兰州市北环路安宁隧道滑坡成因浅析

裴国钧

（兰州市城市建设设计院，甘肃兰州 730030）

1 研究背景

兰州市北环路安宁隧道滑坡位于兰州市安宁区徐家湾洄水湾沟北部山坡上。北环路工程建设是兰州市政府确定的重点工程建设项目。安宁隧道为双向隧道，单侧隧道为3车道，隧道宽16.5 m，高9 m，两个隧道相距50 m，隧道进口均为滑坡西侧的大关山沟。由于隧道临近金城关断裂处，受此断裂影响，岩体破碎，次级构造发育，开挖时左、右隧道均发生大范围坍塌。其中，左线（北侧）隧道在ZK0+270处发生坍塌（距隧道进口118 m），坍塌石方量达1 000 m3，右线（南侧）隧道在YK0+418处发生坍塌（距隧道进口246 m），坍塌石方量达200 m3。引发山体变形的工程活动主要为南侧隧道，大跨度隧道的开挖改变了周围原有岩体的应力分布条件，加之开挖时爆破作业的影响，使表层本已破碎的岩土体开裂下错，形成滑坡，目前还未形成统一的滑面，坡体未出现整体下滑。

2 地质灾害概况及危害情况调查

安宁隧道滑坡位于安宁隧道进口东100 m的斜坡之上，地理坐标：东经 103°46′09″，北纬36°05′27″。斜坡上缓下陡，上部坡度 30°～45°,中下部坡度达45°～60°。坡体发育3条小型冲沟。滑坡位于坡体中上部，属坡积土～基岩滑坡。滑坡体纵向长136 m,横向宽30～134 m，主滑方向181°左右，滑体上部由粉土和碎石土组成，下部为破碎的前寒武系皋兰群（PtG1）片岩、石英片岩、黑云母片麻岩，片理产状275°∠65°,片理、节理极为发育，将岩体切割为碎块状，据调查，滑坡体表面发育7条规模不等的裂缝，裂缝呈弧型展布于滑坡体之上，未见地下水出露。

滑坡处于蠕动变形阶段，在强降雨、地震或人类工程活动的作用下，极易发生滑坡灾害，严重威胁沟底居民及企业的生命和财产安全，也导致隧道无法施工。

3 自然条件、地质、环境分析

3.1 自然条件

安宁隧道滑坡位于兰州市安宁区徐家湾洄水湾沟北部山坡，洄水湾沟道出口与洄水湾路相接，且有盘山简易道路可至滑坡顶部，交通较为便利。属侵蚀～构造低中山地貌，山坡坡脚高程1 550 m，坡顶高程1 721 m，高差171 m，坡向近南北向（北高南底），坡面地形起伏较大。由于勘查区位于近南北方向延伸的山梁的前缘地段，因此整体上看，中部隆起、两侧较低，但是由于山势陡峭，加之受构造影响（金城关断裂东西向通过坡脚前缘），节理裂隙非常发育，风化强烈，岩体呈碎块状，坡面小型崩塌和滑坍发育，在长期降水的作用下，形成多条小型冲沟。坡体西南角坡脚地带人工开挖（道路及建房扩展土地）形成高5～8 m，长约45 m的边坡，坡度大于65°。坡面上部和下部植被覆盖率超过60%（人工林，以松树为主），中部植被不发育，水土流失严重。坡顶经过整平，开发为休闲场所，坡脚为洄水湾沟，沟口地带为居民住房和企业用地，沟道宽 3～5m，主沟道坡度 20°～25°。

3.2 气象水文地质条件

安宁隧道滑坡区深居内陆，远离海洋，大陆性季风气候明显，气候干燥、降水量少是其基本特征。年降水量在400 mm左右，集中在5～9月。兰州市区多年平均降水量为311.7 mm，年蒸发量为1 446.4 mm，相当于年降水量的4.6倍。

安宁隧道滑坡区地下水类型主要为基岩裂隙水，主要分布于岩体风化裂隙、构造裂隙和断裂破碎带中。由于裂隙发育的程度、规模不一，因而地下水的分布埋藏变化悬殊。断裂破碎带连通性好，富水性强，而其余地段岩层导水性、富水性均较差。单泉流量一般小于0.1 L/s，地下水径流模数小于 1.0 L/s·km2，富水性贫乏，水质较差。

3.3 人类工程环境活动

随着经济的迅速发展和人口的不断增加，附近村民建房及道路拓展中的坡角开挖导致边坡失稳，发生小型滑塌、崩塌；坡面绿化采用漫灌，致使地表水入渗，改变坡体水文地质条件，降低了土体的强度，同时黄土（黄土状粉土）区在地表水局部汇集和长期冲蚀的条件下易形成落水洞和冲沟，影响坡体的稳定。但是现状条件下引发该滑坡的主要因素是隧道建设。

