基于影响因素的隧道洞口岩质斜坡稳定性评价——以成兰铁路某隧道出口斜坡为例

马 时 强

(1.四川建筑职业技术学院 铁道工程系，四川 成都 610399；2.西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 611756)

·建筑与土木工程·

基于影响因素的隧道洞口岩质斜坡稳定性评价
——以成兰铁路某隧道出口斜坡为例

马 时 强1,2

(1.四川建筑职业技术学院 铁道工程系，四川 成都 610399；2.西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 611756)

以成兰铁路某隧道出口斜坡为例，将地层岩性、岩体结构与地质构造、工程开挖、震动作用和地貌条件确定为影响稳定性的主要因素；运用巴顿模型，获得主要结构面等效抗剪强度参数并应用于赤平投影分析；分别采用有限元和离散元软件对斜坡洞口开挖及地震作用下的稳定性进行数值模拟分析；综合多种方法的分析结果作出稳定性评价。最后给出了基于影响因素的隧道洞口岩质斜坡稳定性评价的几点认识。

影响因素；岩质斜坡；稳定性评价；赤平投影；有限元；离散元

隧道出洞的边坡问题已成为复杂山区铁路工程地质的主要问题[1]。客观评价隧道进出口斜坡的稳定性对于复杂山区铁路的运营安全意义重大。

评价斜坡稳定性的思路很多[2-9]。本文从斜坡稳定的影响因素出发，首先弄清影响斜坡稳定的一般因素，然后针对特定斜坡，判断影响其稳定性的主要因素，采取有针对性的分析方法进行评价。影响斜坡稳定的一般因素包括内在因素和外部因素。其中内在因素有地层岩性、岩体结构与地质构造、水的作用、地应力等，外部因素有工程荷载条件、工程开挖、震动作用、地貌条件、气候条件等。

以成兰铁路某隧道出口斜坡为例，鉴于其地层岩性复杂，砂岩中小褶曲发育且褶曲轴部近于直立，洞门开挖严重削弱坡体前部的抗滑支挡作用，影响斜坡稳定；地貌条件复杂，岷江断裂带位于线路左侧约3 km，是一条全新世活动断裂；因此，将地层岩性、岩体结构与地质构造、工程开挖、震动作用和地貌条件确定为影响该岩质斜坡稳定性的主要因素。另一方面，因为可以采取有效的防排水措施来降低水的影响，加之坡面较陡，利于排水，故将水的影响作为次要因素而忽略。针对深切河谷等地应力复杂地区应当建立考虑地应力的分析模型[2]，但该斜坡地应力以自重应力为主；因此未专门建立地应力分析模型。此外工程荷载与气候条件也作为次要因素而被忽略。

在确定了影响斜坡稳定性主要因素的基础上，进行工程地质分析，构建地质模型。运用巴顿模型，获得主要结构面等效抗剪强度参数并应用于赤平投影分析。然后分别采用有限元和离散元对斜坡洞口开挖及地震作用下的稳定性进行数值模拟分析。最后综合多种方法的分析结果作出稳定性评价。

1 隧道出口工程地质条件

1.1 地形地貌

隧道位于青藏高原东部边缘，山脉呈南北向展布，测区地形切割较大，地势险峻，陡崖广泛分布。岩石裸露，植被不发育，以灌木丛为主。出口高程约2 476 m，隧道经过段最高峰约3 018 m，最大相对高差约558 m，如图1所示。

1.2 地层岩性

隧道出口上覆第四系全新统坡崩积层(Q4dl+col)块石土，下伏基岩为(T3zh)千枚岩夹砂岩，包括强风化带和弱风化带。野外岩体结构测量如图2所示。

图1 隧道出口地貌

1.3 地质构造及地震参数

岷江断裂带位于线路左侧约3 km，是一条全新世活动断裂。历史上曾发生过1748年6.5级地震和1960年6.75级地震。由于受区域性断裂影响严重，砂岩中小褶曲发育，褶曲轴部近于直立。

1.4 水文地质特征

该隧道经过段主要地表水为沟谷水，属岷江水系。地下水以土层孔隙潜水和基岩裂隙水为主。土层孔隙潜水主要赋存于沟谷内土体中，水量不大。基岩裂隙水主要赋存于千枚岩、砂岩中，由于裂隙发育，基岩裂隙水较丰富。地下水主要接受大气降水及河水补给，同时也向沟谷、河流排泄。

