沈 波

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

1 工程概况

山区铁路隧道洞口多位于高陡边坡，尤其在孤立山嘴带，岩体卸荷强烈，上方大多分布临空的危岩落石，一旦坠落崩塌，往往会对既有桥梁隧道等构筑物造成严重危害。以下通过分析蒙华铁路高家山隧道洞口危岩所处的地质条件、危岩体特征、形成原因，选取典型危岩体在初始应力状态及卸荷应力状态下裂隙发育情况，从地质及力学角度分析危岩体的变化趋势[1-2]。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

研究区位于黄龙山中低山区，区域地貌总体自东向西倾斜，地形高差50～200 m，自然坡度为40°～50°，坡顶表覆新黄土，坡面基岩裸露。

2.2 地层岩性

主要出露的地层：①第四系全新统坡洪积碎石土，灰褐色，稍密-中密，稍湿，主要成分为砂岩，粒径60～80 mm，棱角状，充填黏性土，夹大量块石，分布于隧道出口山坡上，层厚0.5～2.0 m；②第四系上更新统风积新黄土，浅黄色，硬塑-坚硬，土质均匀，砂感较强，分布少量孔隙； ③三叠系中统二马营组砂岩，灰白色、灰色，主要矿物成分为长石、石英，砂状结构，薄-巨厚层状构造，泥、钙质胶结，全风化-弱风化，节理裂隙发育，层厚0～20 m，产状340°∠2°；④三叠系中统二马营组泥岩，灰白色-棕红色，泥质结构，中-厚层状构造，弱风化，节理裂隙发育，层厚0～2 m。

2.3 地质构造

主要地质构造为铜川-韩城隆起，为一北倾的复单斜构造。主要有NWW、NNE两组节理，其中，NWW组较为发育，倾角83°～88°，延伸性好；NNE组节理倾角85°～88°，延伸性较差，不发育。

3 危岩特征

3.1 危岩发育特征

危岩位于隧道出口上方70～80 m的陡崖上，高程为875～896 m，相对高差5～20 m，陡崖坡角近乎垂直。陡崖上部为泥岩风化侵蚀形成的凹形面岩腔，坡角已成负角，高约5 m，往下为斜坡地形，坡角一般为70°～85°。山坡相对高差为120～140 m。根据危岩带岩体结构面发育程度及组合特征、切割块体的变形破坏机制及所处位置等情况[3-8]，划分为5个危岩带，如图1。

图1 高家山隧道出口高边坡危岩体分布

由图1可知，位于洞顶上方的W1危岩体危害最大，该危岩体沿坡面长约15 m，宽约5 m，临空面厚约20 m，体积约1 800 m3。岩体内节理裂隙非常发育，受控于3组优势裂隙结构面，2组卸荷节理面产状为172～195°∠85～88°、105°∠75°，张开5～20 cm，岩层面产状340°∠2°。危岩体潜在失稳模式为坠落[9-10]，危岩体全貌及裂隙发育情况见图2、图3。

图2 W1危岩体全貌

图3 W1危岩体发育的竖向裂隙

3.2 卸荷带特征

卸荷带主要指原地质环境时期侵蚀切割形成的斜坡陡崖带，这种地质环境变化改变了原有的力学环境条件，形成新的重塑效应。在研究区域，主要表现为侵蚀形成的沟谷造成岩体侧方约束释放，形成卸荷回弹，陡倾角裂隙进一步扩容，形成新的卸荷裂隙带。高家山危岩卸荷带的发育程度主要与岩体结构裂隙的发育程度紧密相关[11-12]。

高家山危岩卸荷裂隙较发育，单个危岩块体一般揭露出3～8条。卸荷带多沿山坡走向呈带状分布，以平行坡面的陡倾裂隙为主。裂隙间距为0.5～2 m，张开度为1～12 cm，多有贯通趋势，无充填，深度较大。

4 危岩形成原因

4.1 地形条件

危岩体发育一般需具备坡面陡峻、坡面风化严重、节理发育等条件。高家山危岩体所处边坡高陡，高差较大，上部近乎直立，为危岩体下坠创造有利地形条件。

4.2 地层岩性

高边坡岩体由三叠系中统二马营组砂岩、泥岩构成，为典型的“上硬下软”斜坡结构和“靴状”地形。斜坡上部为厚层-巨厚层状砂岩，致密坚硬，抗风化能力强，可形成近直立的陡崖；下部为砂岩、泥岩互层，岩体破碎，强度较低，形成陡坡。上部厚层砂岩中夹多层力学性质较差的泥岩，易软化，在覆岩重力作用下会发生塑性流动，在覆岩中引发张应力，促进岩体节理裂隙向上扩展。泥岩局部由于长期风化剥蚀和人为开挖形成崖腔，上部岩体凸出产生悬臂作用，岩体产生拉裂破坏或顺节理面垂向坠落[13-15]。

4.3 节理构造

受区域构造影响，地层中发育2组共轭节理，与岩层面及卸荷等次生节理将斜坡岩体切割成离散结构。上部厚层砂岩呈块状，在临空面形成危岩体。下部砂泥岩互层呈碎裂状，岩体强度进一步降低。

4.4 水文地质

高家山危岩所含厚层砂岩内部裂隙发育，贯通性好，富水性差。中夹泥岩渗透率低，为相对隔水层。砂岩裂隙水集聚于泥岩夹层上，造成泥岩软化拉裂压缩变形，再次造成上部砂岩体的位移变形及裂隙扩张，变形增大到一定程度后逐渐向崩塌破坏发展。

