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式，对存在多种破坏模式的危岩体分别进行计算，取其最不利的结果，对其进行定量评价。（1）滑移式危岩稳定性计算：后缘无陡倾裂隙，见图 3。VWcosWsinhwW图3滑移式危岩稳定性计算 F=(WcosQsinV)tan+clWsin+Qcos（1）后缘有陡倾裂隙，滑面缓倾时F=(WcosQsinVsinU)tan+clWsin+Qcos+Vcos（2）V=wh2w/2（3）U=wlhw/2（4）Q=CiCzAhjW/g（5）式中符号意义参见地质灾害防治工程勘察规范（DB50/1432016），下同。（2）倾倒式危岩稳定性计算：由后缘岩体抗拉强度控制时（危岩体重心在倾覆点之外，见图 4。VhwWh0ab图4倾倒式危岩稳定性计算F=12flkHhsin(23Hhsin+bcoscos()W+Qh0+V(Hhsin+hw3sin+bcoscos()（6）由后缘岩体抗拉强度控制时（危岩体重心在倾覆点之内）F=12flkHhsin(23Hhsin+bcoscos()+WQh0+V(Hhsin+hw3sin+bcoscos()（7）由底部岩体抗拉强度控制时，见图 5。h0hwVHWbha图5倾倒式危岩稳定性计算 F=13flkb2+W Qh0+V(13hwsin+bcos)（8）3.2.3 计算参数根据结构面特征，参照工程岩体分级标准（GB/T 502182014），结合地区经验值确定。滑移式岩体黏聚力和内摩擦角根据结构面结合程度综合考虑；倾倒式按岩石强拉强度等室内实验参数，参考相关经验取值。计算参数，见表 3。表3计算参数工况/（kNm3）c/kPa/（）flk/kPa坠落式 滑移式 坠落式 滑移式 坠落式 倾倒式天然25.58242955110500饱和25.68242955110500 3.2.4 定量评价结果一般工况下安全系数 Fst取 1.3，校核工况安全系数取 1.15，稳定状态划分，见表 4。表4稳定状态划分稳定系数K1.01.05K1.0FstK1.05KFst稳定状态不稳定欠稳定基本稳定稳定 建立模型，按倾倒式、滑移式理论分别计算，各危岩体不同工况下稳定系数，见表 5。取计算结果中的较小值，为滑移式。刘树林，等：复杂地质隧道进口危岩稳定性评价及防治措施 237 表5危岩稳定性系数计算结果危岩体编号计算工况倾倒式滑移式稳定系数稳定性稳定系数稳定性W1现状1.270基本稳定暴雨2.67稳定1.183基本稳定地震2.05稳定1.024欠稳定W2现状1.300稳定暴雨2.39稳定1.169基本稳定地震1.95稳定1.019欠稳定W3现状1.338稳定暴雨2.26稳定1.164基本稳定地震1.89稳定1.005欠稳定 3.3 剩余下滑力计算根据危岩体的稳定性计算结果，计算滑移式危岩体剩余下滑力，计算结果，见表 6。Pi=Pi1i1+FstTiRi（9）式中：Pi、Pi-1分别为第 i 条块、第 i-1 条块的剩余下滑力，kN/m；Fst为剩余设计下滑力计算安全系数，取 1.30（非校核工况）、1.15（校核工况）；Ti为作用于 i 块滑动面上的滑动分力，kN/m；i-1为传递系数；Ri为作用于第 i 块段的抗滑力，kN/m。表6设计剩余推力统计危岩体编号计算工况稳定系数稳定性安全系数Fst设计剩余下滑力/（kNm1）W1现状1.270基本稳定1.30177.31暴雨1.183基本稳定1.30735.41地震1.024欠稳定1.15877.07W2现状1.300稳定1.300暴雨1.169基本稳定1.30532.66地震1.019欠稳定1.15592.74W3现状1.338稳定1.300暴雨1.164基本稳定1.30324.53地震1.005欠稳定1.15385.69 4 危岩防治工程设计 4.1 防治方案的选择危岩体下方目前为省道 S205，拟建线路以桥梁跨越省道 S205 后直接和隧道相连，受线路控制点的影响，拟建线路无调整余地；受地形限制，不具备设置棚洞、拦石墙等措施的条件。治理方案为：清除陡崖面危石；锚杆、锚索加固清方量大，可能产生次生灾害的危岩体，采用水泥浆灌浆封闭陡壁裂缝及危岩后壁裂缝；镶嵌补充陡崖面的凹腔。4.2 防治措施及设计 4.2.1 防治措施对 W1、W2 危岩体，采用坡面浮石清理、底部凹腔镶嵌、锚索墩加固陡崖面、后壁裂缝灌浆封闭。对 W3 危岩体，清除表面易坠体，采用锚索墩加固。对危岩体之外坡面，采用清除表面危岩块体、采用锚杆墩加固；对陡崖面洞穴进行回填处理。隧道进口危岩体立面，见图 6。防治措施横断面，见图 7。洞子洞子洞子 沙坝-松柏-联合村断层NE86/NW2704022551W1W2W3省道S205图6隧道进口危岩体立面 高程/m清理危岩清理危岩隧道锚索L长=22 m L锚=10 m142014151410140514001395139013851380137513701365136013551350134513401335133013251320131513101305裂隙注浆高程/m141514101405140013951390138513801375137013651360135513501345134013351330132513201315锚索L长=25 m L锚=12 m镶嵌支撑（a）-剖面（b）-剖面图7防治措施横断面 4.2.2 防治工程设计清方：清除陡崖面危石、浮石和坡面孤石，清理后裸露面坡度小于原始坡面坡度。锚索墩：坡面横向 3 m 布设 1 道锚索墩，竖向间距 4 m，锚索分别长 22、25、28 m，C30 钢筋混 凝 土 锚 墩 现 场 浇 注，每 根 锚 索 由 5 根s15.2 mm1860 级钢绞线组成，锚索倾角 20，钻孔直径 130.0 mm。锚杆墩：对存在安全隐患的坡面，纵向、横向 3 m 布设 1 道锚杆墩。