某高速铁路不良地质体稳定性研究

任 申

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

随着我国高速铁路的快速发展，基础建设的工程条件越来越复杂。为保证铁路工程设计、施工和运营安全，更深入了解岩土材料的力学特征很有必要，桥小娥利用Geo-Slope软件中的SLOPE/W模块，采用拟静力法计算得出滑坡在天然和地震状态下的最危险滑动面，为拟建工程的设计及施工安全性提供可靠依据[1]；王小波等利用极限平衡法模拟分析山区某场地在自然和暴雨工况下的稳定性[2]。以下在综合考虑区域水文地质及地震等因素的前提下，利用数值模拟软件分析了滑坡体的稳定性及对既有铁路、公路和拟建铁路的影响，并提出了相应的防治措施和建议。

1 概述

研究区地貌类型为构造侵蚀的低山丘陵，地势北西高，南东低。前缘发育两级阶地，二级阶地界面较平整，平均高程约274 m。拟建高速铁路DK185+000～DK189+500段位于既有铁路北西侧，隧道和桥梁等重点工程位于该滑坡段(见图1)，斜坡一旦出现失稳或产生较大变形，会对拟建高速铁路的隧道、桥墩等的安全产生严重威胁。

图1 不良地质体位置示意

2 自然地理及工程地质条件

2.1 气象条件

研究区属于热带草原气候，雨季、旱季交替明显。雨季降雨频繁且降雨范围广，据统计，2009～2016年，年平均降雨量约1 625 mm，降雨多集中在5～10月，该时间段降雨量为1 408 mm，占全年总降雨量的86.7%，且年际间变化较大。

2.2 地层岩性

区域地质资料及现场钻探表明，该区上覆第四系人工填土、冲积、坡积、洪积、崩积的土、砂层及碎石类土，下伏侏罗系砂岩、泥岩、砾岩[3-5]。综合钻探、物探以及现场调查成果，斜坡段的物质组成主要有：侏罗系下统基岩，第四系崩坡积物、洪积物、冲积物、崩积物、滑坡堆积物以及人工堆积物。

2.3 水文地质条件

受研究区地形地貌、地层岩性及构造的控制，区内水文地质条件相对简单，根据地下水的赋存条件，区内地下水类型有松散堆积层孔隙水和基岩裂隙水。

(1)松散堆积层孔隙水

松散堆积层孔隙型潜水主要赋存于第四系地层中，补给来源主要为大气降水，通过第四系松散堆积体中的孔隙径流，且地下水具有随季节性变化的特征。孔隙型潜水主要分布在斜坡中下部地势低洼及地势较平缓地带。第四系地层透水性强，流动性大，储水能力弱，富水性弱。

(2)基岩裂隙水

基岩裂隙水主要赋存于侏罗系砂岩风化带和裂隙中。砂岩底部薄-中层状泥岩为相对隔水层，地下水主要赋存于上部砂岩中，靠大气降水补给，沿基岩中结构面径流，向低高程部位排泄。

3 物探解译

现场工程地质调查表明，研究段斜坡浅表层主要为坡积、少量崩塌堆积的块碎石土。为查明其物质组成、结构、发育深度，对典型斜坡段开展钻探、物探(高密度电法勘探)等勘察工作(见图2)[6-8]。

图2 典型斜坡物探及钻探工程平面

根据物探解译成果，整个斜坡表面第四系堆积物较发育。在重点勘探部位DK188+100～DK188+850段，坡体前缘视电阻率均较低(<40 Ω)，推测为表部松散堆积物；米轨铁路下方视电阻率较高(>200 Ω)，推测为前期修筑铁路时人工堆积的块碎石土；斜坡中上部，浅表部视电阻率多大于400 Ω，推测为松散堆积物，总体厚度20～40 m。受地形影响，堆积厚度存在差异，其中，Ⅰ-Ⅰ′剖面在距起点550 m位置位于山脊部位，堆积物厚度最小；而在其两侧电阻率明显偏高，堆积物厚度变大。另外，局部堆积体下方也存在低阻封闭异常，推测为砂岩富水；松散堆积物下覆岩体视电阻率存在明显的电性差异且多小于40 Ω，推测为强风化砂泥岩。

