（地质工程专业论文）云南省蒙新高速公路窑头2号隧道进口段斜坡变形病害治理措施研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 窑头2 号隧道斜坡变形体位于云南省蒙新高速公路k 4 5 + 0 4 5 - - + 1 7 0 段，该 隧道是本高速公路上地质最复杂、施工难度最大、工期较长的控制工程，本隧 道能否顺利施工直接影响着全线工程的竣工日期。对本隧道进口处斜坡变形体 的处治的结果直接关系到运营的安全及效益与效率。斜坡变形体的形成条件、 产生原因、变形破坏机制、几何边界条件等特征，具有典型性。对本隧道斜坡 变形体的成功治理有重要的现实意义和借鉴意义。 本文根据窑头2 号隧道斜坡变形体的变形破坏特点，对斜坡体在天然状态 和暴雨状态两种工况下利用传递系数法和分块极限平衡法进行稳定性分析，论 述了斜坡体的潜在不稳定性，并论述了斜坡体变形破坏产生的内在因素和诱发 因素。研究表明：由于隧道的开挖和新临空面的产生，在暴雨状态下斜坡体稳定 性降低，隧道斜坡体处于失稳状态。 对斜坡变形体进行了稳定性分析后，结合本斜坡体的特殊破坏形式，提出 合理的治理方案，针对本斜坡体前期表现出的特殊破坏形式，对隧道纵横两个 方向分别加以治理：在隧道仰坡上施加锚索框格梁进行整治，在右幅隧道右侧 采用普通抗滑桩进行治理。 最后运用f l a c 软件对斜坡变形体治理后的效果进行数值模拟，并与未治理的 斜坡变形体进行对比，模拟结果表明支挡措施( 锚索框格梁、普通抗滑桩) 符 合治理要求，能有效增强斜坡的稳定性。 关键词：斜坡体；稳定性分析；工程整治；支挡措施；数值模拟 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ed e f o r m e d s l o p e o f t h e s e c o n d y a o t o ut u n n e l1 sl o c a t e da tt h e k 4 5 + 0 4 5 - - - _ i - 17 0s e c t i o no fy u n n a nm e n s x i ne x p r e s s w a y t h i t u n n e li st h ec o n t r o l e n g i n e e r i n go ft h ee x p r e s s w a yt h a t h a sad i r e c ti m p a c to nt h ee n t i r ep r o j e c t c o m p l e t i o nd a t e ，s u c ha s ：t h em o s tc o m p l e xg e o l o g i c a lc o n d i t i o n ，t h em o s td i f f i c u l t c o n s t r u c t i o n , l o n gc o n s t r u c t i o np e r i o d t h et r e a t m e n tf o rt h ed e f o r m e ds l o p eo ft h e t u n n e le n t r a n c ei s d i r e c t l y r e l a t e dt o o p e r a t i o ns a f e t ya n de f f e c t i v e n e s sa n d e f f i c i e n c y t h e f o r m a t i o n c o n d i t i o n s ， c a u s er e a s o n ，d e f o r m a t i o na n df a i l u r e m e c h a n i s m s ，t h eg e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sa r et y p i c a l s u c c e s s f u lg o v e r n a n c eo ft h et u n n e ld e f o r m e ds l o p eh a si m p o r t a n tp r a c t i c a la n d r e f e r e n c es i g n i f i c a n c e b a s e do nt h ed e f o r m a t i o na n df a i l u r ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i e so ft h e d e f o r m e ds l o p eo ft h es e c o n dy a o t o ut u n n e l ，a p p l yt r a n s m i s s i o nc o e f f i c i e n tm e t h o d a n db l o c kl i m i te q u i l i b r i u mm e t h o dt oa n a l y z et h es l o p es t a b i l i t yi nn a