极软岩边坡稳定性分析

YUNNAN WATER POWER

61

极软岩边坡稳定性分析

宋加升，徐敬宾

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

摘　要：结合尼泊尔某水电工程引水隧洞TBM始发平台开挖边坡稳定性分析，初步探讨了极软岩定义、极软岩边坡特性、类型及其破坏方式，为极软岩边坡设计提供科学依据。经计算TBM始发平台在正常工况下安全系数为1.3，满足规范要求。为增强开挖边坡稳定性，设计采用挂网、喷锚、排水措施。关键词：极软岩；边坡；稳定性分析

中图分类号：TU432 文献标识码：B 文章编号：1006-3951(2017)03-0061-02DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2017.03.015

0 引言

边坡稳定性分析是边坡工程地质勘察工作的重要内容。按照物质组成，边坡分为土质边坡和岩质边坡2种[1]。

土质边坡稳定性分析方法[2]以土力学为基础，按滑动面的形状一般有圆弧形滑动分析和非圆弧形滑动分析（包括折线分析），或两者联合应用。也有用对数螺旋线代替圆弧，或用圆弧或曲率半径不同的曲线和直线所组成的滑动面来修改折线滑动面。根据土坡内工程地质条件，决定可能滑动面的大致形状，从而选用不同的土坡稳定分析方法。滑动面在粘性土中近于圆柱面，而在砂性土中近于平面。土质边坡稳定分析方法主要有条分法和有限单元法。目前被广泛使用和讨论的条分法有瑞典圆弧法、简化Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法、Spencer法和Fredlund-Krahn法等。

岩质边坡稳定性分析方法[3-4]是以岩体结构为基础，判断边坡变形破坏的形式，应用岩体力学的基本理论和方法，做出定量评价，为边坡工程设计提供科学依据。块状结构边坡由多组结构面组合，发生块状或楔形体破坏；层状结构边坡由单一的层面或断层组成，沿平面发生滑动破坏；碎裂结构边坡由多组密集发育的结构面组合，沿多组结构面发生追踪破坏；散体结构边坡一般指严重风化岩体，破坏形式近似为圆弧形。

对于极软岩边坡，由于极软岩具有强度低、易软化、泥化、易崩解等特性，同时又具有岩体

*

收稿日期：2016-08-16

结构特征，其工程地质特性介于土质边坡和岩质边坡之间，是一种过渡型边坡。干燥条件下该类边坡具有一定的自稳能力，但在雨季、大规模降雨时极易出现开裂和滑塌。这种过渡型边坡的稳定性比一般土质边坡和岩质边坡都要复杂。

尼泊尔某水电工程引水隧洞TBM始发平台开挖边坡为极软岩边坡，结合该边坡的稳定性分析，初步研究、探讨极软岩定义、极软岩边坡特性、类型及其破坏方式等。

1 极软岩边坡稳定性分析

1.1 极软岩定义

从20世纪60年代到90年代初，关于软岩的概念在国内外一直争论不休，产生的软岩定义多达几十种[5]。1980年中国举行的第1次软岩及软弱夹层学术讨论会和1981年在日本东京、1990年在英国诺丁汉举行的国际软岩学术会议，均给软岩以广泛的涵义。在沉积岩、岩浆岩和变质岩3大岩类中，只要具备力学强度低、遇水易软化、在外荷载作用下易于产生压缩变形的岩石均属软岩。软岩还包括部分断裂构造岩和风化岩石。根据分级标准[6]，岩石饱和单轴抗压强度小于30MPa的岩石称为软质岩，软质岩又细分为较软岩（抗压强度15～30MPa）、软岩（抗压强度5～15MPa）和极软岩（抗压强度小于等于5MPa）。

1.2 极软岩边坡类型[7]

根据母岩的成因及风化程度将极软岩边坡分为以下3种类型。

作者简介：宋加升(1979)，男，云南施甸人，高级工程师，注册土木工程师（岩土），主要从事水电水利工程地质勘察工作。

62云南水力发电2017 年第3 期

1）沉积岩类全强风化边坡。该类边坡主要由砂岩、泥岩、页岩等沉积岩的全强风化层组成，包括全强风化层及残积土。其构成介质主要是砂质粘土、粉质粘土或粘砂土，土体中保留或部分保留的结构面多为岩体中原有的层面、节理和软弱夹层。

2）沉积岩不同岩性相间的全强风化边坡。该类边坡主要由一些沉积岩如砂泥（页、板）岩相间的全强风化层组成，包括全强风化层及残积土。软硬岩风化界线比较明显，对边坡稳定性起控制作用的结构面主要是软硬岩间的接触面或因层间错动而产生的一些贯通的张开裂缝而形成的软弱结构面。

3）岩浆岩类、变质岩类全强风化边坡。该类边坡指岩浆岩、变质岩全强风化层和残积土边坡。边坡构成介质表面上呈粘性土、砂质粘性土、砾质粘性土、碎石土或碎石与土体的混合物构成，边坡中保留下来的原岩结构面一般较发育，包括原生结构面及浅表生结构面如卸荷裂隙、风化裂隙、软弱夹层等。