尽管上下游两侧有小的冲沟发育，但沟谷两侧未见明显的岩性差异，也未见有一定规模坡体滑动后形成的圈椅状滑坡地貌特征。斜坡区浅表层视电阻率云图呈剧烈起伏状、凹凸不平，未反映出完整连续、贯穿性的、统一的平滑地质界面(见图3)。

图3 HP-ZD-10～HP-ZD-09段视电阻率等值线

4 斜坡体稳定性评价

4.1 计算模型与工况

(1)计算模型

以勘探相对集中的DK188+100～DK188+850斜坡部位的勘探剖面为依据，计算主要考虑浅表部第四系堆积物的整体稳定性，同时考虑可能存在的剪出口部位。Ⅰ-Ⅰ′、Ⅱ-Ⅱ′以及Ⅲ-Ⅲ′地质剖面，建立计算概化模型如图4～图6所示。

图4 斜坡Ⅰ-Ⅰ′剖面概化模型

图5 斜坡Ⅱ-Ⅱ′剖面概化模型

图6 斜坡Ⅲ-Ⅲ′剖面概化模型

(2)计算的工况

根据斜坡的特征及其可能出现的各种荷载情况及组合，计算中，主要考虑降雨、地震的影响，依据地震安评报告，动峰值加速度为0.05g(地震基本烈度为Ⅵ度)，具体计算的工况组合及最小安全系数如下。

工况1：自重，最小安全系数1.25；

工况2：自重+暴雨，最小安全系数1.10；

工况3：自重+地震，最小安全系数1.10。

4.2 稳定性计算参数的选取

现场钻探工程揭露，斜坡段浅表部物质组成主要为第四系坡积、崩积物，下覆基岩全风化、强风化、弱风化砂、泥岩。通过现场钻探取样并进行室内岩土体物理力学性质试验，获取计算所需的参数，同时类比相关工程岩土体的参数取值[9-11]，剔除异常值，综合分析选取了稳定性计算所需参数，见表1。

表1 DK188+100～DK188+850段稳定性计算参数

4.3 计算结果及分析

将各剖面建立的稳定性计算概化模型导入到SLOPE/W模块中，并将上述确定的稳定性计算参数赋予到计算模型中的各项材料，各剖面中潜在剪出口在各工况下的稳定性计算结果如下。

(1)Ⅰ-Ⅰ′剖面

根据Ⅰ-Ⅰ′剖面可能的剪出口位置，相关稳定性计算模型见图7～图9，计算的稳定性系数见表2。

图7 Ⅰ-Ⅰ′剖面潜在剪出口1计算模型

图8 Ⅰ-Ⅰ′剖面潜在剪出口2计算模型

图9 Ⅰ-Ⅰ′剖面潜在剪出口3计算模型

表2 Ⅰ-Ⅰ′剖面稳定性计算结果

稳定性计算结果见表2，基于Ⅰ-Ⅰ′剖面各潜在剪出口，天然及暴雨工况下斜坡均处于稳定状态，地震工况下处于欠稳定状态。即该剖面可能的不同剪出口部位的坡体在“天然+地震”工况下，稳定性系数未达到规范要求(安全系数≥1.10)。

(2)Ⅱ-Ⅱ′剖面

根据Ⅱ-Ⅱ′剖面斜坡可能的剪出口位置，稳定性计算模型见图10、图11，稳定性系数计算见表3。

图10 Ⅱ-Ⅱ′剖面潜在剪出口1计算模型

图11 Ⅱ-Ⅱ′剖面潜在剪出口2计算模型

表3 Ⅱ-Ⅱ′剖面稳定性计算结果

由表3可知，基于Ⅱ-Ⅱ′剖面各潜在剪出口在斜坡天然工况及暴雨工况均处于稳定状态；地震工况处于基本稳定状态。即各潜在可能剪出口在地震工况下的稳定性系数未达到规范要求的安全系数控制标准。

(3)Ⅲ-Ⅲ′剖面

根据斜坡Ⅲ-Ⅲ′剖面可能的剪出位置，相关稳定性计算模型见图12～图14，计算的稳定性系数见表4。

图12 Ⅲ-Ⅲ′剖面潜在剪出口1计算模型

图13 Ⅲ-Ⅲ′剖面潜在剪出口2计算模型

图14 Ⅲ-Ⅲ′剖面潜在剪出口3计算模型

由表4可知，基于Ⅲ-Ⅲ′剖面各潜在剪出口在天然工况总体处于稳定状态，暴雨工况总体处于基本稳定状态，地震工况以不稳定状态为主。总体而言，在上述3种工况下，该剖面对可能潜在的剪出口的稳定性系数均不能满足规范要求。