t u r a ls t a t ea n d h e a v yr a i ns t a t e ，d i s c u s st h ep o t e n t i a lu n s t a b i l i t ya n dt h ei n t e r n a lf a c t o r so fd a m a g e t h er e s u l t si n d i c a t e d ：a st h et u n n e le x c a v a t i o na n dt h ee m e r g e n c eo fan e wo v e r h e a d s u r f a c e ，t h es t a b i l i t yo f t h es l o p ei sd e c l i n e d ，a n dt h es l o p ei su ns t a b i l i t y a f t e rt h es t a b i l i t ya n l y s i so ft h es l o p e ，c o m b i n a t i o n 谢t hs p e c i a ld e s t r u c t i o n m o d e ，p r o p o s er e a s o n a b l eg o v e r n a n c ep r o g r a m s a st h es p e c i a ld e s t r u c t i o nm o d ei n t h ee a r l yp r e c u r s o r ，i m p o s eg o v e r n a n c em e a s u r e so nv e r t i c a la n dh o r i z o n t a ld i r e c t i o n i m p o s ep r e s t r e s s e da n c h o rf r a m e w o r ko nt h et u n n e ls l o p ea n di m p o s ec o m m o n a n t i - s l i d ep i l eo nt h ef i g h ts i t et u n n e l f i n a l l y ，s i m u l a t et h er e i n f o r c e m e n te f f e c tb yf l a cs o f t w a r e ，a n dc o m p a r e w i t ht h e u n t r e a t e ds l o p e t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e ：t h er e t a i n i n gm e a s u r e s ( p r e - s t r e s s e d a n c h o rf r a m e w o r k ，c o m m o na n t i s l i d ep i l e ) s a t i s f yt h eg o v e r n a n c er e q u e s t i o n ，w h i c h c a ne f f e c t i v e l ye n h a n c et h es t a b i l i t yo ft h es l o p e k e y w o r d s ：s l o p eb o d y ；s t a b i l i t ya n a l y s e ；r e m e d i a t i o ne n g i n e e r i n g ；s u p p o r t i n g m e a s u r e s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密卤，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者虢侨玲 日期：研缈l 指导老师签名： 断绎和 日期： 枷。7 甲厶， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 选题依据及研究意义 我国幅员辽阔，地质条件复杂，地质灾害种类众多，分布广泛。斜坡体变 形( 主要表现有崩坍、滑坡、边坡滑塌等) 是比较普遍的地质现象，这其中又以 滑坡最为典型，滑坡对山区公路危害最大、分布最为普遍的一种灾害。随着国 民经济及各项建设事业的蓬勃发展，我国的滑坡事故愈来愈多，滑坡灾害常使 交通中断，影响公路的正常使用，对国民经济和人民财产造成相当大的损失， 给各项建设事业带来严重的影响，因此引起了人们广泛的重视。我国是一个多 山的国家，从而也是滑坡广泛分布的国家，特别是每年雨季都要发生若干滑坡， 它几乎遍及全国各省区，尤其是我国西南地区，滑坡更为频繁。据不完全统计， 西南地区发生的滑坡约占全国滑坡次数的一半以上。我国西南地区不仅滑坡的 规模大，类型多，而且分布广泛，发生频繁，危害严重n 。1 副。 滑坡与人类活动有着密切的关系。首先它是一种自然灾害，对人民的生命 财产造成直接的危害，而人类的工程活动又促成、加剧滑坡的发生和发展。