大理-瑞瑞铁路澜沧江大桥桥隧工程边坡稳定性分析

大理-瑞瑞铁路澜沧江大桥桥隧工程边坡稳定性分析

近年来，随着道路建设标准的提高，山地快速道路建设中的大隧道和大峡谷桥梁不断穿越复杂山脉。这些桥隧工程往往是线路的重点工程,甚至是决定线路可行性的关键工程。由于受山区复杂地质条件影响,桥隧工程边坡的稳定性将对整条线路起到控制性作用。如大瑞(大理-瑞丽)铁路澜沧江大桥,桥长426m,高238m,桥两端分别连接大柱山隧道和江顶寺隧道。两岸工程边坡相对高差达1.3km,其受地形地貌、岩体结构及水文地质工艺等多种不确定性因素的影响,使得变形破坏机制非常复杂,对其稳定性评价也非常困难。目前,中国学者对于高陡边坡桥基位置的确定及荷载作用下高陡边坡的稳定性分析,一是基于二维平面问题处理,忽视其空间效应;二是研究局限于边坡本身,没有能够与工程结构建设相结合。无论是高陡边坡还是桥台基础等都是三维实体,采用二维分析具有一定的误差;加之研究工作与工程结构建设结合较少,其结果推广到实际应用中往往存在较大误差。本文以大瑞铁路澜沧江大桥工程边坡为例,建立三维数值模型对桥隧工程边坡稳定性进行分析研究,并结合桥梁工程建设和隧道开挖过程,为桥隧工程边坡的支护处理提供参考。1岸峡高陡岩岩质特征大瑞铁路位于云南省西部,是中国第一条穿越横断山脉的国家Ⅰ级干线铁路,沿线地形地质条件极为复杂。澜沧江大桥桥址区位于大理与保山分界处的澜沧江峡谷内,如图1所示,江面宽40~50m,沿江两岸峡谷高陡呈“V”字形,为典型高山峡谷地貌。两岸海拔高度为1.17~2.4km,相对高差约1.3km。自然斜坡10°~50°,左岸在1.45km以下坡度40°~50°,右岸坡度50°~60°,局部为陡壁,地表横向冲沟较发育。桥址区夹在平坡断层、五里哨断层之间的地块上。如图2所示,区内出露上三叠统(T3d2)中厚层状灰岩、白云岩,岩质坚硬,喀斯特弱发育。岩体结构统计分析模型定性确定右岸边坡主要受外倾顺坡向结构面和后缘大倾角结构面组合控制,易沿外倾顺坡向结构面发生滑移破坏;左岸由于结构面贯通性不好,各组结构面相互组合、切割,易于发生浅表层局部块体滑移。2边坡稳定性分析由于地处平坡断层和五里哨断层之间,受构造变动影响,岩体结构面发育,岩质边坡高陡。虽然工程区开挖的工作面长度约40m,相对较小,但却是整条线路的控制工程,边坡的稳定性关系重大。针对这些特点,提出一套岩质桥隧工程边坡稳定性及工程支护处理措施评价流程(图3),总体上可以分为3个过程。2.1建立工程边坡地质概念模型工程施工前首先进行工程区地质条件调查,查明坡体内弱面(断层、结构面等)的发育特征,建立工程边坡的地质概念模型,明确坡体的变形破坏模式,为边坡整体稳定性评价提供依据。2.2边坡稳定性问题岩质边坡稳定性问题主要表现在2个方面,即受软弱结构面控制的边坡整体稳定性问题和浅表层局部碎裂岩体的稳定性问题。针对上述问题,对边坡的稳定性研究采用三维数值模拟和刚体极限平衡理论相结合的方式进行了开挖前边坡稳定性评价和开挖后边坡稳定性评价。2.3失稳坡体支护设计理念针对前述岩质边坡存在的2种主要稳定性问题,按照“保证整体稳定,控制局部变形,顾全潜在失稳区域”的支护设计理念,对不同区域采用不同的防治措施,同时考虑工程结构建设和隧道开挖对边坡稳定性与支护措施的影响。a.潜在失稳坡体宜采用“挂网喷砼+锚索或锚杆”的方式进行支护。b.浅表层局部碎裂岩体可采用“挂网喷砼+短锚杆”进行支护;同时,为防止暴雨作用下出现浅表层坍塌破坏,加设排水措施。3汉江大桥工程边坡的地质条件和稳定性分析3.1顺坡与阶梯状滑面澜沧江两岸边坡工程区海拔高度在1.3~1.5km之间,位于两岸由缓变陡的转折部。在该部位发育有延伸较长的顺坡节理和近垂直的陡倾节理。