冲沟区域岩石高边坡卸载稳定性分析

吕玉凯

(北车建设工程有限责任公司，北京　100078)

冲沟区域岩石高边坡卸载稳定性分析

吕玉凯

(北车建设工程有限责任公司，北京100078)

摘要:以冲沟区域岩石高边坡挡墙基槽开挖工程为例，采用数值模拟分析法，研究了边坡卸载的稳定性问题，并提出了边坡开挖的支护措施，经现场验证，发现跳槽开挖在控制围岩变形和塑性区范围方面效果良好。

关键词:高边坡，冲沟区域，数值模拟，稳定性

一般来讲，高边坡是指高度大于30 m的岩质边坡或大于20 m的土质边坡［1］。我国西南地区边坡具有高度陡峭、地应力大和变形历史复杂等特点，剪应力往往集中在软硬岩之间，形成了潜在的破坏面;与此同时，岩石高边坡的稳定性是一个动态演化的地质历史过程，期间伴随时效变形的发生，边坡潜在滑动面不断地孕育、发展演化，最终进入累进性破坏而贯穿的过程。岩石高边坡稳定性的评价不仅是一个强度稳定性问题，更为重要的是一个变形稳定性问题;因此，控制住岩石高边坡的变形，则其潜在滑动面的演化就会在“孕育”或者“发展”阶段结束，从而无法演化到最终的累进性破坏阶段［2］。基于边坡稳定性评价［3，4］基础上，利用数值模拟［5］在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域的优势，可以研究边坡岩体开挖位移形态及量值、边坡岩体开挖变形时间效应［6］;通过现场监测点动态数据分析，掌握边坡岩体的变形规律，从而达到设计优化的目的。重庆轨道交通四号线车辆段施工地质条件复杂，高边坡多处于冲沟区域，且岩石破碎，施工开挖面积大;加之即将进入雨季时节，需及时建立永久挡土墙以确保后续主体建筑施工安全，因此挡土墙基槽开挖及边坡卸载速度也相应加快，如何维护基槽开挖过程中边坡岩体稳定是急需解决的问题。针对上述情况，文章展开了如下的研究。

1　工程概况

重庆四号线一期工程车辆段规划用地约为37.87 hm2，场地自然地势北高南低，南部发育一条深度为70 m～100 m的南北方向“V”形冲沟。场地岩层产状为顺层岩层，开挖边坡上方海尔路主要通行大型装载车辆，边坡围岩破碎。场地内地层由人工填土、粉质粘土和砂质泥岩、砂岩组成。人工填土主要以素填土为主，最大厚度12.0 m左右;粉质粘土主要分布于场地西侧的相对低洼地段，最大厚度7.0 m左右;砂质泥岩表层强风化带厚度约为1.0 m～2.5 m，中风化岩芯完整性较好，基本为Ⅳ级岩体;砂岩强风化层厚度约为0.50 m～1.50 m，中风化岩芯完整性较好，主要以薄层～中厚层形式赋存，以Ⅳ级岩体为主。场地地下水为第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水。如图1所示，车辆段岩石高边坡拟采用板肋式、排桩式锚杆、桩板式、衡重式和扶壁式5种挡土墙进行永久支护;修建挡土墙涉及到大面积的边坡基槽开挖工作，其中靠近冲沟一侧的衡重式挡墙拟建高度约为31 m，基槽开挖深度也较深，给边坡卸载时围岩稳定控制提出了更大的挑战。

2　数值模拟

选取靠近冲沟一侧的16—16基槽开挖位置进行高边坡卸载数值模拟研究，如图2所示。

如图3所示，16号位置处的高边坡模型尺寸为195 m×150 m× 80 m(长×宽×高)，本构为Mohr-Coulomb模型;文章通过4种方案进行研究: 1)无支护形式对基槽顺序开挖; 2)无支护形式对基槽进行跳槽开挖; 3)锚杆支护对基槽顺序开挖; 4)锚杆支护并对基槽进行跳槽开挖;在最先开挖的基槽内布设位移监测点。

图1　车辆段边坡及拟建挡墙位置分布图

图2　16号高边坡地形示意图

图3　模型图

图4中0～2 000步为第Ⅰ开挖阶段，2 000步～3 000步为第Ⅱ阶段，3 000步～4 000步为第Ⅲ阶段。在第Ⅰ阶段，4种开挖方式中测点的水平位移均呈快速增大趋势，锚杆支护跳槽开挖位移量最大，锚杆支护顺序开挖最小;第Ⅱ阶段，跳槽开挖方式下的测点水平位移缓慢增加，而采用顺序开挖水平位移急剧增大，且有支护比无支护位移量要小;在第Ⅲ开挖阶段，跳槽开挖位移仍缓慢增加，而顺序开挖则急剧加大;采用跳槽和顺序开挖，测点最大水平位移量差0.027 m;采用有、无锚杆支护顺序开挖最大水平位移量差0.009 8 m;在水平位移控制方面，跳槽开挖比锚杆支护效果要好。