锚杆采用 32 螺纹钢筋，长 18 m，与水平面的夹角 20，钻孔直径90 mm。个别断面锚杆与水平面的夹角为 10。封闭注浆：采用 32.5R 普通硅酸盐水泥配制的纯水泥浆灌注基岩裂隙，水灰比 0.75111。路基工程 238 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）镶补凹腔、回填洞穴：采用 C20 素混凝土镶补危岩体底部凹腔及崖面洞穴，底部凿成台阶状。5 结语通过对拟建隧道开展详细野外调查、勘查、测绘，查明危岩体自然环境、水文和工程地质条件、危岩特征，分析危岩的变形破坏模式、稳定性，阐明危岩的形成因素，并提出防治措施。（1）危岩体共 3 块。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主要表现为三棱锥体、切割锥体、不规则体。（2）危岩形成内因是地质构造、特殊岩性及地貌条件。外因是风化作用和大气降水。（3）建立倾倒式和滑移式计算模型，定量评价评价危岩的稳定性。3 处危岩体在天然状态下处于基本稳定状态，在暴雨和地震工况下处于欠稳定-基本稳定状态。（4）提出清危、镶补凹腔、回填洞穴、锚固、封闭注浆的防治措施。参考文献(References)：1 邵其东.三峡库区万州区天生城危岩滑坡治理技术 J.西部探矿工程,2011,23（2）:51 53.DOI:10.3969/j.issn.1004-5716.2011.02.018.SHAO Q D.Treatment technology of dangerous rock landslide inTiansheng City,Wanzhou district,three gorges reservoir area J.West-China Exploration Engineering,2011,23（2）:51 53.DOI:10.3969/j.issn.1004-5716.2011.02.018.2 唐红梅,闫凝,周福川,等.三峡库区公路陡高边坡拉裂-滑塌型危岩破坏机制分析 J.重庆师范大学学报(自然科学版),2021,38（2）:38 47.TANG H M,YAN N,ZHOU F C,et al.Analysis on the failuremechanism of tensile fracture-sliding of unstable rock with steep slope inthe three gorges reservoir area J.Journal of Chongqing NormalUniversity(Natural Science),2021,38（2）:38 47.3 冉涛,宋志,蒋正,等.三峡库区万州区四层岩危岩带发育特征、稳定性评价及防治对策J/OL.沉积与特提斯地质(1-09-22).https:/ T,SONG Z,JIANG Z,et al.Development characteristics,stabilityevaluation and preventive measures of 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and engineering geological conditions,thecharacteristics of dangerous rock and the mode of deformation and failure are identified,and the internal andexternal factors of the formation of dangerous rock are analyzed.It is considered that the internal cause of theformation of dangerous rocks is active fault,formation lithology and landform conditions,and the external causeis weathering and atmospheric precipitation.The stability of dangerous rock is evaluated quantitatively byqualitative analysis and calculation model.The analysis concludes that dangerous rock is basically stable undernatural conditions,and understable to basically stable under rainstorm and earthquake conditions.According tothe development characteristics of the dangerous rock mass,the failure mode and the construction conditions ofthe tunnel entrance,the prevention and control measures such as clearing the dangerous rock mass,inserting andfilling the cavity,backfilling the cave,anchoring and sealing grouting are adopted.Keywords:dangerous rock；tunnel；stability；dumping type；pulling type刘树林，等：复杂地质隧道进口危岩稳定性评价及防治措施 239