例 如，公路开凿，隧道开挖致使斜坡体坡脚掏空，斜坡坡体失稳，诱发老的变形 体复活、加剧，形成新的变形体，滑坡复活，造成结构物失去功效。在山区修 建公路或铁路时，往往要通过滑坡地带。为了避免修建深路堑时大范围的开挖 对滑坡体产生的扰动，线路多以隧道形式通过滑坡。目前，相当数量的滑坡隧 道( 指修建于滑坡中的隧道) 存在着不同程度的病害，如隧道整体移动。衬砌严 重变形、开裂、剥落、掉块乃至隧道发生滑坡，以至影响甚至可能中断线路的 正常运行。根据检索的文献资料吲表明：目前很多隧道工程中正是由于上述原 因，导致了已经修筑完成的隧道发生变形以及衬砌开裂等。 由于隧道经行地段斜坡或滑坡体的存在，致使隧道进出口段产生斜坡体病 害现象十分普遍，而且容易产生严重后果，随着我国新一轮高速公路、铁路建 设高峰期的到来，这将成为公路、铁路不良地质灾害的主要类型之一。因此， 对隧道进出口段斜坡体病害的防范和治理开展深入研究，是一项十分必要而且 又紧迫的工作。如果能对隧道进出口段斜坡段病害的治理提出经济而有效的治 理措施和方案，一方面可以有效地避免由此带来的重大损失，另一方面也有助 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 于提高我们对此问题在理论上的认识。因此对隧道斜坡体病害的治理措施进行 研究，既具有重要的工程价值又具有重要的理论意义1 1 2 研究现状 1 2 1 窑头2 号隧道进口斜坡体变形现状 窑头2 号隧道斜坡变形体所在的位置坡度较大，山势陡峻。隧道进洞处的 高程7 4 2 6 m ，塌陷影响线后缘边界处的高程已经高达8 1 6 m 。见窑头2 号隧道地 形平面图( 图l 1 ) ： 图1 - 1 窑头2 号隧道地形平面图 斜坡变形体表层为褐黄，褐灰及灰黄色硬塑状亚粘土，含少量角砾及碎石， 厚度1 0 m j 6 m 不等。覆盖层以下为全风化、强风化片岩、片麻岩，全风化片 岩、片麻岩呈土状，原岩结构清晰；强风化片岩、片麻岩呈碎石状、似层状结 构，片麻状构造，节理裂隙很发育，岩体破碎，风化差异大。此部分为斜坡变 形体的主要部分，在此部分以下是弱风化片( 麻) 岩呈碎块状，似层状结构， 片麻状构造。节理裂隙发育，岩体较完整，局部不均匀风化。片麻理产状 7 5 。z 4 5 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 窑头2 号隧道斜坡变形初次出现于2 0 0 5 年5 月3 0 日，当时施工方反映该 隧道左幅蒙自端( 隧道进口端) 洞内及仰坡开裂，后于2 0 0 5 年7 月2 日该隧道 右幅蒙自端( 隧道进口端) 拱项及坡面开裂，根据现场情况，采取了一定的处 治措施后，开裂变形基本稳定；但于2 0 0 5 年8 月1 9 日右幅拱顶又继续开裂， 并发现初期支护混凝土掉块，经过现场查看，拱项及坡面开裂情况较前次更为 严重，见图卜2 。 右 ( a ) 坍塌的隧道左幅洞口( b ) 冒顶的隧道右幅洞口 图卜3 坍塌冒顶的窑头2 号隧道 同时坡面发现深大、纵横向裂缝多条，宽5 - - 5 0 c m 不等，深1 5 5 m 不等，裂缝 大多贯穿相连，还具有向后发展的趋势。地面开裂情况已根据现场实际将其绘 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 制在平面图上，如图l 4 所示，从图中可以看出：此次开裂不仅反映在裂缝的 数量上，而且在裂缝的深度和宽度上也较前一次有明显的发展。因为地质情况 复杂，出于安全考虑，工地被迫停工。 2 0 0 5 年1 1 月1 3 日1 1 月3 0 日，通过观察及调查的整个坡面裂缝发展情 况，坡面裂缝发展至2 0 0 6 年1 2 月己基本稳定。云南省交通厅在得到勘察情况 已基本稳定后通过委托云南省交通设计院进行斜坡变形体的变形整治。 斜坡变形破坏沿隧道线路纵向和横向两个方向发生，在斜坡变形体的后缘 有3 号老滑坡( 平面图中已示意出) 。就其结构和发生发展机理而言较复杂，其 发展趋势究竟如何? 目前采用的整治工程应用效果究竟如何；其结构的力学行 为究竟如何；设计方案是否合理等问题均是本工程及类似工程设计施工中和投 入应用后各界所关心的问题。这些问题也正是本论文所要研究的主要问题。 1 2 2 国内外斜坡变形治理措施研究现状 近2 0 多年来，我国对斜坡变形治理工程( 主要对崩塌、滑坡的治理) 的处 治技术尤其是抗滑支挡技术发展很快，支挡结构物的结构形式己从单纯依靠墙 身自重来平衡边坡土压力和斜坡变形破坏力的重力式挡土墙，发展为采用支撑、 土筋复合结构以及锚固技术等多种新型、轻型支挡新技术，成功处理了许多复 杂的边坡稳定和滑坡治理难题n 引。其中预应力锚索框格梁及抗滑桩由于能充分 利用岩土体自身的强度和自承能力，大大减轻污工结构的自重，节省工程材料， 降低工程造价而得到迅速的推广和应用，但由于岩土工程介质的复杂性以及锚 固方式的多样性，至今尚未出现统一的理论和相关的设计规范n 4 1 5 3 ，各设计单 位一般按照各自的计算方法并根据工程经验进行设计。 预应力锚索抗滑桩是在普通抗滑桩的桩顶或桩身一定位置设置一排或多排 预应力锚索，借助锚索提供的锚固力和抗滑桩提供的阻滑力，并由两者组成的 桩一锚支挡体系共同阻挡滑坡的下滑n 引。