顺坡节理倾角40°~60°,节理间距平均1.5~2m;陡倾节理走向近东西方向,在两组节理的共同作用下,使岩体在顺坡向上形成一组阶梯状滑面。经过数理统计,右岸的优势结构面有3组:N83°E/NW∠49°,N88°E/NW∠83°和N57°E/SE∠54°。右岸拟开挖区位于一组较大型顺坡结构面的下方(N83°E/NW∠49°),其上部岩体临空面陡直,是在陡倾节理(N88°E/NW∠83°)的切割作用下发生大规模滑塌后形成的;顺坡向结构面中夹有角砾,钙质胶结程度好,在下盘面的钙膜上有擦痕,该组顺坡向结构面对开挖后工程边坡的稳定性影响是最大的。左岸边坡坡度较缓,整体性也较右岸边坡好。虽然经过数理统计,左岸发育有4组较为显著的节理结构面:N81°E/NW∠76°,N56°E/SE∠37°,N40°W/SW∠45°和N13°E/SE∠40°;但是,节理面的发育程度远不及右岸,且没有形成如右岸那种因为结构面的存在而发生岩体垮塌事故的迹象。左岸不存在岩体大规模失稳的情况,其主要的问题就是浅表层碎裂岩体的局部失稳问题。3.2工程边坡的稳定性研究3.2.1边坡抗剪强度计算方法澜沧江大桥右岸工程边坡受顺坡向结构面影响较大,需要重点考虑;而左岸岩体整体性较好,可以整体考虑。按照研究思路,采用快速拉格朗日差分法(FLAC3D)建立三维地质模型研究边坡的整体稳定性状况及变形特征。模型考虑了开挖区附近的结构面、断层及澜沧江大桥和两端的隧道等工程结构和坡体的强弱风化层。边坡工程区域模型如图4和图5所示。进行坡体开挖前,对数值模型进行了自重应力场的模拟计算,计算结果表明该模型应力场符合一般边坡应力场的分布规律。由于岩质边坡失稳之前其滑面具有不确定性,且滑面大都受结构面控制,不能利用直接搜索的方法确定最不稳定滑面。通过强度折减法折减边坡的抗剪强度参数值,结合数值计算模型中坡体的剪应力增量和塑性破坏区的范围可确定潜在滑移面,并得到安全系数。经过抗剪强度参数折减,右岸工程边坡在Fs=1.270时出现了计算结果不收敛。图6为边坡沿铁路线剖面的剪应变增量图,可以看出边坡的剪应变区(塑性区)是沿陡崖下部的外倾顺坡向结构面(N83°E/NW49°)发育的,岩体结构面已经基本贯通,而此时下部桥墩台开挖面处仍然保持了岩体基本稳定,没有出现大的破坏迹象。左岸边坡在Fs=2.140时出现了计算结果不收敛。从图7可以看出左岸斜坡的剪应变区位于桥墩台开挖面后部,破坏面沿下部强风化岩体已经基本贯通。由于铁路隧洞进口处边坡较缓,且岩体整体性好,开挖没有引起边坡大变形失稳。3.2.2稳定性系数计算结果利用数值模拟强度折减法得到的两岸边坡潜在滑移面进行刚体极限平衡计算。计算共考虑了开挖前和开挖后两种状态,并考虑天然(Ⅰ)、暴雨(Ⅱ)和地震(Ⅲ)3种工况对两岸边坡进行稳定性计算,结果见表1。左岸工程边坡的稳定性系数在各种计算工况下均在1.1以上,在天然工况开挖状态下稳定性表1工程边坡潜在滑移面稳定性系数计算结果系数达到1.299,在最不利工况下的稳定性系数也为1.102,表明左岸斜坡的整体稳定性较好,且有较高的安全储备。右岸在天然未开挖状态下其稳定性系数为1.185,经工程扰动之后的稳定系数为1.096;暴雨工况下,边坡欠稳定;在最不利工况下边坡会失稳。对比强度折减法和极限平衡法所得稳定性系数,由于受边坡复杂地形影响,特别是开挖坡体在整个模型中范围相对较小,导致强度折减法得到的系数偏大;但是该方法的优势是明确了边坡的潜在滑移面。4汉江大桥工程边坡防护处理措施研究4.1支护设计及支护方案通过抗剪强度系数折减计算,可以发现(如图6和图7所示),右岸不稳定块体主要位于隧道出口处上方,受外倾顺坡向结构面控制;左岸不稳定块体主要位于桥墩开挖区后部,而铁路隧洞进口处边坡较缓,且岩体整体性好,开挖没有引起边坡大变形失稳。