某隧道-多滑面滑坡斜交體系穩定性及綜合處治技術研究*

陳云生,米德才,李洋溢,吳龍科

(1.廣西交通設計集團有限公司,廣西 南寧 530029;2.廣西巖土災害防治技術研究中心,廣西 南寧 530029)

0 引言

我國山區因修建隧道而引發滑坡的事故屢見不鮮,給國民經濟帶來了巨大損失,因此,隧道-滑坡體系的變形及加固處治受到眾多專家學者的關注。隧道-滑坡體系根據隧道走向與滑坡主滑方向的位置關系可分為平行、正交、斜交三種類型,隧道與滑坡的相互作用影響、力學分布特征、穩定性及變形規律是目前的研究熱點之一,國內學者多借助地質調查、理論研究、數值分析、模型試驗及監測分析等手段進行研究[1-4]。

針對隧道-滑坡斜交體系的處治,國內已有少量研究。張可能等[5]依托某隧道進口段滑坡應急搶險處治工程,借助數值模擬及監測,研究了采取錨索抗滑樁、錨桿框架梁等措施綜合治理洞口滑坡的效果。馮冀蒙等[6]通過查閱文獻,統計了隧道開挖誘發滑坡失穩的機理,得出了隧道-滑坡間相互作用的理論力學模型,總結了隧道-滑坡體系中滑坡及隧道加固措施。王亞瓊等[7]對平阿高速青沙山隧道洞口滑坡進行了分區穩定性評價,提出了錨拉式抗滑樁及加強洞內支護等綜合處治的加固辦法,并對其進行了長期監測驗證。崔永杰等[8]研究了秦嶺某隧道出口滑坡的成因,采取了卸載、抗滑樁、錨索、綜合排水等措施進行處治。邢軍等[9]以某高等級公路隧道為研究對象,分析了隧道-滑坡體系變形機理,總結了地表注漿、錨索抗滑樁、管棚與小導管注漿的控制技術。劉海等[10]以川汶路改建工程某隧道為研究對象,分析了該隧道滑坡的基本特征,提出了超前小導管、短臺階法、及時封閉等洞內加固處治方案。劉運澤等[11]利用數值分析軟件對抗滑樁、錨桿-錨索框架梁、坡腳回填反壓等加固治理方案進行了優化設計,形成了一套洞口滑坡堆積體綜合處治方案。張治國等[12]分別從滑坡處治和隧道結構加固兩方面研究了隧道-滑坡相互作用影響的控制防護技術。

以上文獻多為單滑面體系,關于復雜多滑面體系的研究甚少。本文以某高速公路隧道為案例,研究了該隧道出洞口復雜多滑面滑坡的類型及成因,在此基礎上采用傳遞系數法進行穩定性分析,并提出了應急工程及永久工程相結合的綜合處治方案。

1 工程概況

如圖1所示,該隧道為小凈距越嶺隧道,左洞出口端掘進至ZK142+140、右洞掘進至K142+100時,左洞掌子面出現拱頂小型塌方,塌方量約為200m3,掌子面頂部形成6m高塌腔,隨后對塌腔區域灌注C20 混凝土及小導管注漿加固,提高初支強度,開挖方式改為環形預留核心土三臺階法。當該隧道左洞掘進至ZK142+100、右洞掘進至K142+070、左洞仰拱支護至ZK142+123、右洞仰拱支護至K142+105、左洞二襯支護至ZK142+168、右洞二襯支護至K142+144時,左洞ZK142+120—ZK142+140段、右洞K142+100—K142+120段拱頂及拱腰位置初支出現開裂、剝皮、掉塊等現象,同時,隧道出口段斜坡山體形成滑坡,地表出現大量拉張、剪切裂縫,裂縫逐步擴展并具有貫通趨勢,危及隧道安全。

圖1 隧道出口端滑坡平面Fig.1 Plan of landslide at the exit of the tunnel

2 滑坡特征

2.1 地質特征

隧道區屬低山地貌,地震基本烈度為Ⅵ度,地形起伏大,溝谷發育,沖溝多為V形,沖溝坡度較陡,地表分布2～10m厚粉質黏土,下伏基巖為強～中風化砂巖,強風化層厚5～30m,砂巖層間含頁巖軟弱夾層,基巖內部存在條帶狀外傾節理裂隙破碎帶,破碎帶風化泥發育。隧道區巖層產狀為 216°∠46°, 自然坡屬逆向坡,發育2組優勢結構面,分別為J1∶315°∠25°(4～5條/m)和J2∶118°∠83°(5～6條/m), 2組結構面粗糙,泥質充填,結合度差。