它是在抗滑桩的基础上发展起来的， 基于抗滑桩和锚索加固边坡的理论成果和实践经验技术。 ( 1 ) 抗滑桩的研究现状 抗滑桩是治理滑坡的一项重要工程措施，6 0 年代以来，国内外学者从不同 角度开展了多方面的研究工作n 7 2 0 3 ，以前苏联、日本和中国学者为代表。其中， 国外的研究主要侧重于桥梁桩基、海洋船埠码头和海底石油钻井平台桩基晗1 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 的内力计算，对治理滑坡的抗滑桩内力计算研究不多。抗滑桩在支挡滑坡的过 程中主要承受侧向滑坡推力，是一种横向受荷桩，可以把它做为水平推力桩的 一种特定形式，也有学者将抗滑桩和锚拉桩与基坑支护工程中的悬臂桩、支 锚式挡土结构做类比叫1 。 a 、抗滑桩力学模型研究现状 抗滑桩内力计算的关键问题是桩二土相互作用力学计算模型的确定。关于 横向受荷桩的内力计算，各国学者己提出了不少方法，概括起来可分为线弹性 地基反力法和非线性地基反力法两大类n 7 1 。比如国内计算抗滑桩内力较流行的 算法：悬臂桩法和地基系数法，均只考虑桩周土线弹性阶段。因为当桩的横向变 位较大时，弹性假定不再适宜，国际上较流行p - y 曲线法，也称复合地基反力 法业5 1 ，即非线性弹塑性地基反力法。m a t l o c k 建议了软粘土，r e s s e 建议了硬粘 土、砂性土的p - y 曲线绘制方法，在滨河、海的软土地基中，p - y 曲线已得到 较多应用。我国学者吴恒立n 刀提出的计算推力桩的综合刚度原理( 桩在滑面以下 的刚度不是桩本身的刚度，而是桩一土共同作用后的综合刚度) 和双参数法，可 考虑桩周土处于线弹性或非线弹性阶段。 上述非线性地基反力法主要适用于桩顶作用有横向荷载或桩的外露部分作 用有分布荷载，如某些桥梁桩基、海洋平台桩基的内力计算，并且事先需要桩 周土的试验数据绘制p - y 曲线或是相应的试桩实测值( 如桩在地面处的位移、转 角和桩身最大弯矩及其位置) 。作为边坡治理工程中的抗滑桩并不直接承受外荷 载的作用，只是由于滑坡体在自重或是其他外因的作用下发生变形和移动，而 使桩被动的承受坡体变形荷载作用，故抗滑桩又被称为“被动桩啪协。它和一般 建筑桩基、桥梁桩基等承受侧向力的桩基性质不完全相同。后者的桩基是直接 承受荷载并主动向土传递应力的“主动桩”。 抗滑桩上的荷载数值和分布形式对桩身内力值影响很大，但对其计算和确 定一般是根据极限平衡法和工程经验确定，不考虑桩土相对位移的影响。抗滑 桩的受力与桩土的相对变形有着密切的关系，实际上，抗滑桩正是通过桩土的 相对变形才将荷载作用到桩上，因此建立滑坡体与抗滑桩相互作用的位移模型 十分有益。m m a u g e r i ，e m o t t a 等口7 3 假定作用于桩上的荷载与桩一土相对位移 之间是一种非线性双曲线函数，利用位移法根据地基反力法的概念进行了桩的 计算，在土体位移与实测位移相近的情况下得出了较为满意的结果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 励国良乜8 1 等根据滑坡与桩相互作用的特点，提出了抗滑桩与滑坡体相互 作用的位移模型，利用地基系数法通过假定滑体发生一个系统允许的整体位移， 以及桩在滑面处力的平衡条件进行桩的内力计算和相应的地基反力计算。 另外，基于各种数值分析方法和计算机技术发展起来的数值模拟软件，如 a n s y s 、f l a c - 3 d 、a d i n a 等，为解决复杂的岩土工程计算问题提供了有效的途 径啪3 。如b r a n s b y m 3 等使用三维有限元方法进行分析时，土按线弹性模型计算， 计算结果与离心模型试验结果较一致。但由于数值计算和桩土性质的复杂性等 因素，用数值模拟的方法进行治理效果的评价，解释桩土相互作用的性状和一 般趋势规律还可以，用于设计则很难，不过这是一种很有发展潜力的方法。 目前我国仍主要采用线弹性地基反力法来分析计算抗滑桩的内力和变位， 将岩土体视为弹性w i n k l e r 地基梁模型。w i n k l e 模型的优点是简便且工程经验 丰富，其主要缺点是没有考虑地基的连续性。 b 、抗滑桩的内力、变位计算及优化设计 抗滑桩的内力、变位计算，一般根据抗滑桩的换算深度( 砌励) ，分为弹 性桩性桩模式。因地基系数分布( m 法，k 法，m 、k 的混合法) 和桩底边界约束 条件的不同分别有相应的解析解公式。依据计算采用的途径不同，抗滑桩计算 有初参数法、无量纲法、矩阵分析法、杆件有限单元法、有限差分法等方法。 对抗滑桩优化设计的研究工作集中在桩位2 3 的确定、桩后滑坡推力的大小 与分布、前滑体抗力大小与分布口5 i 、桩间距n 3 1 的确定，锚固深度4 1 的确定等方 面。其核心问题是斜坡变形体破坏推力在坡体和桩间的传递机制。人们通过工 程实践和模型试验发现，在两抗滑桩之岩土体确实存在着成拱效应。因此，应 用土拱理论研究滑坡推力的传递过程是一种有效的途径。w e n l w a n g 阳6 3 ( 1 9 7 4 ) ，潘家铮7 3 ( 1 9 8 0 ) 等对边坡中的土拱效应进行了研究，土拱形 状视为直线，推导了桩间土体的压力传递计算公式，刘小丽踟( 2 0 0 3 ) 等将土拱 形视为合理拱轴线方程，通过分析土拱的力学平衡条件，得出桩间滑坡推力的 传递模型，并由此得到抗滑桩上的滑坡推力计算公式，同时根据土拱的应力状 态，得出土拱体存在的必要条件，由此给出最大桩间距的确定条件。 ( 2 ) 锚固技术研究现状 锚固技术在世界范围内较大规模的应用开始于2 0 世纪6 0 年代，特别是近 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 二三十年来发展尤为迅速，在岩土锚固的设计理论、结构形式、锚固材料、施 工设备机具、施工工艺和应用领域等方面，都有了许多新的进展和成就，并在 整个岩土工程中占有不可缺少的地位而持续发展。锚固技术已在水电、矿山、 交通、地矿等诸多领域中得到了广泛的应用与大力的发展。在国外，德国的单 根锚索预应力最高己达到了1 6 0 0 0 l ( n 。印度的坦萨坝采用锚索根数为2 4 0 0 根、 单根锚索预应力为7 0 0 心的预锚工程是目前单项工程的锚索根数之最。我国漫 湾水电站的锚索根数也高达2 2 7 0 多根，该项工程的预锚力总吨位列居世界前 列。 在锚固技术上，以瑞典、法国、南非为代表。由于条件优越，对具体的工 点他们能进行专门细致的调查和综合测试工作( 如岩土的真三轴实验、扫描电镜 分析等) ，而且能在施工时高精度地进行监测和各种控制性工程( 如预裂爆破、 光面爆破等) ，同时广泛地使用计算机分析技术( 加拿大g e o - s l o p e 系统) ，加上 环保需要，所以他们的边坡设计广泛地采用锚固技术，以减少开挖工程量并尽 量地不破坏环境。 在2 0 世纪8 0 年代末期，由于锚固技术理论研究和凿岩机械突破性的发展， 我国开始采用锚喷防护技术。锚喷技术的采用对高边坡提供一种施工快速、简 便、安全的处治防护手段，因此得到推广应用。 在2 0 世纪9 0 年代，压力注浆加固手段及框架锚固结构越来越多的用于边 坡治理，尤其使用于高边坡的处治防护工程中。它是一种边坡的深层加固处治 技术，能解决边坡的深层加固及稳定问题，达到根治边坡的目的，因而是一种 极其广泛应用前景的高边坡治理技术。 1 2 3 国内外滑坡治理措施研究简要评述 历经8 0 多年的研究发展，国内外斜坡变形体研究已经取得了重大的成绩， 但远没有达到完善的程度，各国研究者由于学识和认识上的差异，各有专长， 对斜坡的研究也各有偏重，并不全面。长期以来，结构工程师们认为斜坡治理 是一项纯工程问题，偏向于选择支挡结构物特别是抗滑桩来解决问题，从支挡 效果、施工难易、工程造价等方面考虑得较多；而地质工程师们则对滑坡这种独 特的地质灾害特有的形成条件、产生原因、变形破坏机制和几何边界条件( 滑动 面的埋深和形状) 给予更多的重视。这种认识和设计上的脱节是导致滑坡治理工 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 程失效重要原因。有效的做法应该是既加强地质工程理论的系统深入研究，同 时也加强滑坡防治工程设计理论和设计方法的完善。 滑坡治理作为一项系统工程，各个环节都十分重要。勘察阶段须对滑坡的 特有形成条件、产生原因、变形破坏机制、几何边界条件、起动一运动停止 过程获得正确认识，在此基础上，采取综合有效的治理措施，最大程度地发挥 原有坡体的潜力。不仅如此，在滑坡的治理中还要考虑工程与环境的协调、土 地资源的合理开发与利用。作为工程结构的发展，预应力锚固工程体系应该大 力推广，大型滑坡防治工程中加强预应力抗滑桩结构的研究与应用以及滑带改 良注浆技术的研究推广。 1 3 研究内容及技术路线 1 3 1 主要研究内容 针对隧道斜坡变形病害目前的研究现状及窑头2 号隧道进口段斜坡变形病 害的具体情况，确定本论文的研究内容如下： ( 1 ) 地质环境 对斜坡变形病害区的区域地质环境、窑头2 号隧道斜坡变形体的地质环境 进行分析研究。包括地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质及气象特征， 目的是全面分析窑头2 号隧道斜坡变形体病害产生的内在因素。 ( 2 ) 斜坡变形现象及过程 调查斜坡变形现象，恢复斜坡体发生病害前的地质环境，模拟各种触发因 素的历史作用，以研究斜坡体病害的前部过程。 ( 3 ) 滑动机制 对窑头2 号斜坡生成的地质环境和滑动过程研究清楚的前提下，分析窑头 2 号隧道斜坡变形体产生病害的原因、影响因素和形成机制。 ( 4 ) 稳定性 针对目前的病害特征和地质表现，对窑头2 号斜坡进行稳定性分析，重点 分析加固工程后的稳定性并进行滑坡推力计算。 ( 5 ) 整治方案 以整治窑头2 号斜坡为目的，在前述内容的基础上针对各项影响因素分析 相应工程措施的适宜性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 6 ) 支挡效果 研究斜坡体在施以抗滑支挡结构以后的变形特征，论证所进行的工程治理 措施和方案的实际效果。 ( 7 ) 结构内力 以窑头2 号进口段斜坡体为整治对象，分析计算该斜坡体上主要治理工程 的结构内力。 1 3 2 研究方法及技术路线 对窑头2 号斜坡地质环境的研究在结合区域地质资料和勘察资料的基础 上，以现场调查分析为主。病害产生过程、病害产生机制及稳定性分析采用现 场调查与数值计算分析相结合的研究方法，通过现场地貌形态的演变分析、地 质条件对比、滑动迹象的判断结合数值计算结果综合分析。