表4 Ⅲ-Ⅲ′剖面稳定性计算结果

剖面计算结果表明，天然条件下斜坡稳定性较好，天然及暴雨工况下部分剖面的稳定性不能满足规范规定的安全系数控制标准，而在地震工况下的稳定性均未达到规范要求[12]。此外，鉴于区域地形地貌限制，并综合考虑投入成本及后期运营，为保障拟建铁路及既有米轨铁路的安全，建议拟建线路尽量靠近山体，使隧道位于弱风化岩体中。

4.4 稳定性评价

现场调查表明，研究段斜坡不良地质体总体不发育，仅斜坡前缘受早期修建铁路人工开挖的影响，在米轨铁路两侧发育小规模的危岩带及局部滑塌。依据GB50330—2013《建筑边坡工程技术规范》，对斜坡体各段落稳定性评价如下[13]。

DK188附近边坡部位发育有小规模危岩体，在暴雨等作用下，有可能产生小规模滑移式的崩塌，对铁路正常运营威胁不大。

DK187+150附近发育有H1小规模滑坡，在强降雨作用下，滑坡后缘的堆积物可能再次滑动，对前缘米轨铁路的正常运行造成威胁。

DK187+000～DK187+500段斜坡前缘左侧冲沟部位发育有H2滑坡，滑动方向与铁路走向近于平行。现场调查表明，滑坡未见有明显变形迹象，现状稳定性好[14]。

DK188+100～DK188+850段发育有H3、H4滑塌，尽管现场未见滑坡有明显的变形迹象，但在降雨作用下坡体存在发生浅表层塌滑的可能，对前缘的铁路安全运行影响不大。

5 防治措施及建议

5.1 防治措施

研究段斜坡整体处于稳定状态，不良地质体总体不发育，仅斜坡前缘受早期修建铁路人工开挖的影响，在米轨铁路两侧发育有小规模的危岩及局部滑塌。针对这些变形破坏特征，提出如下防治措施。

(1)对DK188附近发育的小规模危岩体，采用局部清危，然后进行坡面挂网、护坡或下部设拦石墙[15]。

(2)DK187+150附近的H1塌滑体对米轨铁路的正常运营存在一定威胁，建议对其支挡、护坡措施进行加强。

(3)DK188+100～DK188+850段附近的H3、H4滑塌体对前缘的米轨铁路安全运营的总体影响不大，可增加适当的护坡工程。

5.2 设计建议

Ⅰ-Ⅰ′剖面部位隧道总体位于弱风化岩体中，但其顶板弱风化岩体厚度小于20 m，外侧强全风化砂、泥岩完整性差、岩体破碎；Ⅱ-Ⅱ′剖面部位，拟规划的高速铁路大部分位于第四系堆积物中，隧道底部位于强-全风化的岩体中，隧道埋深约18 m，成洞条件差，对斜坡的稳定性影响较大。Ⅲ-Ⅲ′剖面部位，隧道已出山体，主要以开挖路基的形式通过，路基的开挖将直接影响斜坡稳定性。根据分析，在极端条件下斜坡物质可能会产生局部或整体性失稳破坏，对隧道、桥梁以及行车安全将产生巨大影响[16]。总体而言，重点研究段斜坡岩体的成洞条件差、各部位坡体在地震条件下的稳定性系数不能满足规范要求，部分剖面在天然以及暴雨条件下亦不能满足规范要求。因此，综合考虑斜坡坡体结构、成洞条件以及堆积体的稳定性，建议研究斜坡段拟建线路尽量靠近山体，使整个线路位于弱风化岩体中。

6 结论

(1)斜坡坡面主要为第四系堆积物，以及崩塌堆积形成的厚度不等的崩坡积层。

(2)DK186+800～DK187+500段斜坡防治工程等级为Ⅱ级，可认为研究区斜坡段整体处于稳定状态。

(3)剖面计算结果表明，评估斜坡在天然条件下，其稳定性较好，但在地震或暴雨工况下的稳定性不满足，规范规定的安全系数控制标准，为保障拟建高铁及已有米轨铁路的安全运营，需采取相应处置措施，并将拟建高铁线路尽量靠近山体，使隧道位于弱风化岩体中。