2.2 變形特征

2.2.1地表變形

隧道洞頂斜坡共發育11條裂縫,如圖1所示,裂縫組合呈弧形,裂縫性質及規模如表1所示。

表1 滑坡地表主要裂縫特征Table 1 Characteristics of main cracks on the surface of landslides

2.2.2地下變形

隧道在施工過程中設置了地表及地下位移監測點,選取主滑面1—1′進行分析,該斷面在ZK2,ZK3鉆孔處(見圖1)設置了深層位移監測,測斜孔深分別為50,60m,采用北斗智能化監測系統進行實時監測。依據測斜成果(見圖2)可知,ZK2鉆孔在地表以下15,37m處存在明顯位移突變,結合鉆孔及物探成果可確定該孔存在2個滑面,對應滑面位置為強～中風化交界面及中風化裂隙破碎帶。ZK3鉆孔在地表以下14,20,42m存在明顯位移突變,對應存在3個滑面,滑面位置與鉆孔所揭露的強風化破碎帶、強～中風化交界面及中風化破碎帶位置一致(見圖3)。

圖2 深部位移監測結果Fig.2 Results of deep displacement monitoring

圖3 1—1′工程地質剖面Fig.3 Engineering geological profile of 1—1′section

2.3 滑坡性質及其規模

滑坡平面呈弧形,結合鉆探、監測、物探及裂縫分布位置,可確定本滑坡共3個滑面,滑面具體形狀及位置如圖3所示。第1滑面位于強風化層內部,沿強風化層的節理裂隙破碎帶產生滑動,滑體主要由強風化層組成;第2滑面位于強風化與中風化交界面,為隧道掘進至ZK142+140產生塌方的主滑面,滑體主要由強風化層組成;第3滑面位于中風化層內部,沿節理裂隙破碎帶滑動,變形較小,屬最深層滑面,滑體由強～中風化巖體組成?；麦w平均厚度約為40m,體積約為112.5×104m3,依據 JTG/T 3334—2018《公路滑坡防治設計規范》,屬巨型深層多滑面滑坡?；轮骰较蚺c隧道軸線呈34°相交,屬隧道-滑坡斜交體系。

3 滑坡成因

1)斜坡巖土體特征 該斜坡強風化層及中風化層內部含條帶狀節理裂隙破碎帶,破碎帶及強～中風化接觸帶有利于地下水的匯集,且風化程度相對較高,風化泥含量大,遇水易軟化,破碎帶及風化界線順斜坡方向發育,不利于斜坡穩定,是滑坡產生的內部因素。

2)人工因素 坡腳為隧道施工臨時場地,場地建設開挖了斜坡的部分坡腳,改變了斜坡天然應力狀態,降低了抗滑力;隧道左洞掘進至強～中風化交界帶時產生拱頂塌方,塌方形成的塌腔促使第2滑動面產生蠕動變形;隧道爆破震動使巖體松散破碎,加大裂隙張開度,對滑動面的貫通起到加速作用。

3)降雨因素 強風化層屬中～強透水層,中風化層屬弱～中透水層,破碎帶風化泥屬弱透水層,降雨沿節理裂隙滲入,易在強～中風化界面及破碎帶匯集,軟化崩解巖土,降低滑面力學參數,同時使后緣巖土體自重增加,加大下滑力,不利于斜坡穩定,是滑坡產生的催化劑。

4 穩定性分析

依據《公路滑坡防治設計規范》,本工程無需考慮地震工況下的穩定性,故僅計算天然及暴雨工況下的穩定性,計算如式(1)～(3)所示：

(1)

ψi=cos(θi-θi+1)-sin(θi-θi+1)tanφi+1

(2)

Ri=Nitanφi+cili

(3)

式中：Ks為穩定系數;ψi為第i計算條塊剩余下滑推力向第i+1計算條塊的傳遞系數;Ri為第i計算條塊滑動面上的抗滑力(kN/m);Ti為第i計算條塊滑體在滑動面上的滑動分力(kN/m);Ni為第i計算條塊滑體在滑動面法線上的反力(kN/m);θi為第i計算條塊滑體的滑面與水平線夾角(°);φi為第i計算條塊滑動面上巖土體內摩擦角標準值(°);ci為第i計算條塊滑動面上巖土體黏聚力標準值(kPa);li為第i計算條塊滑動面長度(m)。

4.1 力學參數

綜合工程地質類比、室內試驗及反算成果,滑坡計算所采用的參數如表2所示。

表2 巖土體物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of rock and soil mass

4.2 計算結果

選取典型剖面1—1′進行計算,計算結果如表3所示。

由表3可知,在天然狀態下,第2滑面穩定性偏低,安全儲備不足。在暴雨工況下,第1,3滑面穩定性偏低,第2滑面穩定性系數<1.00,處于失穩狀態。第2滑面穩定性系數最低,該滑面位于強～中風化交界面,為主滑面,與實際隧道首次變形(拱頂塌方)位置相吻合。由監測結果可知,第1,3滑面處于蠕動滑動階段,第2滑面的失穩會進一步牽引坡體內部節理裂隙帶的貫通,導致第1,3滑面失穩,需進行處治。