稳定性计算采用极 限平衡法，斜坡体下滑推力计算采用分块极限平衡法的综合方法。整治方案研 究采用现场勘察结果与现行设计理论相结合的分析法。抗滑结构的支挡效果通 过数值计算进行分析。结构内力采用理论分析计算的方法。 根据以上研究思路，将本论文隧道斜坡变形病害的研究内容和技术路线概 括为图1 2 所示的程序框图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图1 - 2 主要研究内容及技术路线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第2 章斜坡地质环境特征分析 2 1 沿线地质环境 2 。1 1 地形地貌特征 区内地处云贵高原的南缘部分，属南盘江流域，地理坐标东径 10 3 。2 0 1 0 3 。3 5 ，北纬2 2 。5 0 2 3 。15 ，地形地貌受地层岩性、地质构造控制明 显，山脉走向、河流分布严格受构造的控制。本区内以构造侵蚀山地地形地貌 为主，沿线山高坡陡，沟谷纵横，地形复杂，地地形切割较大。线路位于红河 峡谷北岸斜坡中部，起子乍马孔一带，止于瑶头一带，路线最高海拔9 2 0 米( 湾 田4 号隧道顶) ，最低海拔5 8 0 米，路线切割相对高差3 5 0 米。 2 1 2 区域地层岩性 本区主要地层为第四系( q ) 、元古界瑶山群( p t y s ) ，第四系( q ) 主要分 布于山地槽谷洼地及坡地上，为褐色、褐灰色亚粘土、亚砂土，含碎石。元古 界瑶山群( p t y s ) 以深变质混合片麻岩为主，全线均有分布。 2 1 3 地质构造特征 区内地质构造十分复杂，路线区为青藏滇缅歹字型构造、川滇经向构造体 系及南岭纬向构造体系的交接地带，断裂、褶皱发育，著名的构造形迹红河深 大断裂沿红河谷呈北西南东向延伸。 区内对路线影响较大的构造( 路线经过的主要构造) 为新现河口帚状 构造及水田北东向构造。新现河口帚状构造使红河北区向南东移动，是以 红河深大断裂为界面两侧扭动的结果，其断裂皆属压扭性。水田北东向断裂两 端被新现河口帚状构造所切。本区路线大部分沿红河谷东岸展布，基本在 红河深大断裂的影响带之内。 2 1 4 水文地质与气象特征 1 水文地质条件：本区内主要有两种类型的地下水，即孔隙水和基岩裂隙 水。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ( 1 ) 孔隙水 主要赋存于山间槽谷亚粘土、残坡积层孔隙中。土层结构为亚粘土的地下 水类型以潜水为主，残坡积层为季节性上层滞水，富水落石出性弱，补给来源 为大气降水，地表溪沟等，向沟谷排泄，地下水位一般较深。地下水类型以h c o 。- c 。 型及h c o 。- c 施型水为主，矿化度一般0 1 克升。 ( 2 ) 基岩裂隙水 可分为面状( 风化裂隙) 型、层状( 层间) 型、带状( 断裂带、风化脉) 型三类。 面状型以风化网状裂隙水为主，可细分为碎屑岩类风化网状裂隙水、变质 岩风化网状裂隙水。赋存于片麻岩、片岩( p 呐) 上部的全 强风化裂隙中。裂 隙发育深度可达3 0 - - 1 5 0 米，连通性较差，补给来源为大气降雨，向深部或地 形低洼处径流排泄。 层状型主要赋存于瑶山群( p 呐) 片麻岩层下部的强弱风化裂隙中，呈似 层状产出，其赋存于深度受风化及构造裂隙发育深度控制，一般具富水性弱 中等，地下径流模数3 - - 6 升秒千米2 ，补给来源为大气降雨，风化裂隙水， 地下水位较深。 带状型多沿断裂带及风化脉状体分布，在脆性岩石的张性、张扭性较弱。 本类地下水类型以h c 0 3 - c 。m 。型为主，局部为h c o 。一c 。及h c o 。一m 。c 。型，矿化度 0 i - - 0 2 4 克升，p h 值5 8 8 ；其中红河谷北岸瑶山群的深变质岩、火成岩裂 隙水以h c o 。- n 。+ k c 。型及h c o 。- c 。n a + k 型为主，矿化度0 0 2 0 1 克升，p h 值 5 7 3 。水质较好，有害离子含量均未超标，均为非腐蚀性水。 2 气象特征 本区履带属亚热带气候，区内地形复杂，河谷切割强烈，高差悬殊，气候 受地形影响，垂直变化较为明显。海拔5 0 0 米以下的低山河谷地区( 红河谷) ， 气候炎热，夏季气温达3 6 。c ；海拔5 0 0 米以上的山区，气候温和；1 9 0 0 米以 上，冬季有霜降，但终年无雪。 区内雨量丰富，年平均降雨量1 5 7 7 3 毫米，红河以北的地区，年平均降雨 量1 4 6 5 6 毫米，红河以南地区相对较高，年平均降雨量1 8 1 1 3 毫米。降水量 垂直变化明显，河谷地带降雨量一般偏低，河谷两侧，随地形高程增高，降水 量逐渐增大。区内蒸发量，除蛮耗一带外，蒸发量都小于降水量，年蒸发量低 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 于降水量3 0 8 9 毫米- - 8 2 3 4 毫米，故区内湿度相对较大，一般年平均相对湿度 8 3 6 - - 8 6 。每年1 0 月至次年2 月经常大雾弥漫，空气湿度特别高。 