图4　测点1水平位移曲线

如图5所示，测点2在第Ⅰ开挖阶段，水平位移开始急剧增大，然后增长变缓，位移值较小，4种开挖形式变化规律基本一致;采用顺序开挖较跳槽开挖水平位移要稍小。

图5　测点2水平位移曲线

如图6所示，在第Ⅰ阶段，4种方式垂直位移先是急剧增大，后趋于平稳，在开挖临近测点处时，垂直位移会有小幅度降低的突变，随着继续开挖，垂直位移平稳发展;跳槽开挖和锚杆支护措施均对基槽底部垂直位移控制效果不明显。

图6　测点3垂直位移曲线

从图7可以发现4种开挖方式的塑性区面积由大到小依次为: c→a→b→d;采用跳槽开挖在边坡塑性区控制效果上要优于锚杆支护方式;塑性区影响边坡上方约54 m范围。由于土质边坡、散体结构和碎裂结构边坡的稳定性一般受最大剪应力面控制［1］，通过其塑性区演化趋势，可以判断出潜在滑动面位置，在施工中有针对性的加强监测，并减少危险区域开挖面暴露时间，从而达到增加围岩稳定性的目的。

3　支护措施

大量实例表明在典型的冲沟区，高边坡沿垂直方向具有明显的垂向分带性演化特征;从冲沟边坡的底部到顶部，将会依次出现应力约束、表生改造、时效变形及失稳破坏4个阶段［2］，见图8。

边坡开挖类似于冲沟快速下切过程［7］，为此，本工程采取了如下措施来确保边坡围岩的稳定: 1)加大边坡放坡坡率、施加坡脚开挖面锚杆支护，增强围岩间的整体性; 2)基坑开挖到位及时封底浇筑，避免开挖面长时间暴露，减缓边坡从表生改造向时效变形演化进程; 3)锚杆支护对于有震动响应的边坡，有着较好的安全防范效果［8］;严格采用机械配合人工开挖，将边坡的扰动降到最低; 4)清理坡面表层浮土，严禁在坡面上加载，延缓时效变形向破坏区演化进程; 5)加强监测，并有专人对易滑坡位置进行不间断巡视，发现异常，立即停止施工，并疏散相关人员。

图7　塑性区演化云图

图8　典型冲沟边坡的演化阶段的垂直分带

4　结语

文章对冲沟区域岩石高边坡卸载演化特征进行了理论和数值模拟分析，经工程实践验证，效果良好，并得到如下结论:

1)锚杆支护通过增强岩体间的整体性，能够延缓时效变形向破坏区演化进程。2)跳槽开挖在控制边坡岩体位移和塑性区演化方面均效果显著。3)控制时效变形演化是保证边坡岩体稳定的关键。采用坡顶卸载、增大放坡坡率及降低开挖扰动可以减缓边坡岩体从表生改造向时效变形的演化进程;及时对开挖后的边坡进行注浆封闭，来控制其表生改造演化，从而最大限度提高边坡岩体稳定性。4)采用跳槽开挖和锚喷支护的组合形式对边坡岩体卸载过程进行临时支护，具有工艺简单、实施方便、施工快捷和成本较低的优点，对类似工程具有指导意义。

参考文献:

［1］巨能攀，赵建军，邓辉，等.公路高边坡稳定性评价及支护优化设计［J］.岩石力学与工程学报，2009，28( 6) :1152-1167.

［2］黄润秋.中国西南岩石高边坡的主要特征及其演化［J］.地球科学进展，2005，20( 3) :292-297.

［3］温世亿，李建林，杨学堂，等.卸荷高边坡稳定性分析的多级模糊综合评判［J］.岩土力学，2006，27( 11) :2041-2044.

［4］宋胜武，巩满福，雷承第.峡谷地区水电工程高边坡的稳定性研究［J］.岩石力学与工程学报，2006，25( 2) :226-234.

［5］寇晓东，周维垣，杨若琼.FLAC-3D进行三峡船闸高边坡稳定分析［J］.岩石力学与工程学报，2001，20( 1) :6-10.

［6］徐平，周火明.高边坡岩体开挖卸荷效应流变数值分析［J］.岩石力学与工程学报，2000，19( 4) :481-485.

［7］张金龙，徐卫亚，金海元，等.大型复杂岩质高边坡安全监测与分析［J］.岩石力学与工程学报，2009，28( 9) :1819-1827.

［8］张强勇，刘大文，蔡德文.Sarma法在加锚岩质高边坡安全稳定性评价分析中的应用［J］.岩石力学与工程学报，2005，24 ( 18) :3368-3372.

Analysis on high rock slope unloading stability in gully area

Lv Yukai
( Beiche Construction Engineering Co.，Ltd，Beijing 100078，China)

Abstract:Taking high slope retaining wall trench excavation engineering in gully area as an example，applying numerical simulation analysis method，the paper studies slope unloading stability issue，and puts forward slope excavation bearing measures.Through in-situ examination，it finds out that trench excavation has great effect in controlling surrounding rock deformation and plastic region scope.

Key words:high slope，gully area，numerical simulation，stability

作者简介:吕玉凯(1982-)，男，工程师

收稿日期:2015-11-22

文章编号:1009-6825( 2016) 04-0060-03

中图分类号:TU413.62

文献标识码:A