1.5 不良地质

隧道出口段主要不良地质为岩堆、危岩落石。

1.6 地质模型

隧道出口沿中线工程地质断面图如图3所示。

1.7 基于巴顿模型的结构面等效抗剪强度参数计算

Barton与其合作者在大量天然结构面剪切试验的基础上，提出巴顿(Barton)模型[10-11]

(1)

当工程岩体中结构面的法向应力为某一确定数值时，可以用Barton模型在这一特定应力时的切线方程的参数作为它的等效库仑-摩尔准则抗剪强度参数，即等效内摩擦角φi和等效黏聚力ci，如图4所示。

图4 Barton模型的摩尔-库伦等效处理

利用巴顿的裂隙面粗糙度标准剖面，对结构面起伏粗糙程度进行对比，可近似求得岩体结构面的粗糙度系数JRC为4～6。

根据回弹仪测定的Re，使用巴顿推荐的米勒经验关系公式求裂隙抗压强度JCS，如式(2)所示。

log10(JCS)=0.000 88γRe+1.01。

(2)

对新鲜未风化的岩体结构面而言，残余摩擦角等于基本摩擦角。根据现场的岩体结构情况，结构面基本摩擦角φb取30°，通过估算选取结构面有效正应力为5 MPa，求取此时的等效结构面抗剪强度参数。计算结果如表1所示。

表1 基于巴顿模型的等效抗剪强度参数计算结果

2 赤平投影分析

隧道出口端千枚岩产状：片理L：N10°E/46°SE；节理J1：N3°E/42°NW；节理J2： N75°E/68°NW；坡面Slope：N80°E/80°NW。

应用的相关参数：岩石层间综合φ=30°，tanφ=0.577。

边坡岩体优势结构面产状如表2所示；优势结构面交线产状如表3所示；边坡岩体赤平投影稳定性分析如图5所示；计算结果见表4、表5。

由图5可知：图中坡面投影区未穿越双滑面13、单滑面2，从各切割锥的稳定分析得知，双滑面13的稳定系数为1.04，在自然状态下基本稳定；但在地震等外力作用下会产生块体滑塌。滑塌体是由片理L、节理J2的上盘和节理J2的下盘组成，滑动方向沿着两组结构面交线g13倾向，方向为N57°E，与坡向N10°W夹角67°。单滑面3的稳定系数

为0.23，在自然状态下不稳定，将会产生滑动，滑动方向沿着节理J2的倾向，方向为N15°W，与坡向N10°W夹角5°，在工程中需要采取相应的加固和防护措施。

表2 结构面产状表

表3 结构面交线产状表

表4 隧道出口斜坡滑塌体的构成及稳定系数

注：1)“上”“下”表示Li面的上盘或者下盘；2)gij指向赤平面以上为(-)，以下为(+)；3)单滑面1、2、3是沿着层理L、节理J1、节理J2倾向的单平面滑动；4)双滑面12是指由片理L和节理J1共同切割所形成的楔形体，双滑面13是指由片理L和节理J2共同切割所形成的楔形体，双滑面23是指由节理J1和节理J2共同切割所形成的楔形体，双滑面滑动方向沿着两组结构面的交线方向。

表5 双滑面滑塌体的γij、γi、γj

3 有限元数值模拟

3.1 岩石物理力学参数

地质模型主要地层岩性有砂岩与千枚岩互层(T3zh)和块石土(Q4dl+col)，其物理力学参数如表6所示。

注：gi表示滑动方向。

图5 边坡岩体稳定性分析图

表6 数值模拟参数取值表

3.2 地震加速度

测区地震动峰值加速度取0.20g。

3.3 开挖后地震状态下有限元模拟

基于ANSYS的有限元模拟主要分析地震条件下隧道洞口开挖部分的稳定性，没有考虑斜坡岩体主要结构面的影响，因此，斜坡的整体稳定性仅作参考。斜坡地震状况应力云图见图6—8。

图6 斜坡地震状况水平方向应力云图

图7 斜坡地震状况竖直方向应力云图

图8 斜坡地震状况剪应力云图

图9 斜坡开挖地震状态下破坏点

3.3.1 应力分析

对斜坡模型施加与坡向一致的0.2g的水平加速度，根据图6—8分析，最大水平向拉应力出现在隧道口底部，产生局部拉应力集中，最大水平向压应力出现在陡壁下缘基岩与块石土分界处；最大竖直向拉应力出现在隧道口开挖底部，产生局部拉应力集中；最大剪应力出现在隧道口底部及陡壁下缘基岩与块石土分界处，产生局部剪应力集中。