1.3 极软岩边坡特性及破坏方式

由于极软岩具有抗剪、抗压强度低、抗滑和承载能力差、变形模量小、易产生较大变形、遇水易软化、崩解、流变效应明显等特性，所以，极软岩边坡的变形不仅受“结构面”的控制，同时又表现出类似均质土边坡的破坏特点。对此进行了归纳总结[7]

，将滑动面分为:①上圆下直型、

②上直下圆型、③上下直线中间圆弧型、④两端

圆弧中间直线型4种。需要说明的是，此4种破坏型式都是针对顺向坡的（结构面产状对边坡稳定不利），对于斜向坡和反向坡，“结构面”不对边坡的破坏起控制作用，此种边坡的破坏型式类似于均质土边坡圆弧形滑动。1.4 极软岩边坡破坏特点

极软岩边坡破坏具有以下特点。

1）极软岩边坡干燥条件下具有一定的自稳能力，滑坡一般发生在雨季或大规模降雨期，而大规模滑坡一般多发生于暴雨期，说明雨水的渗透和地下水位的抬升是极软岩边坡破坏的主要诱导因素。

2）极软岩边坡滑动很多情况下沿其中隐藏的结构面发生。

2 尼泊尔某水电工程引水隧洞TBM始发平台开挖边坡稳定性分析

2.1 工程概况

尼泊尔某水电工程位于尼泊尔西部，电站为

引水式发电，引水隧洞长约12km，拟采用TBM施工。由于TBM体积庞大，需要开挖一个较大面积的TBM始发平台，开挖平台高程409m，开挖边坡最大坡高约50m。

2.2 边坡工程地质条件概述

TBM始发平台山坡自然坡度20°～35°，地表为坡、崩积层，组成物质为碎石质粉土夹块石、孤石等，块石、孤石成份为砂岩，块径一般0.5～1m，大者达2m左右，厚度一般3～4m。下伏地层为新近系中新统（N1）西瓦利克群下段（Lower Siwalik，LS）互层状砂泥岩，夹砾岩。岩层产状为N50°～60°W，NE∠50°～60°。西瓦利克下段砂岩、泥岩岩石强度低，呈全强风化状，为极软岩。始发平台区旱季地下水位埋深较大，坡面干燥。

2.3 边坡稳定性分析

TBM始发平台开挖边坡最大坡高约50m，根据岩层产状与坡向的组合关系，边坡为反向坡，在边坡工程地质勘察过程中未发现发育有倾向坡外的结构面，岩层结构有利于边坡稳定。但是，边坡岩体为极软岩，遇水易软化、泥化，易发生蠕动变形、局部崩塌、坍滑等破坏，开挖边坡稳定条件差。边坡破坏方式按圆弧型破坏考虑。边坡开挖后应及时进行喷锚支护，并做好坡面排水措施，避免边坡岩体受到雨水浸泡。由于边坡岩体强度低，建议放缓开挖，开挖坡比不陡于1:0.75，顶部坡残积层1:1～1:1.2。

运用国外岩体工程中广泛应用的Hoek-Brown经验强度准则估算岩体抗剪强度[8,9]，结果为：f ’=0.4～0.5，C’=90～140kPa。采用加拿大GEO-SLOPE公司的GeoStudio软件进行边坡稳定计算[10]，计算结果正常工况下安全系数为1.3，满足规范要求。为增强开挖边坡稳定性，设计采用挂网、喷锚、排水措施。

3 结语

1）极软岩边坡构成介质特殊，兼具土质边坡与岩质边坡特性，是一种过渡型边坡。干燥条件下该类边坡具有一定的自稳能力，但在雨季、大规模降雨时极易出现开裂和滑塌，稳定性较为复杂。

2）对极软岩边坡进行工程地质勘察时，应特别注意其中“隐藏结构面”的调查、分析、研究工作，判断边坡可能破坏方式，为边坡设计提供科学依据。 （下转第65页）

宋加升，徐敬宾 尼泊尔某引水隧洞工程TBM选型初探65

NE，倾角一般25°～60°。隧洞轴线与岩层产状大角度相交。根据前期勘察设计资料，工程区泥岩为软岩，砂岩、砾岩为中硬岩～硬岩。按隧洞地层岩性、地质构造等情况，初步分析判断隧洞围岩以Ⅲ、Ⅳ类为主，部分为Ⅱ、Ⅴ类。

3.3 TBM施工适宜性

TBM施工较钻爆法快速、高效、优质、安全、环保，根据有关资料，当隧洞长度大于6km或长径比大于600的深埋隧洞，采用TBM施工比较经济。该工程隧洞长12km，长度大于6km，长径比为2857，初步考虑选择TBM施工。

根据隧洞工程地质条件分析，初步判断隧洞围岩以Ⅲ、Ⅳ类为主，高地应力、岩爆及塑性变形大的围岩仅限于局部洞段，从工程地质条件分析，隧洞总体上适宜采用TBM施工。局部不适宜TBM施工洞段需采取相应工程措施进行有效处理。3.4 TBM选型

