川藏铁路隧道洞口高陡自然边坡加固技术

龚建辉, 孙 晓

(中铁二院工程集团有限责任公司， 四川成都 610031)

铁路工程具有点多线长、受地形地质条件约束大、对工程环境作用敏感的特点，沿线应力状态复杂，露天浅表服役环境恶劣[1-4]。“高陡边坡”是自然岸坡或斜坡以及人工边坡的统称，在铁路工程建设过程中，必然会遇到高陡路堑边坡或隧道边仰坡稳定性问题。

地形陡峻地段的高陡边坡长期稳定性问题，成为工程设计关心的核心难题，事关工程成败，如2018年3月雅(安)西(昌)高速公路荥经县瓦厂坪大桥因滑坡灾害局部受损，被迫实行长达四个多月的双向断道临时道路交通管制，极大影响川西凉山地区与内地的交通与物资流通；王吉亮等[5]以乌东德水电站右岸厂房进水口边坡为例，研究了层状岩质工程边坡变形与稳定问题，以及工程边坡对环境边坡变形与稳定性的影响；蓝康文[6]开展了川藏铁路沿线高山峡谷地区边坡卸荷带失稳模式及稳定性研究，总结了边坡卸荷带的发育特征与分布规律；杨志法等[7]利用预应力结构抗拉能力强的优势,发明了预应力锚梁和预应力抗滑桩两项边坡加固新技术，以克服一般抗滑桩和锚固洞加固岩石边坡的缺点。

目前，关于铁路隧道洞口高陡自然边坡的加固设计案例尚不多见，文章以东噶山隧道洞口高陡不稳定岩体为探讨对象，分析了洞口坡体变形开裂特征，提出了合理的岩体加固设计方案，有效解决了高陡自然边坡的稳定性问题。

1 高陡自然边坡隐患分析

1.1 工程概况

川藏铁路拉萨至林芝段(以下简称“拉林铁路”)位于青藏高原东南部，属于冈底斯山与念青唐古拉山、喜马拉雅山之间的藏南谷地。拉林铁路沿线受雅鲁藏布江及其支流切割控制，山高谷深，峰峦叠嶂排列，沟谷纵横狭窄，气候极端恶劣，山脉呈东西向纵贯延展，谷岭相间，地势起伏跌宕。

拉林铁路DK251+531.17～DK251+574.42段位于东嘎山隧道进口，长43.25 m。段内最高点位于隧道轴线右侧山脉，最低点位于隧道出口雅鲁藏布江河谷地带。由于拉林铁路隧道洞口开挖，导致DK251+550～DK251+572段洞顶上方山体出现裂缝，现场地表调查表明，线路右侧10 m范围内出现8条裂缝，裂缝走向与线路夹角约50 °。推测不稳定体厚度约10～25 m，线路左右两侧分布宽度约15 m，对工程施工已形成极大的安全隐患。

1.2 工程地质岩性

东噶山隧道洞口范围内覆盖层主要为第四系全新统坡残积层粉土，下伏基岩为上三叠统的朗杰学群姐德秀组二段炭质绢云千枚岩与变长石石英粉砂岩不等厚互层。

自然边坡范围内粉土呈黄褐色、灰黑色，粉粒含量约占95 %，局部夹粗角砾占比约5 %，厚0～2 m。炭质绢云千枚岩为灰黑色、薄层、千枚状构造，长石石英粉砂岩为灰色、薄-中厚层，炭质绢云千枚岩、长石石英粉砂岩不等厚互层，节理裂隙较发育，岩体较破碎。强风化岩芯呈碎块状，裂隙面见大量铁、锰质渲染；弱风化带岩芯呈短柱状、柱状。基本工程力学指标见表1。

表1 基本工程力学指标

1.3 地质构造及水文特征

隧道位于雅鲁藏布江缝合带附近，受雅江结合带俯冲、碰撞和韧性剪切作用影响，致使段内岩体总体破碎，滑坡成群。隧道范围内正断层与线路交于DK253+040，与线路交角为34 °，断层走向N56 °W，倾北东，倾角45 °。

隧道进口以基岩为主，根据GB 50111-2006《铁路工程抗震设计规范》[8]判定，隧址区地震动峰值加速度为0.15 g，地震动反应谱特征周期值为0.45 s，场地范围内覆盖土类型为中硬土～岩石，综合判别场地类别为Ⅰ～Ⅱ类。

隧址区地表水主要为沟水及进口附近雅鲁藏布江江水，雨季及冰雪融化季节沟中有流水，枯水季节沟中无水。地下水按地下水赋存条件分为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水，第四系孔隙水主要赋存于隧道进口第四系坡残积层的粉土层中，其透水性较弱、渗透系数较小，水量较小，主要为大气降水及地表水补给。基岩孔裂隙水主要分布于炭质绢云千枚岩、长石石英粉砂岩中，其水量大小主要受岩层分布面积及孔裂隙率大小控制。总体而言，受雅鲁藏布江河谷深切作用，隧址区内地下水埋深大，属于中等～弱富水性。

1.4 洞口坡体变形开裂特征

根据现场调查可知(图1～图3)，洞内最大变形速率1.4 mm/d，最大累计变形13.6 mm；洞外边坡坡体地表有不同程度的开裂迹象，裂缝宽度一般5～10 mm，最大张开宽度达18.6 mm。

隧道洞口为基岩出露坡体，穿越炭质绢云千枚岩与变长石石英粉砂岩，岩层产状N65 °W/43 °～50 °NE，倾向山体外侧， 岩层走向与线路走向夹角约28 °，在横断面上的视倾角约42.4～46.4 °，且坡体发育一组产状N70 °E/41 °N的顺坡向、倾坡外、贯通性较好的控制性结构面，故该隧道洞口存在典型的顺层偏压特征。