5 綜合處治

為徹底消除滑坡對隧道的安全隱患,對于大型復雜滑坡,采取分區、分期治理,在監測的基礎上先采取有利于滑坡穩定的應急工程,應急工程與永久工程、洞內與洞外處治相結合,達到根治的目的,在保證滑坡整體穩定的基礎上再進行隧道加固。典型處治斷面如圖4所示。

圖4 滑坡綜合處治示意Fig.4 The comprehensive landslide treatment

5.1 應急工程

5.1.1滑坡應急處治

1)對目前已出現的地表裂縫采用黏土填充夯實,表面澆筑水泥砂漿進行封堵。在裂縫附近山脊位置設置30cm厚C20混凝土截水溝,地表負地形設置坡面排水溝,減少地表水對隧道的影響。

2)在隧道右側坡腳進行分級填土反壓,反壓前對坡腳軟土進行換填片碎石處治,原斜坡設置反向臺階以確保反壓體穩定。反壓體最大高度為46m,每級坡高8m,級間設置C15混凝土平臺,平臺設置3%排水縱坡。反壓體采用級配好的粗粒土,分層填筑,分層碾壓,壓實度≥90%,在臨山側設置縱橫向滲溝,坡面采用骨架植草防護綠化。

3)對隧道左洞ZK142+140處塌方引起的擾動區域采用地表鋼管群樁注漿加固,起到充填洞隙及抗滑雙層作用。鋼管設置 3排,間距2m,梅花形布置,單孔孔徑220mm,孔內放置永久性鋼管,管底標高低于隧道底板5m。注漿材料為P·O 42.5水泥凈漿液,水灰比(0.6～0.8)∶1,采取自下而上分段注漿方式,樁頂設置鋼筋混凝土系梁。

5.1.2隧道應急處治

隧道左洞ZK142+120—ZK142+140段、右洞K142+100—K142+120段初支開裂、剝皮、掉塊嚴重,且監控量測數據持續預警,為保證施工安全,采取隧道洞內緊急搶險措施如下。

1)停止隧道掌子面掘進,掛φ8鋼筋網并噴射10cm厚C25混凝土封閉掌子面。

2)隧道左洞ZK142+110—ZK142+150段、右洞K142+090—K142+130段回填洞渣反壓,并在左洞ZK142+100—ZK142+140段、右洞K142+070—K142+120 段上臺階及回填洞渣表面澆筑50cm厚C25素混凝土臨時仰拱封閉成環。

5.2 永久加固

1)在880.000m高程位置,左、右洞間及右洞右側設置1排抗滑樁,樁徑2.2m,間距4.0m,長24～30m,樁頂設置鋼筋混凝土系梁。

2)左洞ZK142+120—ZK142+140段、右洞 K142+100—K142+120 段增加護拱,護拱采用I18,間距80cm,護拱鋼架接頭處設置I14加強縱向連接,于護拱兩側拱腰、拱腳處均設置φ42鋼管鎖腳。

3)左洞ZK142+120—ZK142+144段、右洞K142+100—K142+124段二次襯砌混凝土強度等級由C35改為C40加強。

5.3 處治效果

該隧道經處治后至今,地表及洞內未見新增裂縫。由圖5,6可知,2021年8月22日處治前,第1～3滑面位移曲線呈陡升狀,說明滑面持續變形,最大變形位于ZK2鉆孔的第2滑面,最大值達170mm。8月22日至9月11日,隨著坡腳及洞內反壓、鋼管群樁等應急加固措施的完成,變形曲線趨于收斂,日均變形量<0.5mm。9月11日后,隨著抗滑樁、護拱及二次襯砌的施作完成,變形曲線呈近水平直線狀,第1～3滑面日均變形量分別為0.01,0.06,0.01mm/d,說明隧道-滑坡斜交體系經處治后處于穩定狀態,加固方案行之有效。

圖5 ZK2鉆孔滑面位移監測曲線Fig.5 Monitoring curves of sliding surface displacement of ZK2 borehole

圖6 ZK3鉆孔滑面位移監測曲線Fig.6 Monitoring curves of sliding surface displacement of ZK3 borehole

6 結語

1)本隧道-滑坡斜交體系存在3個滑面,屬巨型深層多滑面滑坡。加固前,天然狀態下第2滑面、暴雨工況下第1,3滑面穩定性儲備不足,暴雨工況下第2滑面處于失穩狀態,強風化與中風化交界面是本隧道產生塌方及變形的主滑面。

2)針對隧道-滑坡斜交體系的處治,應在確?；抡w穩定的基礎上進行隧道加固,并進行分區、分期治理,在監測的基礎上先采取應急工程,應急工程與永久處治相結合,達到根治的目的。

3)對于復雜滑坡,應采取多種手段相結合的綜合防治措施。本隧道-滑坡斜交體系經坡腳反壓、鋼管群樁、抗滑樁及洞內反壓、護拱、加強襯砌支護參數等綜合措施處治后,地表及洞內未見新增變形,坡體及結構均處于安全狀態。