炭质页岩滑坡-隧道体系稳定性分析与处治技术研究

罗安邦

(岳阳市公路桥梁基建总公司，湖南 岳阳　414000)



炭质页岩滑坡-隧道体系稳定性分析与处治技术研究

罗安邦

(岳阳市公路桥梁基建总公司，湖南 岳阳414000)

炭质页岩是一种水理性极强的膨胀性岩体，遇水后其工程性质劣化较快。在该种类型岩体地区修建高速公路隧道，隧道与边坡的安全性应当作为一个体系进行论证。以在建某高速公路隧道为例，经取样获取炭质页岩工程性质，再采用有限差分软件FLAC3D进行滑坡-隧道体系稳定性分析，经锚索抗滑桩加挡墙、护坡与排水对滑坡处治及采用超前锚杆预加固衬砌结构后满足工程要求。

；炭质页岩；隧道-滑坡体系；稳定性；处治技术

0　引言

在临近边坡地段修建隧道若滑坡发生将对隧道稳定性造成不利影响，从而使得隧道的安全得不到保障，因此引起广大学者对滑坡隧道的研究。王永刚[1]基于强度折减法及ABAQUS对隧道纵穿滑坡体段进行数值仿真分析，得出纵穿滑坡体的隧道衬砌结构充当抗滑结构体这一结论。史晓琼[2]针对青坪隧道浅埋偏压段滑坡病害的发生，采用抗滑桩进行加固治理，并通过地表位移、桩身内力及土压力的安全监测验证了加固效果。王旭[3]基于MIDAS数值模拟研究了隧道与滑面三种不同相对位置关系下的隧道变形特征，并分析了相应的抗滑桩对隧道与边坡的加固功效。邓荣贵[4]等人提出了一种针对深厚滑坡体隧道的自锚式加固结构体系，通过传递矩阵法进行加固体系的内力与位移的解析式推导，从而为优化治理滑坡隧道体系提供理论支撑。王建秀[5]等人分析了连拱隧道对滑坡致险作用，并提出了三导洞工法开挖顺序对边坡的稳定性影响。刘海[6]等人采用现场调研及数值模拟的方法研究了穿越古滑坡地段隧道围岩变形破坏形式，并采用钢拱架支护结构促进围岩的稳定性。已有的研究大多将滑坡及隧道孤立地考虑，未能当作一个体系综合分析及治理[7]。而对于炭质页岩这一特殊岩体，边坡与隧道的安全距离与常规岩性下的区别，以及其滑坡及隧道围岩的加固方法均值得进行研究。

1　工程概况

某在建高速公路隧道穿越位于山坡中下部并顺谷坡展布，呈西南-东北走向，山体岩性主要为三叠系上统炭质页岩。该隧道长度约535 m，路基设计标高329.265～344.085 m，属中隧道。隧址区洞口自然斜坡坡度较陡，段身基本离山体边坡6～14 m远，上覆第四系残坡积层，结构较松散，具有一定的遇水膨胀性，下伏全～强风化炭质页岩风化强烈。表层腐质土体及强风化炭质页岩厚度较薄，易沿强风化岩面滑动，自然条件下边坡稳定性稍差。该潜在滑坡主轴长110 m，宽146 m，与隧道斜交。在此处修建隧道虽离边坡具有一定的距离，但仍需进行论证及处治加固，以防范因发生滑坡而影响到隧道的施建及运营安全。

2　炭质页岩工程性质实验分析

2.1化学矿物成分分析

在滑坡-隧道体系现场取件进行X衍射、红外吸收光谱与化学成分分析，从而得到其矿物化学成分与比例值：矿物成分为石英31.28%、高岭石27.62%、蒙脱石11.54%、伊利石4.27%、云母9.41%以及其他；分析化学成分可知岩体中的SiO2含量51.57%、Al2O314.28%、Fe2O37.81%、CaO 7.47%、C4.28%、S1.16%及其他。从而可知该类型岩土体含量最高的为石英，高岭石、蒙脱石及伊利石等亲水性、膨胀性显著的物质。在进行CBR试验时当压实度为93%、94%与96%，炭质页岩的CBR值分别为1.3、2.1与2.3，而其膨胀率分别为2.16%、2.67%与3.72%。

2.2物理性质分析

岩体的物理性质主要由含水率、天然容重、液塑限、抗压强度以及抗剪强度等表示。采取12个试样进行指标统计，通过室内土工试验获取隧道-滑坡体系的炭质页岩物理力学参数值：天然含水率38.15%、天然密度1.82 g/cm3、天然容重20.16 kN/m3、孔隙比1.08、液限57.01%、塑限32.3%、液性指数0.28、塑性指数24.71%、压缩系数0.63、抗剪黏聚力与摩擦角分别为0.021 MPa与15.87°。同时通过室内试验可知未崩解的炭质页岩在遇水后承载力显著降低。