为了控制两岸工程边坡开挖引起的变形破坏,根据边坡岩体结构特征及变形破坏模式,进行支护设计,选择相应的支护措施。设计采用ue07e15.2mm、公称抗拉强度1860MPa钢绞线。右岸设计采用8排每孔6束预应力锚索进行支护,每孔锚索设计锚固力为795.2kN;左岸设计采用4排每孔8束预应力锚索进行支护,每孔锚索设计锚固力为1084.1kN。对非大变形破坏区域发生的浅表层局部碎裂岩体采用短锚杆(系统锚杆)进行支护。4.2支护数值模拟分析及锚索选型为验证工程支护效果,特别是支护后工程结构建设过程中坡体的稳定性,采用FLAC3D计算模型对开挖后的边坡进行支护数值模拟分析,采用FLAC3D软件自带的cabal单元模拟预应力锚索。4.2.1边坡变形量和变形速率经过坡体开挖、锚杆支护等数值模拟计算后,边坡的位移分布特征如图8和图9所示。由于锚索在坡体上的整体作用,边坡变形量与开挖而未支护的工况相比有了明显好转。右岸总位移分布特征最大位移量仅为5mm,且位于隧道出口处不稳定块体的下部;左岸总位移量被控制在2mm以内。同样在Y方向(水平方向)向坡外的位移上,两岸边坡变形仅为3mm左右。通过设置在边坡模型坡面上的位移监测点得到的数据也可看出(参见图15,图16),2910时步至3570时步是锚索支护后边坡的收敛过程,边坡整体变形量和变形速率均明显降低,且变形速率逐渐趋近于零。这表明支护措施发挥作用后,从根本上约束了以岩体拉裂为标准开始的滑移压致拉裂变形现象,表明该支护方案在针对岩体变形问题上的设计是恰当的。4.2.2位移场及变形分析对边坡稳定性影响较大的工程建设主要为铁路桥架设和桥两端隧道的开挖。由于铁路桥采用悬臂法吊装,施工期短,故在数值计算时拱桥模型采用一次性加载的模式施加到岩体上。隧道开挖进尺依次设置为20、20、30、30、50、50、50m。如图10和图11所示,拱桥架设后总位移场基本继承了架设前边坡的位移场特征,且数值变化不大,两岸工程边坡的最大总位移量保持在2~4mm之间。由于拱桥把竖向荷载通过拱圈斜向坡内传递到岩土体内,即在两端支承处除有竖向荷载外,还对地质体有一个向坡内的水平分力作用,这对坡体的稳定是有积极作用的。这也使得拱桥承台处的Y方向位移有减小的趋势,Z向(垂直方向)正位移在竖向荷载作用下亦同样在收敛。可以看到,拱桥架设后两岸边坡并没有受到影响,坡体在锚索工作后一直具有较好的稳定性。从图12和图13可以看到,受隧道开挖影响最大的位置位于隧道上方靠近边坡表层的岩体内,总位移以洞口拱顶围岩处最大,呈现出由坡脚向坡后、由浅表向坡内逐渐减小的分布特征。隧洞开挖完成后,右岸坡表的总位移最大值位于5~6mm之间,与锚固后的最大位移相差仅2mm,左岸总位移差甚至小于2mm。4.3坡体开挖对总位移的影响图14和图15是预设在两岸工程开挖区附近的位移监测点分布图。图16和图17是监测点的总位移曲线,2910时步至3570时步是锚索支护后边坡的收敛过程,3571时步至4200时步是桥结构加载后坡体的计算过程,4200时步之后是隧道开挖的计算过程。从坡体开挖至隧道开挖完成整个过程中监测点的总位移曲线可以看出,坡体开挖后总位移急剧增大,虽然经过迭代计算之后位移速率有所减缓,但是两岸斜坡始终处于位移递增积累过程中,表征有塑性区增大,剪应变增量在开挖面附近突变。经过锚固工程支护之后,位移速率接近零,迭代至3570步时坡体完全迭代收敛。4200步之前为桥梁结构施工阶段,虽然总位移值有小额度浮动,但是并没有引起位移速率大幅度增大,同样在斜坡上没有造成大规模塑性变形。4200步以后开始进行隧道的开挖。由于13#、28#监测点位于隧道进出口顶部,受开挖影响较大,监测点总位移值出现较大的增幅,但是均控制在4mm以内;而其他监测点的数值则变化不大。开挖之后,坡体的锚固工程发挥了很大的作用,13#、28#点位移值迅速收敛。5地质结构