3.3.2 强度分析

采用莫尔强度理论准则对加载后斜坡岩体进行分析，取c=0.2 MPa，φ=30°，地震加速度0.2g。由图9可看出在隧道口底部有零星破坏点出现，此外由于地震影响在陡壁底部前缘破坏点集中，破坏点贯通后会沿着基岩与块石土岩层分界线产生剪切破坏。

4 离散元数值模拟

基于UDEC软件的离散元分析是在考虑主要结构面影响下岩体斜坡在地震作用下的总体稳定性。因此建模时，不考虑斜坡表层的块石土。取隧道底部向下12 m，向上67 m，作为此边坡的地质模型。坡角及顶角均按地质剖面图计算。考虑岩体两组长大贯通节理，一组层面产状N10°E/46°SE，另一组节理产状N75°E/68°NW，模型断面的走向为N35°W，在计算断面上换算为视倾角分别为36°和67°。模型节理间距按3 m计算，节理迹线长度按3 m计算。由于隧道开挖范围只在块石中进行，而未挖到基岩；所以未考虑开挖工况，而只分析考虑地震作用下，斜坡自然状态下的整体稳定性。

斜坡在自然状态地震作用下通过分别计算8万、9万及10万步后得出：水平位移与垂直位移最大值已无变化但最大不平衡力仍未趋于零。从位移云图可以看出，地震作用下斜坡节理岩体位移量明显增大：最大垂直位移达30 cm，出现在斜坡顶部区域；最大水平位移达60 cm，出现在斜坡底部前缘。显然，斜坡在地震作用下已处于不稳定状态，可能出现岩体滑动崩塌。图10、图11分别给出斜坡地震作用下的水平和垂直位移云图。

图10 地震作用下水平位移云图

图11 地震作用下垂直位移云图

5 结论

针对该斜坡，影响其稳定性的主要因素是地层岩性、岩体结构与地质构造、工程开挖、震动作用和地貌条件。基于此，综合采用工程地质分析、赤平投影分析、有限元及离散元数值模拟等方法可以得出以下结论。1)斜坡受区域构造影响，岩体节理发育，加之坡脚较大，在非开挖的自然状态下局部处于不稳定状态，危岩落石是主要不良地质现象。2)不考虑洞口开挖的地震工况下，斜坡发生岩体滑动崩塌极易诱发整体失稳。3)在洞口开挖并地震的工况下，洞口底部及陡壁底部前缘应力集中，破坏点较多，呈贯通趋势，基岩与块石土分界线产生剪切破坏；但开挖本身对整体稳定性影响不大。基于以上结论，建议清除表层块石土，再进行进洞开挖；并进行专门的洞口斜坡抗震设计。

通过对成兰铁路若干隧道洞口岩质斜坡的稳定性评价实践，对基于影响因素的稳定性评价获得以下认识：1)弄清影响洞口岩质斜坡稳定性的所有内外因素是进行稳定性评价的基础；2)针对具体斜坡，客观评价影响其稳定性的主要因素是关键；3)针对主要影响因素，分别采取有针对性的方法进行稳定性评价；4)综合各种分析方法的结果，对其稳定性给出评价。

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(编校：叶超)

StabilityEvaluationofTunnelPortalRockSlopeBasedonInfluencingFactors—CaseofaTunnelPortalSlopeinChenglanRailway

MA Shi-qiang1,2

(1.DepartmentofRailwayEngineering,SichuanCollegeofArchitectureTechnology,Deyang618000China;2.FacultyofGeosciencesandEnvironmentalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu611756China)

Lithology, structure and tectonic of the rock mass, excavation, vibration and geomorphologic conditions are regarded as main factors to affect stability of portal rock slope. Barton model is utilized to work out equivalent shear strength parameters of main structural plane, which are applied in stereographic projection analysis. The slope stability in condition of excavation and earthquake action is simulated with finite element and discrete element software. The stability evaluation is demonstrated with the case of tunnel portal slope in Chenglan railway. Some suggestions are presented on the tunnel portal rock slope stability evaluation based on the influencing factors.

influence factors; rock slope; stability evaluation; stereographic projection; finite element; discrete element

2014-01-16

马时强(1982—)，男，讲师，博士研究生，主要研究方向为软岩隧道及边坡工程稳定性分析。

P642

：A

：1673-159X(2015)01-0107-06

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.01.020