5 变形数值模拟

应用不连续介质二维离散元程序进行数值模拟，模拟连续介质承受荷载下的状态应力应变状态。变形块体被划分成有限个单元网格，且每一单元根据给定的应力-应变”准则，表现为线性或非线性特性。不连续面发生法向和切向的相对运动也由线性或非线性“力-位移”的关系控制。

5.1 模型建立

高家山隧道走向为350°，与岩层产状近似平行。选择与隧道平行、贯穿W1危岩体的剖面建立模型，如图4所示。

图4 选取的地层模型

模型中，设置岩层面与陡倾节理2组结构面，层面水平，节理面倾向临空面，倾角80°，均为连续结构面。调查发现，坡顶危岩厚3～8 m，显示有较宽的卸荷带。因此，建模过程中考虑风化卸荷作用，在临坡面设置宽20～50 m卸荷裂隙带。卸荷带内岩层面间距10 m，陡倾节理间距5 m。模型两侧边界设置为X方向固定、Y方向自由，底部边界条件为X、Y方向均固定。模型选择的重力加速度取9.81 m/s2。

5.2 参数选取

高边坡数值模型中有砂岩和泥岩两种岩性，岩性材料均选择摩尔库伦模型，主要物理力学参数包括密度、弹性模量、泊松比、内摩擦角、黏聚力。受岩体结构面影响，小尺寸岩块强度试验难以反映岩体强度，模拟中参考现场相关物理力学试验结合相关规范岩体质量分级进行取值。高家山隧道出口高边坡上部出露厚层砂岩和泥岩。砂岩为泥、钙质胶结，属于坚硬岩类，呈薄-巨厚层状构造，全-弱风化，节理裂隙发育，岩体较破碎，可判断其岩体质量为Ⅲ级；泥岩属于软岩类，强度较低，多风化形成岩腔，中-厚层状构造且节理裂隙发育，岩体较破碎，岩体质量为Ⅴ级。高家山隧道出口高边坡的岩体参数取值见表1。

表1 高家山隧道出口高边坡的岩体参数取值

出口高边坡数值模型中包含两组结构面，层面和陡倾节理。结构面材料选择摩尔-库伦模型，主要物理力学参数包括法向刚度、剪切刚度、黏聚力、摩擦角。高家山隧道出口高边坡的岩体结构面参数取值如表2。

表2 高家山隧道出口高边坡岩体结构面参数取值

5.3 初始应力状态下结果分析

不考虑风化卸荷的影响，抗剪强度选取见表5，当最大的结点不平衡力较初始所施加总力小时，可判定模型达到平衡状态，不平衡应力比取1.0×10-5。结果如图5。从图5中可看出，初始应力平衡状态下，临坡面30～50 m范围内出现局部节理张开，这是受边坡本身坡面卸荷作用形成的。

图5 初始平衡状态裂缝张开分布

5.4 风化卸荷状态下结果分析

长期风化卸荷作用下，高边坡在临坡面附近形成风化卸荷带，卸荷带内节理裂隙张开或错动，导致岩体强度降低、结构裂化。在这个过程中，对卸荷带内岩体结构面抗剪强度按表5进行修改赋值，分析长期风化卸荷作用下斜坡的应力应变特征，结果如图6。从图6中可看出，在应力作用下，边坡裂隙面明显增多，与初始平衡状态相比，发生张开变形的节理数量和密度增大，尤其集中在陡崖面20 m范围内。

图6 卸荷状态下裂缝张开分布

在软弱结构面风化卸荷作用下，进一步分析边坡坡面的位移情况，结果如图7。可以看出，边坡坡顶出现明显应力拉张区，主要朝临空方向向下变形，位移为4～8 mm，其中一处张拉区距离陡崖约2 m，宽约15 m，垂直发育深度22～25 m，向下逐渐收窄尖灭。另一处距离陡崖40 m，宽约10 m，发育深度10 m。边坡表面应力张拉区主要位于陡崖与下部陡坡过渡带，此处发育3层1.4～1.5 m厚的泥岩。张拉区向边坡内部发育深度25～40 m，由内向外位移从4 mm增加到22 mm，变形方向从指向坡外向下转为水平。在陡崖与陡坡交界地带，受上部陡崖变形剧烈，下部块体根部侧限的影响，表层岩体向临空方向挤出，其位移指向临空面斜上方。

图7 潜在破坏范围变形特征

6 结论

高家山风化卸荷作用主要由砂岩间泥岩岩腔形成，其裂隙发育及后期崩塌坠落部位也多集中在泥岩凹腔顶部，而凹腔形成的主要原因为泥岩不断风化剥落。上硬下软结构导致基岩裂隙水流在泥岩处富集，上部压重的叠加条件下极易发生风化掉块，进而导致顶部拉张裂隙发育、扩大、加深，最后沿岩腔顶部从坡面崩落。

针对该危岩体的防治，可选择浆砌片石、混凝土等材料对泥岩凹腔的进行封堵回填，以改变岩体内应力状态；也对后期风化卸荷作用进行防治，从源头防治后期岩体内裂隙的扩展。另外，对凹腔附近表层裂隙发育较深岩体可采用清除等措施，消除不稳定危岩块体；内部裂隙发育处可采用锚杆、主被动网等相结合措施等进行防治， 锚杆深度宜进入裂隙内部。