2 1 5 地形不利地段 线路地形地貌多陡坡、深切河谷，在地层岩性、地质构造、岩石风化程度 及丰富的降雨量的综合作用下，极易产生浅层中层滑坡，在片麻岩全强风化 层中，在强降雨的作用下，局部微型小型浅层圈持状滑坡屡见不鲜。 2 1 6 地震 本区处于地震低发地带，据云南省地震局1 9 6 5 年1 月2 7 日至1 9 7 5 年1 2 月2 4 日观测资料说明，在测区内未发生过三级以上的地震，只有微震记载。 根据中国地震动参数区划图( g b l 8 3 0 6 - 2 0 0 1 ) ，区内线路处中硬场地类 型3 区，地震动峰值加速度为01 0 9 ，地震基本烈度值为度。 2 2 隧道进口段斜坡变形体地质特征 2 2 1 地形地貌特征 窑头2 号隧道地处红河峡谷北岸斜坡中部乍马孔一带，为构造侵蚀峡谷山 地地形地貌，横向沟谷发育，切割较深，自然坡较大，为3 0 一4 5 。，植被较发育， 见图2 - 1 。隧道右幅k 4 5 + 0 3 0 k 4 5 + 0 4 5 段地貌为山地陡边坡，地表有约4 0 c m 植物层，偶有中风化岩石出露。 国2 - 1 窑头2 号隧道进口( 蒙自端) 地形地貌 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 2 2 地层岩性特征 ( 1 ) 坡体岩性 窑头2 号隧道斜坡变形体的主要地层是由残坡积碎石土体、风化破坏岩体 和基岩组成。 残坡积碎石土体包括：残坡积含碎石亚粘土，厚度1 o 5 6 米，褐黄、褐 灰及灰黄色，硬塑状，含少量碎石及角砾。 风化破坏岩体：岩性为隧道区出露地层为元古界瑶山群( p 啪) ，呈褐黄、褐 灰及灰褐色。根据地质调查和钻孔资料，以全风化及强风化片麻岩为主，多含 石英脉，节理裂隙发育，风化破碎，风化较深，强、弱风化界线9 9 3 6 4 米， 风化差异性较大，不均匀风化现象普遍存在，片麻理产状7 5 。l 4 5 。，产状对隧 道围岩的稳定不利。 基岩：包括强风化及弱风化层，强风化层呈褐黄、褐灰及灰褐色，抗风化 能力差，岩体风化深，节理裂隙极发育；弱风化层呈褐灰、灰白色碎块状、似 层状，基本为片( 麻) 岩，岩性较完整，该层埋藏较深，隐节理及节理较发育。 ( 2 ) 典型断面概化地层模型 由前所述，窑头2 号隧道斜坡变形体具明显活动性和对隧道开挖具主要破 坏作用的是下层风化破碎岩体，根据窑头2 号隧道斜坡变形体纵断面3 3 、横 断面i 1 7 断面的地层结构，概化出适于数值计算的地层模型，如图2 2 所示。 i 址u d 眦 2 9 n 址 皿 址 趣 麟 址 ( a ) 窑头2 号隧道进口段纵断面3 3 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 】z 、 ( b ) 窑头2 号隧道进口段横断面i 1 7 图2 - 2 窑头2 号隧道斜坡变形体典型断面地层结构模型 2 2 3 地质构造 隧道处红河深大断裂以东，相距约3 公里，断裂多期次活动，地质构造影 响范围较大，岩石节理裂隙很发育，以7 5 3 2 5 。z 4 5 5 5 。裂隙组为主，隧道区 无断裂通过。岩体风化程度极不均匀，极破碎，结构松散。 2 2 4 岩土物理力学性质 根据滑坡分块极限平衡法力学指标反算及室内环剪试验数据，结合工程经 验确定窑头2 号隧道进1 ：3 斜坡变形体的地层物理力学参数。如表2 1 所示。 表2 一i 窑头2 号隧道斜坡变形体3 3 典型断面各地层主要物理力学参数表 重度 内聚力内摩擦角体积模量 剪切模量抗拉强度 名称 ( k n m 3 )g ( m p a )t ( k p a ) c ( k p a )由( 。)k ( m p a ) 弱风化 片麻岩 2 76 0 02 61 x 1 0 48x1 0 38x1 0 2 强风化 片麻岩 2 6 2 6 51 2 0 1 0 02 6 2 3 l 1 0 38 x 1 0 2 1 0 5 全风化 片麻岩 2 5 2 5 51 7 1 5 52 2 2 0 4l 1 0 2 8 0o 残坡积层2 4 2 51 5 1 02 1 1 8 5 03 00 注：1 、表中“2 4 2 5 ”表示“天然状态指标饱水状态指标”； 2 、弱风华片麻岩位于地表下较深，未统计其饱水状态指标。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 第3 章隧道斜坡变形体稳定性分析 滑坡、崩塌和滑坡同属于斜坡体变形现象，根据现场实地的详细勘察和对 资料进行分析，按当前的发展趋势，窑头2 号隧道斜坡体变形形式将演变成隧 道滑坡。因此对斜坡体稳定性分析主要是对滑坡进行稳定性分析。对滑坡体稳 定性分析一直是斜坡变形体治理工程一个重要研究内容。对斜坡变形体稳定性 的分析评价方法多种多样，大体上可以将它们分为确定性分析方法和不确定性 分析方法两类。尽管这些评价方法己经得到广泛应用，但由于斜坡变形体稳定 性受多种因素影响，且各影响因素又具有复杂性和不确定性( 如模糊性、信息的 不完全性和未确定性) ，因此确定性分析方法的分析结果与实际不能完全吻合， 而不确定性分析方法的准确性与实际情况之间又存在差距。目前我国正大规模 的开展基础设施的建设，这为滑坡工程的研究创造了良好的条件，同时也需要 加强对滑坡工程稳定性分析评价方法方面的研究，以指导工程的设计与施工。 