隧道施工过程中，由于人工扰动，且既有的措施方案未施工到位，隧道洞顶坡体沿贯通性较好的控制性结构面形成“塌落拱”现象。

图1 主轴断面

图2 裂缝平面

图3 现场照片

2 自然边坡加固设计

2.1 推力计算

采用传递系数法得出自然边坡稳定系数Fs= 0.98，可见上述隧道洞口稳定性不满设计要求，需要采取相应的工程措施予以加固。

(1)按折线滑动法[2]计算推力。安全系数按1.2考虑，根据折线滑面法检算得出不稳定岩体下滑推力为 920 kN。

(2)按库伦土压力[2]计算推力。安全系数按1.2考虑，根据库伦土压力公式计算得出水平下滑力为482 kN。

为保证加固结构安全可靠，根据(1)、(2)两种不同算法的大值开展边坡加固设计。

2.2 锚索检算

加固方案拟采用“锚索地梁”，锚索设计锚固力按式(1)计算。在计算过程中，参数α取74 °、β取18 °、λ取0.7，根据上述计算参数及式(1)可得Pt=1665kN。

(1)

式中Pt为锚索设计锚固力，F为不稳定岩体的下滑推力，φ为滑动层内摩擦角，α为锚索与滑动面相交处滑动面倾角，β为锚索下倾角，λ为折减系数。

设计拟采用15.2 mm钢绞线锚索，每根钢绞线极限张拉荷载Pu=259kN，每延米需要钢绞线的根数n=Fs1Pt/Pu，计算可得锚索根数n=14(Fs1取2.2)。

在锚固段长度确定中，锚固体设计安全系数Fs2=2.5，孔壁对砂浆的粘结强度值τ=330kPa，张拉段钢材与水泥砂浆极限粘结应力τu= 2000kPa，采用d=130mm钻孔施工。根据水泥砂浆和锚索张拉钢材粘结强度确定锚固段长度L1=Fs2Pt/n/π/d/τu，得出L1=1.73m；根据锚固体和孔壁之间的抗剪强度确定锚固段长度L2=7.36m，锚固段长度需根据两种不同工况取大值。考虑到适当增加安全系数，锚索锚固段长度宜适当加强，故锚固段长度按L2=10m进行施工。

2.3 加固措施

DK251+555.06～DK251+579.03，线路左侧，长23.97 m，增设锚索路肩桩板墙，桩间距(中～中)6 m，桩截面采用 2.5 m×3.5 m，桩长35 m，共设置4根锚固桩，桩身与线路方向夹角为48.6 °，桩身采用C35混凝土灌注。挡土板为C35砼预制矩形板，桩间挂板高度12.0 m，路堑桩板墙桩顶以下0～6 m采用甲型挡土板，6～12 m采用乙型挡土板，板后设置0.3 m厚编织袋袋装砂夹卵石反滤层，砂卵石采用编织袋码砌，反滤层底部设C25混凝土隔水层及混凝土基础。挡土板采用矩形截面，抗滑桩与山体间空隙地方采用C35混凝土回填。典型工点加固主轴断面(A-A轴)见图4 ，平面布置见图5。

图4 工点加固主轴断面(A-A轴)

图5 工点加固平面布置

图5中1～4#桩为锚索桩，其中2～4#桩第一排锚索孔距桩顶11 m，下倾角为18 °，第二排锚索孔距桩顶13 m，下倾角为22 °；1#桩第一排锚索孔距桩顶13 m，下倾角为18 °，第二排锚索孔距桩顶15 m，下倾角为22 °。在锚索孔及备用锚索孔位于桩身处预埋一根φ150 mm钢管。锚索均为6束拉力型锚索，每孔锚索均用6束φ15.2 mm高强度低松弛喷涂环氧树脂型的无黏结钢绞线，其极限抗拉强度不小于1 860 MPa，伸长率≤3.5%；锚索长度由锚固段、自由段和张拉段组成，锚索锚固段为碳质绢云千枚岩夹砂岩、粉砂岩弱风化层，长度为10 m，锚索总长为34.5～36.5 m(含张拉段)，锚孔直径均为φ130 mm，全孔范围采用M35水泥砂浆灌注，注浆压力不小于0.6～0.8 MPa。

3 结 论

(1)东噶山隧道位于雅鲁藏布江缝合带附近，受雅江结合带俯冲、碰撞和韧性剪切作用影响，致使段内炭质绢云千枚岩、长石石英粉砂岩岩体总体破碎，滑坡成群。隧址区地震动峰值加速度为0.15 g，地震动反应谱特征周期值为0.45 s，场地类别为Ⅰ～Ⅱ类，高烈度地震极易引发隧道洞口偏压顺层崩落。

(2)在人工扰动下，东噶山隧道洞内最大变形速率1.4 mm/d，最大累计变形达13.6 mm；洞外边坡坡体地表有不同程度的开裂迹象，裂缝宽度一般5～10 mm，最大张开宽度达18.6 mm，隧道洞顶坡体沿贯通性较好的控制性结构面形成“塌落拱”现象。

(3)以“锚索桩板墙、锚索地梁”为主、喷射混凝土防护为辅设计方案是一种行之有效的加固措施，有效解决了东噶山隧道洞口高陡自然边坡的稳定性问题，也可为川藏铁路雅安至林芝高陡自然边坡加固设计提供参考。