2.3水理性试验分析

考虑到水对炭质页岩强度的敏感性较大，降雨入渗是引发炭质页岩滑坡及隧道围岩失稳的主要因素之一，因此采用RMT-150B多功能电液岩石伺服实验机对岩体试件进行剪切试验以分析其水理性。实验设计在垂直荷载100 kPa及剪切速率0.2 mm/s的情况下分别测试炭质页岩试件在19.8%，23.3%，27.4%，31.2%，36.6%与40.3%不同含水量下的剪切强度，6组数据整理如图1所示。

图1　含水量与黏聚力、内摩擦角的对应关系

根据图1可得炭质页岩的粘聚力与内摩擦角都随着含水量的增大而同等趋势地减小，表明二者的含水量敏感性接近。当炭质页岩的含水量从19.8%增加到40.3%时，黏聚力从113 kPa减小至18 kPa，而内摩擦角从32.7°减小至13.5°。当含水量达到40.3%时炭质页岩的黏聚力与内摩擦角均较低，此时已处于流塑状态，对岩土体结构的稳定性不利。

2.4工程性质

炭质页岩中含比例较高的高岭石、伊利石等黏土矿物，属膨胀性软岩，在温度、风力及雨水等自然营力下一般易风化、易崩解、软化效应明显，且随着岩性的劣化历程，其岩性劣化速率呈增大的趋势。高岭石及蒙脱石等吸水迅速膨胀与失水收缩开裂，表现出较大的水敏感性，且其含水量与强度呈明显的对应的关系，同时在降雨时容易因黏性物质遇水起润滑作用进一步促进滑坡、泥石流及滑塌等地质灾害的形成。而另一方面炭质页岩因含大量碳、硫等矿物而氮、钾及磷等元素匮乏，不利于植物生长存活，增大了采用植物根系法进行生态护坡的困难程度。

3　滑坡-隧道体系稳定性数值分析

为评定该公路隧道的安全性，基于数值仿真计算分析滑坡-隧道体系潜在滑坡体稳定性的相互作用。根据隧道断面设计图取隧道开挖最大跨度为8.9 m，开挖最大高度为10 m。该隧道围岩及边坡体系岩体自由膨胀率约为70%～80%，属中膨胀土。采用基于有限差分法的FLAC3D进行数值仿真计算，以获得滑坡与隧道构成的体系稳定性的影响程度，根据工程实际情况及圣维南原理得到数值计算模型如图2所示。其中所选用的参数弹性模量为4.0 MPa，泊松比为0.3，容重为17 kN/m3，粘聚力为21 kPa，内摩擦角为15.9°。

图2　隧道与边坡体系计算模型图

为简化计算程序，不考虑隧道爆破开挖等动力荷载对边坡的影响，仅考虑降雨入渗及自重状态下隧道与边坡体系的位移场如图3所示，其体系所形成的剪切滑移带如图4。

图3　隧道与边坡体系位移场图

图4　隧道与边坡体系剪切滑移带

由图3与图4可知：隧道与边坡体系塑性区已经贯通形成剪切滑移带，对隧道及边坡稳定性不利，其中在坡脚处位移最大，约4.5 cm。衬砌结构最大主应力大小用于评价其受力情况，以判断结构是否发生裂缝及受剪切破坏，滑坡形成时衬砌最大主应力云图如图5。

图5　隧道二衬最大主应力

图5表明在隧道二衬最大主应力的最大数值位于拱脚处，为1.802 MPa。且右拱脚的数值稍大于左拱脚，说明该隧道衬砌结构承受着一定的偏压作用性，对其长期稳定安全性不利。

4　滑坡-隧道体系加固措施

因隧道离边坡有一段距离，通常不被当作浅埋偏压等特殊隧道对待。事实上由于炭质页岩这种膨胀性及水理性明显的岩体，因边坡风化及降雨入渗等影响及隧道开挖过程中的渐进破坏性，在风险成熟期必然会引起隧道及坡体失稳破坏。因此在亲水膨胀性岩体地区修建隧道需将边坡及隧道当作一个系统(适当考虑增大隧道与边坡的安全距离)，并严防雨水过多入渗至隧道围岩中，通过控制隧道开挖及营运过程中围岩变形及边坡岩体性质劣化是控制体系渐进性破坏的主要措施。为提高施工过程中隧道边坡体系的安全储备，采用长导管超前支护与小导管注浆加固的方法。

4.1长管棚超前支护施工

首先标出隧道中心线及拱顶标高，在隧道工作区设置管棚施工工作室与导向架，安装长度为2～2.5 m直径140 mm导向管。再用20 cm×20 cm的枕木搭设成高度为2.0 m纵向长度4.0 m的工作平台，并检查及提高其稳固程度。

