、基本特征和破坏模式，并分析了危岩的形成因素，采用定性分析结合定量的方法分析了危岩的稳定性，充分研判危岩体的发育特征、破坏模式及隧道洞口的建设条件，提出采用清危、镶补凹腔、回填洞穴、锚固、封闭注浆的防治措施。1 地质环境概况 1.1 气象条件项目区为高原湿润气候，年平均气温 12.7。境内干燥、雨季分明，降雨期为 5 月9 月，平均降雨量 551.6 mm。1.2 地形地貌项目区整体属高山峡谷地貌，最高点位于汤珠河左侧山脊，高程1 787 m，最低点汤珠河河谷，高程1 292 m，相对高差达 500 m。山脉呈带状分布，走向 NW30左右，山脊呈刃角状，山体坡面多呈直线型斜坡，坡度一般 3050，局部大于 60，甚至直立，形成陡崖。坡脚坡度 3050。与汤珠河阶衔接，阶地顶部地势平坦，坡度小于 15。隧道进口微地貌为陡壁、陡坡，山体地形坡度 7080，局部为倒坡，山体顶部相对平缓。1.3 地层岩性隧道上覆第四系全新统崩坡积层（Q4c+dl）碎石土，第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl）卵石土；下伏二叠系下统第四岩性段(P12-4)灰岩、板岩。收稿日期：2022 04 22基金项目：江西省交通运输厅科技项目（2020H0011）作者简介：刘树林（1984），男，甘肃正宁人。高级工程师，硕士，主要从事地质灾害、工程地质研究工作，E-mail：。路基工程 234 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）隧道右线进洞口处为灰岩，浅灰、深灰色，成分以方解石为主，薄层状构造，钙质胶结，裂隙较发育，风化较弱，岩体较完整，为块体状。左线进洞口为灰岩夹中、厚层板岩，浅灰色-灰色，成份以黏土矿物为主，板状构造，岩质较坚硬，岩体相对较破碎，尤其洞口顶部基岩风化较强烈，呈碎块状，局部为碎屑状。1.4 地质构造、地震项目区构造为松潘-甘孜地槽褶皱系，处于龙门山北东向构造带、秦岭东西向构造带与马尔康北西向构造带之间的三角地块。隧道附近发育的断层为沙坝-松柏-联合村断层。断层整体倾向 NE，倾角 6075，断层尾部倾向 SW，倾角 60，属压扭性逆断层。附近露头明显，断层宽约 60 m，倾角约 70，倾向 NE，断距约 20 m。断裂带岩体破碎，呈散体状，糜棱岩化明显，岩体表面存在擦痕、镜面等摩擦痕迹。沙坝-松柏-联合村断层距离隧道进口约 1.4 km。地震动峰值加速度 0.20 g，地震动加速度反应谱特征周期 0.45 秒，地震基本烈度度。1.5 水文条件 1.5.1 地表水区内主要河流为汤珠河、白水江，汤珠河属白水江一级支流，白水江系嘉陵江一级支流。地表水以白水江河水及汤珠河河水为主，白水江、汤珠河水量丰富。地表水主要为大气降水，水流短暂。未见泉水出露及小溪。隧道位于白水江西北侧，隧道出口位置离河流较近，距离约 50 m。隧道进口右侧 30 m 为汤珠河，中间为省道 S205。1.5.2 地下水区域内地下水分别为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水、岩溶水。第四系崩坡积、冲洪积松散层，地下水主要为河谷阶地孔隙水。除了大气降水补给，也与河水互相补给，具有渗透性强、富水性好、条带状分布等特点。基岩裂隙水以变质岩裂隙水分布最广，但富水性较弱，主要埋藏于各类变质岩裂隙、褶皱、破碎带中，补给来源有大气降水、冰雪融化水及孔隙水，水量较弱。碳酸盐岩溶水分布于灰岩区，区内分布较广，富水性差异较大。岩溶发育程度为中等-强烈。地下水化学类型主要为重碳酸钙型或重碳酸钙镁型，矿化度 0.10.5 g/L，为 SO4.HCO3-Ca.K+Na型水。对混凝土结构具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。2 隧道进口危岩特征隧道进口岩体受沙坝-松柏-联合村断层的强烈影响，岩层褶皱、混乱，同时岩体节理、裂隙发育，岩体呈碎块状-块状，岩性以灰岩为主，夹中厚层板岩。左线洞口位于沙坝-松柏-联合村断层影响带范围内，岩体较为破碎，受洞口顶部危岩体威胁；右洞洞口紧邻断层影响带东侧界，岩体较为完整。隧道进口处基岩出露，坡度极陡，近乎直立，局部为倒坡，陡壁高约 150.0 m。危岩受弯曲状层面、结构面、断层面及卸荷裂隙控制。隧道进口岩体褶皱发育，洞口两组反向的层面产状分别为4572、22551，岩性为板岩、灰岩互层，相对较软、易风化板岩在重力、大气降雨及裂隙水等作用下，形成数个凹腔，岩层层面控制了危岩的底部及顶部周界；控制结构面产状 27040，延伸长 30.040.0 m，切割深度 0.52.0 m，发育密度 0.5 条/m，张开度 520 mm，无充填或局部有少量岩屑充填，裂面较粗糙，该结构面控制了危岩体底部的裂隙面；断层产状为 6086，断层影响范围内岩性风化强烈，呈碎块状，其基本控制了危岩体的左边界。卸荷裂隙产状 14884，控制了危岩体的厚度。