3 1 变形特征与基本性质分析 研究区斜坡变形体在区域地质构造的影响下形成现今山体的构造格局，该 构造格局控制斜坡变形体依附构造单元块体而形成，从而形成了窑头2 号隧道 斜坡变形体的独有特性。 3 1 1 斜坡变形体变形特征 据勘察报告和现场调查，窑头2 号隧道斜坡变形体发生在隧道右幅进口段 ( k 4 5 + 0 4 5 k 4 5 + 1 7 0 ) 及左幅进口段( k 4 5 + 0 1 5 - - k 4 5 + 0 9 1 ) ，根据地质调查和钻 孔资料以及采用s i r 一3 0 0 0 型探地雷达进行探测结果表明：隧道区出露地层为元 古界瑶山群，以片麻岩为主，多含石英脉，节理裂隙发育，风化破碎，风化较 深，岩体被节理分割呈块状，岩体稳定性较差。强弱风化界线最薄处为9 9 米， 最厚的地方厚为3 6 4 米，斜坡变形体的风化差异性较大。通过调查还发现不均 匀风化现象普遍存在，片麻理产状为7 5 。z 4 5 。，线路走向为1 1 2 。，产状对隧道 围岩的稳定性不利。 斜坡变形体在地表坡面产生了大量裂缝，通过对坡面裂缝进行综合比对和 统计分析，选出了1 0 条主要的宽大裂缝进行进一步分析和调查研究，发现其裂 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 缝发育特征如下： ( 1 ) 裂缝长度较长一最长达1 3 5 米，并连续贯通； ( 2 ) 裂缝水平位移与垂直位移相比总体偏小，水平位移量0 1 1 1 米，而 垂直位移量o 1 1 2 米； ( 3 ) 裂缝倾角均加较陡，倾角一般为6 0 一9 0 。之间； ( 4 ) 裂缝深度较深，一般0 3 2 0 米，最深达3 9 米； ( 5 ) 倾向上呈现后缘总体倾向坡外并斜向左幅，右侧总体倾向左，右侧总 体倾向右的特征。 坡面裂缝具体情况见表3 - 1 ： 表3 - 1 坡面裂缝调查统计表 倾向倾角长度深度水平位移垂直位移 编号 ( 。)( o)( m )( m )( m ) ( m ) 13 2 08 71 2 01 5 2 。5o 2 旬40 , - , 0 6 23 2 68 81 1 50 6 3 1o 4 1 10 6 1 2 33 0 59 09 50 2o 1 5o 2 43 5 08 11 6 51 30 3o 5 51 9 0 6 0 9 0 1 0 2 o 3 3 90 3 1 o0 5 0 6 68 08 93 50 3 1 20 1 , - , 0 70 2 旬7 5 77 2 3 4 07 81 3 50 和2 00 4 , - 0 80 3 旬4 83 2 58 780 60 2o 3 93 3 4 8 23 6o 5 1 20 2o 1 1 03 5 08 32 8 40 2 1 0o 1 - - 0 30 4 3 1 2 斜坡变形体的基本性质分析 据勘察报告，结合现场调查、踏勘分析，目前在斜坡变形体的后缘还存在 一定的错落，同时隧道的开挖导致斜坡体发生了坍塌冒顶( 见图卜3 ) ，斜坡体 前缘新的临空面的产生为斜坡体演变成滑坡创造了条件：斜坡体后缘出现的有 陡倾裂缝，斜坡体前缘有为滑坡创造剪出口的地质条件。沿构造带展布的片麻 岩、片岩、变粒岩岩体风化破碎，在水的作用下，各接触带之间的岩土强度降 低，形成软弱带，围岩将沿软弱带产生失稳或滑移，因此将斜坡变形体未来的 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 发展趋势将演变成滑坡。所以这里我们将其定义成潜在滑坡。 窑头2 号隧道斜坡变形体变形破坏具有复杂性，通过上述分析，作者已将 斜坡变形体定义成潜在滑坡，因此本论文对斜坡变形体稳定性及防治的研究将 是对滑坡体的稳定性分析及防治研究。 3 2 滑坡的形成机理 3 2 1 地质条件 据勘察报告结合现场调查分析，滑坡体主要为薄一中厚层片岩、片麻岩，属 弹塑性岩体，层理及节理裂隙发育，在陡倾地形环境中易变形，该滑坡的形成 主要受地形，岩体结构面等因素控制，而水理作用及隧道开挖导致其物理力学 性能降低，使变形加剧。在自重应力作用下产生挤压褶皱、断裂、层间揉皱及 碎块化等。应力场的转化使这类构造多次压、张交替，使岩体更破碎，后经侵 蚀、剥蚀作用持续下切，斜坡岩体进一步卸荷松驰，风化作用深入岩体内部， 形成宽厚的松动体一碎块石变形体。 卸荷松动的应力一形变进一步调整。先是沿铅直方向的下坠沉陷压密，使 岩体局部产生挠曲，之后在重力作用下岩体内部裂隙追综贯通，进而发生旋转 和表层块体倾倒、塌陷变形，从而形成以滑坡为主的斜坡变形体。由于受构造 裂控制，斜坡变形破坏面不规则。 3 2 2 滑坡形成机理 根据勘察资料的室内整理、勘察施工过程中所反映出的掉钻、岩层风化层 序颠倒等现象及整个坡面裂缝所表现出的特征，隧道病害情况( 左幅洞口滑坡， 右幅洞口冒顶等) ，并结合地勘资料最后认为，滑坡所在的自然坡原先处于稳定 或临界稳定状态，隧道开挖后，改变了斜坡体原来平衡的应力状态，导致局部 应力集中和应力调整。应力调整过程中完全不能承受拉应力的残坡积碎块石土 被逐级牵引、拉裂，形成多处张裂缝。受地形的控制，最终达到新的应力平衡 状态，形成以应力调整区为界的潜在滑坡。由于在已开挖的坡面上尚无明显的 滑坡前缘剪出迹象