根据现场调查，滑坡区内人类工程活动较为频繁，主要表现在4个方面：一是坡脚修建便道，二是居民开挖坡脚开辟住宅用地，三是坡面绿化及灌溉活动，四是隧道建设改变了山体的受力结构。

4 滑坡基本特征及稳定性分析

4.1 滑坡边界、规模和形态特征

滑坡区属侵蚀～构造低中山地貌，滑坡所在山坡坡脚高程1 550 m，坡顶高程1 721 m，高差171 m，坡向近南北向（北高南底），坡面地形起伏较大。由于勘查区位于近南北方向延伸的山梁的前缘地段，因此整体上看，中部隆起、两侧较低。由于山势陡峭，加之受构造影响（金城关断裂东西向通过坡脚前缘），节理裂隙非常发育，风化强烈，岩体呈碎块状，坡面小型崩塌和滑坍发育，在长期降水的作用下，形成多条小型冲沟。坡体西南角坡脚地带人工开挖（道路及建房扩展土地）形成高5～8 m，长约45 m的边坡，坡度大于65°。坡面上部和下部植被覆盖率超过60%（人工林，以松树为主），中部植被不发育，水土流失严重。

滑坡位于该坡体的中上部，平面形态近似簸箕形，L1裂缝确定为滑坡的上界，高程最大1 705.5 m，前缘剪出口位于山体中部，高程1 601 m，西侧边界受L6裂缝控制，东侧边界为L1和L5控制，滑坡体纵向长136 m,横向宽30～134 m，主滑方向181°左右。该滑坡处于蠕动变形阶段，目前对地形破坏程度较小，破坏主要变形特征为主要7条拉张裂缝。滑坡体上坡面起伏较大，坡面发育3条小型冲沟，冲沟深度0.5～1.5 m，近南北向发育。坡体上部坡度 30°～45°, 中下部坡度达 45°～60°，植被覆盖率较低。总面积约10 200 m2，滑体总体积约 40 万 m3。

4.2 滑坡的变形特征分析

安宁隧道滑坡位于洄水湾沟北部山坡中上部，由于未发生滑动破坏，因此原始地貌特征未发生大的改变，该滑坡主要的变形特征为裂缝，较大规模的有7条。L1～L6密集分布于滑体上部，为拉张裂缝，长度39～60 m不等，裂缝宽度3～45 cm不等，多呈近弧形，弧顶指向方向10°左右；L7裂缝位于滑坡体下部，其性质为挤压裂缝，近直线型延展，方向80°左右。

该滑坡为隧道施工开挖引发。2011年9月，施工单位（西部中大建设集团有限公司）和监理单位（甘肃铁科建设工程咨询有限公司）发现隧道施工塌方严重，坡体变形破坏（裂缝），随即暂停施工。2011年12月2日～2011年12月21日，西部中大建设集团有限公司对坡体进行了变形监测。根据监测资料，3个偏位监测点42～52 mm左右，两个洞顶山体下沉监测点分别为34.99 mm和24.33 mm，证明该滑坡处于蠕动变形阶段。

裂缝垂向发育特征：滑坡区山势陡峭，岩体呈碎块状，给勘查工作造成极大困难，先期布设的探井由于塌方严重，基本都没有达到预期目的。为了尽可能查明裂缝特征，我们在L1～L6裂缝处分别对垂直裂缝实施了槽探，6条探槽不但查明了覆盖层厚度，也对6条拉张裂缝的发育特征有了更进一步的认识，基本查明了裂缝垂直深度和裂隙面的特征。L7裂缝由于地形限制，无施工条件，L1裂缝由于垮塌，未能揭穿裂缝，其他裂缝均已揭穿。总体看，裂缝垂向延伸均较浅，一般不大于3 m，裂隙面坡度一般为90°左右。

4.3 滑体厚度

根据现场调查、井探等勘查手段，基本确定该滑坡未形成连续的滑动面，其变形主要体现为分布于滑坡中上部的裂缝，滑坡厚度采用计算最危险滑动面获得，上部和下部较薄，中部较厚，最危险滑动面呈弧形，滑体中部最大厚度约22 m。但是，由于本次勘查未使用钻探手段，未查明深部变形特征。本勘查报告建议将第一条裂隙面与已开挖隧道顶部位置连线面推测为最危险滑动面，由此确定其滑体厚度最大（滑坡中下部）约30 m左右。