开敞式TBM适用于完整性和自稳性较好的围岩；单护盾TBM常用于软岩和具有较高地下水位的不稳定地层施工；双护盾TBM既可用于岩性较硬，又可用于岩性较软或软硬岩混合地层施工，适应性较为广泛。一般情况下，在整条隧洞的地质情况都比较差时，TBM无法通过径向支撑力提供所需推进力，只能依靠辅助推进油缸支撑于已经铺设好的管片获得推进反力，故使用单护盾TBM；当洞室围岩好差各占一定比例时，宜采用双护盾TBM。根据工程地质条件，该工程隧洞围岩以Ⅲ、Ⅳ类为主，岩性为砂岩、泥岩互层，夹砾岩，泥岩为软岩，砂岩、砾岩为中硬岩～硬岩，故从工程地质角度建议选择双护盾TBM进行施工。

岩爆及塑性变形大的围岩仅限于局部洞段，从工程地质条件分析，隧洞总体上适宜采用TBM施工。局部不适宜TBM施工洞段需采取相应工程措施进行有效处理。

2）根据隧洞工程地质条件及不同类型TBM适用范围分析，从工程地质角度建议选择双护盾TBM进行施工。

参考文献：

[1] 乔世珊，茅承觉，刘春，等. 全断面岩石掘进机[M]. 北京：石油工业出版社，2005.

[2] 王梦恕，李典璜，张镜剑，等. 岩石隧道掘进机(TBM)施工及工程实例[M]. 北京：中国铁道出版社，2004.

[3] 王思敬，杨志法，傅冰骏. 中国岩石力学与工程—世纪成就[M]. 南京：河海大学出版社，2004.

[4] 钱七虎，李朝甫，傅德明. 全断面掘进机在中国地下工程中的应用现状及前景展望[J]. 建筑机械，2001(5)：28—35.

[5] 张镜剑，傅冰骏. 隧洞掘进机在我国应用的进展[J]. 岩石力学与工程学报，2007，26(2)：226—238.

[6] 张镜剑. TBM的应用及其有关问题和展望[J]. 岩石力学与工程学报，1999，18(3)：363—367.

[7] 傅冰骏. 建立隧道掘进机产业，促进我国地下空间开发[J]. 探矿工程，2001(2)：1—2.

[8] 薛继洪. TBM掘进技术的发展与展望[J]. 现代隧道技术，2004(S)：25—29.

[9] 刘志刚，赵勇. 隧道隧洞施工地质技术[M]. 北京：中国铁道出版社，2002.

[10] 茅承觉. 全断面岩石掘进机(TBM)选型探讨[J]. 建设机械技术与管理，2006，19(8)：57—62.

[11] SL 629—2014引调水线路工程地质勘察规范[S]. 北京：中国水利水电出版社，2014.

[12] 尹俊涛，尚彦军，傅冰骏，等. TBM掘进技术发展及有关工程地质问题分析和对策[J]. 工程地质学报，2005，13（3）：389—397.[13] 余洁. 中天山隧道TBM掘进施工适应性研究[J]. 现代隧道技术，2014，51(3)：57—66.

[14] 张军伟，梅志荣，高菊茹. 大伙房输水工程特长隧洞TBM选型及施工关键技术研究[J]. 现代隧道技术，2010，47(5)：1—10.[15] 柴国平. 单护盾TBM在不良地质隧洞施工中的问题及解决措施[J]. 甘肃水利水电技术，2014，50(11)：46—49.

[16] 高燕芳. TBM掘进技术在软岩隧洞中的应用[J]. 水利与建筑工程学报，2011，9(6)：126—128.

4 结语

1）根据尼泊尔某隧洞工程地质条件分析，初步判断该隧洞围岩以Ⅲ、Ⅳ类为主，高地应力、

(上接第62页)

参考文献：

[1] DL/T 5337—2006水电水利工程边坡工程地质勘察技术规程[S]. 北京：中国计划出版社，2006.

[2] 陈祖煜. 土质边坡稳定分析—原理·方法·程序[M]. 北京：中国水利水电出版社，2003.

[3] 陈祖煜，汪小刚，杨健，等. 岩质边坡稳定分析—原理·方法·程序[M]. 北京：中国水利水电出版社，2005.

[4] E. Hoek，J.W. Bray. 岩石边坡工程[M].卢世宗，李成村，雷化南,等.译. 北京：冶金工业出版社，1983.

[5] 何满潮，景海河，孙晓明. 软岩工程力学[M]. 北京：科学出版社，2002.

[6] GB/T 50218—2014工程岩体分级标准[S]. 北京：中国计划出版社，2014.

[7] 唐亮. 类土质边坡稳定性分析与工程应用[D]. 华南理工大学学位论文，2010.

[8] 宋加升. 国际水电工程岩体抗剪强度参数估算方法[J]. 云南水力发电，2015,31(5)：32—34.

[9] 宋加升，何志攀. 欧美水电工程地质勘察技术标准简介[J]. 云南水力发电，2015,31(5)：128—131.

[10] YI Yihong. THE TBM PLATFORM DESIGN DESCRIPTION[R]. KUNMING ENGINEERING CORPORATION LIMITED, POWER CHINA，2016.