隧道进口危岩节理、层面、断层分布，见图 1。225514572270406086图1隧道进口危岩节理、层面、断层分布 受岩层层面、断层面、结构面及卸荷裂隙等控制，岩块在空间几何形态上有三棱锥体、切割锥体、不规则体，块体大小不等。2.1 危岩特征与危害程度 2.1.1 危岩特征隧道左线进口危岩体共 3 块，W1 位于西侧18 m 处，W2 位于顶部 45 m 处，W3 位于东侧6 m 处。危岩特征，见表 1。危岩体分布，见图 2。表1危岩特征编号主崩方向/（）立面形状几何形态W1158葫芦状不规则W2148不规则形不规则W3148鞋底状不规则 刘树林，等：复杂地质隧道进口危岩稳定性评价及防治措施 235 右洞W3W1W2左洞图2危岩体分布 W1 危岩体立面似葫芦状，主崩方向 158，高程1 324.01 365.0 m，危岩体高 42.0 m，宽 22.0 m，厚 3.512.0 m。主要受层面及卸荷裂隙控制，底部顺层面发育 4 处凹腔，凹腔直径 1.01.5 m，深约 3.0 m，高约 7.0 m。凹腔底部裂隙贯通，裂隙缝宽 25 cm 不等。W2 危岩体立面呈不规则形状，主崩方向 148，高程1 362.01 400.0 m，危岩体高38.0 m，宽34.0 m，厚 3.59.0 m。主要受层面及卸荷裂隙控制，底部发育 1 处凹腔，凹腔深约 1.4 m、高约 4.5 m。W3 危岩体立面似鞋底状，主崩方向 148，高程1 316.01 353.0 m，危岩体高 38.0 m，宽 15.0 m，厚 2.57.5 m。主要受结构面控制，危岩底部沿结构面发育 3 处凹腔，凹腔直径 1.02.0 m，深约1.4 m，高约 4.5 m。2.1.2 危害程度在降雨、地震、风化等作用下，危岩体的裂隙及岩石的差异风化程度进一步加剧，存在沿破碎面滑移或崩落的可能。另外，在地质构造、节理裂隙、地表水等因素的共同作用下，岩体风化形成的凹腔部分贯通。凹腔顶部的岩体出现拉裂缝后，在自重等作用下易沿弱面（强度低的面）拉断、滑移或坠落。3 处危岩均不同程度地威胁隧道进口段及大桥桥台段的安全。2.2 危岩变形破坏模式分析综合研判分析每个危岩块体的分布位置、空间几何形态、结构特征、变形特征、软弱基座及影响因素等方面，3 处危岩单体呈滑移式、倾倒式两种破坏模式，部分单体存在多种破坏模式，见表 2。表2危岩单体破坏模式危岩单体编号滑移式倾倒式W1W2W3 滑移式：危岩体三面临空（三棱、四方柱体、不规则体），紧依母岩且块体后部及底部发育卸荷裂隙，在降雨等因素影响作用下，卸荷裂隙贯通易发生滑移式破坏。滑移机理是由于危岩的基座，在外力作用下抗滑力降低，承受上部块体的重力能力减弱，导致危岩块体沿剪切面发生滑移破坏。倾倒式：陡倾的碎块状、块状岩体在重力势能下发生弯曲，朝着临空方向，似悬臂梁一样发生弯曲、拉裂，发展至根部岩体折裂甚至压碎，进而出现转动、倾倒破坏。2.3 危岩形成因素 2.3.1 主导因素（内因）（1）地质构造：隧道进口危岩受沙坝-松柏-联合村断层的强烈影响，岩层扭曲、混乱，岩体节理、构造裂隙发育，坡面陡峻、近乎直立甚至呈倒坡，卸荷裂隙较发育，使岩体完整性较差，为危岩体的变形破坏提供良好的边界条件。（2）地层岩性：隧道进口危岩岩性为互层状灰岩、板岩，受断层挤压，层面褶皱发育。较易风化的板岩，在大气降水和基岩裂隙水的冲蚀作用下，沿不同岩性层面、结构面形成串珠状凹腔、卸荷裂隙。长期以来贯通发展，使得岩体演变为不稳定块体，易发生崩塌破坏。（3）地形地貌：危岩体位于高山峡谷地貌区，微地貌为陡崖、陡坡，其外侧临空面为其变形破坏创造了有利条件。2.3.2 诱发因素（外因）（1）风化作用：在物理、化学风化和生物风化作用下岩体的节理、裂隙变宽，黏聚力降低。岩体应力状态改变，应力达到新的平衡时，临空面岩体应力释放作用变强，产生外倾式卸荷裂隙。（2）大气降水：大气降水增加了岩土体的容重，水的软化及泥化作用使岩石强度参数降低，产生了裂隙水压力。从而导致危岩体的稳定性降低，加速危岩的变形破坏。3 危岩体稳定性评价及推力计算 3.1 定性评价危岩主要受层面、断层面及结构面控制，且后缘卸荷裂隙较发育，诸多结构面的组合对危岩稳定极为不利。定性分析认为，危岩坡面整体处于基本稳定状态，个别危岩体处于欠稳定状态。3.2 定量评价 3.2.1 计算工况采用 3 种工况进行设计和校核。工况一：现状工况，按实际状态考虑自重和现状裂隙水压力，裂隙水充水高度按调查裂隙的切割情况确定。工况路基工程 236 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）二：暴雨工况，按五十年一遇，考虑危岩自重和暴雨时裂隙水压力；裂隙水压力根据汇水面积、裂隙蓄水能力和降雨情况综合确定，取裂隙深度的1/31/2；同时，考虑因降雨引起的土体物质的迁移及上覆土层重度的增加。工况三：地震工况。考虑自重和地震力，同时考虑暴雨时的裂隙水压力。3.2.2 计算理论根据各危岩体的发育特征和可能的破坏形