在进行管棚施工时，钻孔至预先拟定深度，根据钻机钻进速度估计长管棚是否贯穿不稳定滑坡段。在钻进中使用测斜仪量测钢管钻进的偏斜度，即时采取纠偏措施。实行注浆时确保注浆初压在0.5～1.0 MPa间，终压控制在2.0 MPa左右。

4.2小导管超前支护预固结

考虑到炭质页岩的强水理性，隧道施工期经过雨季，降雨入渗导致隧道围岩边坡体系的岩体处于流塑状态，小导管超前支护需分两步进行施作。

第1步为固结初期支护上部围岩。防止软弱围岩进行塌方采用长4～5 m仰角5°～10°的小导管注浆，然后逐环加大仰角直至90°，根据注浆效果每环仰角增大10°～30°，逐环注浆。

第2步为固结初期支护下部围岩。采用C25混凝土喷护封闭，以防止下部注浆时浆液反流溢出。从初期支护轮廓缩小70～100 cm钻一成环孔(略向上5°～8°仰角)，并立即安装小导管注浆。保证初支面以内2～3 m厚松散体被固结，为掘进拆换被损坏的钢架提供安全施工环境。在与隧道相交的滑坡体中上部按60 cm×100 cm间距梅花桩布置打入自进式锚杆(6 m长)并注浆。采用短进尺快支护的方法，临时支撑I16工字钢拱架循环使用，并在钢架拱部布置钢筋网，钢架之间采用螺栓连接，I16工字钢焊接在钢板上，纵向用钢筋连接。

4.3预加固下体系稳定性分析

将滑坡与隧道体系进行加固处治后基于有限差分法FLAC3D计算得到体系的水平位移场、竖向位移场及隧道衬砌最大主应力分别如图6～图8。

图6　加固后体系水平位移场

图7　加固后体系竖向位移场

图8　加固后隧道衬砌最大主应力云图

图6～图8为加固后隧道-边坡体系的稳定性分析图，由此可知围岩的水平位移最大值主要出现在拱脚处(约为1 mm)；而竖向位移最大值出现在隧底处(约为5 mm，正值，表现于向上隆起)；衬砌的最大主应力出现在拱脚处(约为0.4 MPa)。再分别与图3～图5比较可知隧道边坡体系在处治加固后其位移及最大主应力的数值均有所减小，且其偏压效益显著减小，表明经处治后边坡对隧道的影响满足工程要求。

5　结论

以某在建高速公路隧道为例研究炭质页岩滑坡-隧道体系的稳定性分析及处治技术，得到以下几点结论及建议：

1) 炭质页岩属于水理性较强的中膨胀性粘性土，其工程性质受含水量而变化较大，在降雨入渗时导致黏聚力与内摩擦角降低，处于可塑-流塑状态，不利边坡及隧道围岩的稳定性。

2) 在炭质页岩地区修建高速公路隧道需论证隧道与边坡的安全距离，改变设计路线或施工方案，防范因滑坡产生而影响到公路隧道的施建与运营安全。

3) 采用锚索抗滑桩加挡墙、护坡与排水对滑坡处治、长管棚与小导管注浆及采用超前锚杆预加固衬砌结构的方法分别对边坡及隧道围岩进行治理，以提高体系的安全储能。

[1]王永刚，丁文其，唐学军.阳坡里隧道纵穿滑坡体段变形破坏机制与加固效应研究[J].岩土力学，2012，33(7)：2142-2148.

[2]史晓琼.青坪隧道浅埋偏压及滑坡处治安全监测研究[J].公路工程，2012，37(1)：157-160.

[3]王旭.滑坡隧道与抗滑桩相互作用机理研究及数值模拟[D].北京：北京交通大学，2014.

[4]邓荣贵，尹静，钟志彬，等.滑坡区隧道自锚式新型加固结构理论研究[J].岩石力学与工程学报，2015，34(7)：1315-1324.

[5]王建秀，朱合华，唐益群，等.连拱隧道-边坡耦合作用：连拱隧道滑坡[J].土木工程学报，2010(1)：103-107.

[6]刘海，沈军辉，陈华，等.穿越古滑坡川主寺隧道围岩破坏特征及稳定性研究[J].现代隧道技术，2012，49(1)：53-59.

[7]赵志刚，张志军，李德武，等.穿越滑坡段高速公路隧道综合防治技术研究[J].铁道工程学报，2013(3)：71-76.

2016-05-13

广西科学研究与技术开发计划项目(1298011-2)

罗安邦(1983-)，男，工程师，主要从事公路桥梁建设管理工作。

；1008-844X(2016)03-0168-04

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