4.4 滑坡体积及其特征

根据平面测绘和滑体厚度的推算，分段分块对滑坡体积进行初步计算。

安宁隧道滑坡为中型坡积土～基岩滑坡，平面形态近似簸箕形。该滑坡处于蠕滑变形阶段，滑坡边界依靠裂缝特征确定。 L1裂缝确定为滑坡的上界，前缘剪出口位于山体中部，西侧边界受L6裂缝控制，东侧边界为L1和L5控制。滑坡体纵向长136 m,横向宽30～134 m，使用推测最危险滑动面，滑体最大厚度约30 m，总面积约10 200 m2，断面面积平均3 400 m2，滑体总体积约40万m3。

该滑坡滑动面为计算最危险滑动面，滑床物质成分为前寒武系皋兰群黑云母片麻岩等，片理（片麻理）发育，风化强烈，节理裂隙发育，岩体呈碎块状，岩层产状275°∠65°。滑面呈弧线形。该滑坡处于蠕滑阶段，未形成明显的滑壁。L7裂缝为滑坡剪出口位置，该地段坡度大于45°。L7裂缝为挤压裂缝，裂缝上部土体向临空面剪出约1～2 cm，地貌特征无明显变化，未见羽状裂缝或凸起等变形特征。

4.5 滑坡稳定性分析

4.5.1滑坡稳定性计算模型

采用“理正岩土计算软件5.5版”复杂土层土坡稳定计算进行滑坡稳定分析计算。根据勘察结果，该滑坡的滑面并非是标准的圆弧形，而是近似弧形，应适用折线滑动面法，按下式计算。传递系数法（折线型滑动面）计算模型见图1，条块受力分析见图2。

图1传递系数法（折线型滑动面）计算模型

图2 条块受力分析图

式中：ψj——第i块段的剩余下滑力传递至第i+1块段时的传递系数（j=i）,ψj=cos（αi-αi+1）-sin（αi-αi+1）tgφi+1；

Wi——第i条块的重量,kN/m；

Ci——第i条块内聚力,kPa；

Φi——第i条块内摩擦角,°；

Li——第i条块滑带长度,m；

αi——第i条块滑带倾角,°；

βi——第i条块地下水线与滑带的夹角,°；

A——地震加速度（重力加速度g）；

F——稳定系数;

N——滑块分割总数。

4.5.2滑坡土体计算参数及计算工况

经模型分析，滑坡受力土体参数见表1。

表1 滑坡受力土体参数

计算工况选取：工况1——现状条件；工况2——现状条件+暴雨；工况3——现状条件+地震。

（1）现状条件的地表荷载

滑坡区主要荷载有公路荷载，验算荷载等级按挂-120级考虑，双列车队，荷载强度按49.813 kN/m考虑，分布宽度7.3 m。

（2）暴雨水荷载考虑

通过野外调查及勘探工作揭露，滑坡区地下水在第四系松散层内分布较少，地下水稳定水位埋深较大，本次计算不考虑地下水的影响。考虑到降雨大量下渗，计算时降雨工况偏安全考虑取滑坡土体参数为饱和重度。

（3）地震荷载

按照《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2001），滑坡区地震基本烈度为8度，设计基本地震动峰值加速度为0.2 g。考虑地震力对滑坡的影响，应计入地震力P，作用于各滑块重心处，水平指向下滑方向。

式中：P——作用于滑坡体重心的地震水平惯性力，kN/m；

C1——地震力计算的综合影响系数，一般取0.25；

C2——地震力计算的重要性修正系数，取1；

Kh——水平地震力系数，对7、8、9度地震分别为 0.1、0.2及 0.4；

Gs——滑坡体重力，kN/m。

4.5.3滑坡稳定性计算结果

该滑坡根据成因及现状划分为4个计算断面进行计算，图3为1～4号4个断面计算简图，计算结果见表2。

图3 断面计算简图

表2 滑坡稳定性系数计算结果

5 结语

依据《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2002）表3.2.1及表5.3.1，安宁隧道滑坡工程安全等级为一级，滑坡稳定安全系数取1.35。计算结果表明：安宁隧道滑坡各断面稳定性结算结果均小于安全系数，滑坡处于不稳定状态。为了保障人民群众的生命财产安全，须选用经济合理、行之有效的治理方案和措施进行滑坡治理，有效遏制滑坡变形破坏的进一步发展，防止新的滑坡的形成。

[1]GB 50330-2002，建筑边坡技术规范[S].

[2]DZ/T0218-2006,滑坡防治工程勘查规范[S].

[2]尚守平，周福霖.结构抗震设计[M].北京：高等教育出版社,2003.