某公路隧道进口滑坡治理措施研究

沈 远 白朝能 马还援

(1.中铁西安勘察设计研究院有限责任公司，陕西 西安 710054； 2.青海省水文地质工程地质环境地质调查院，青海 西宁 810008)

某公路隧道进口滑坡治理措施研究

沈 远1白朝能1马还援2

(1.中铁西安勘察设计研究院有限责任公司，陕西 西安 710054； 2.青海省水文地质工程地质环境地质调查院，青海 西宁 810008)

通过分析某公路隧道进口滑坡的地质环境及其成因机理，计算了该滑坡的稳定性，并建立了有限元模型，对滑坡治理措施进行了数值模拟，研究结果表明，采用门式抗滑桩等结构措施治理该滑坡技术可行，对类似工程治理具有一定参考意义。

滑坡，数值模拟，抗滑桩，稳定性

人类工程活动在遇到滑坡等地质灾害时，首选方案是绕避，公路选线亦遵循这一原则。然而随着我国基础设施建设不断加速发展，偶尔又会因为既有空间环境和社会条件限制不得不在地质灾害范围内进行新的工程建设。特别是在市区等建筑密集区域新建公路工程，本身地形空间条件受到比较大的制约，而先期工程已占据了有利地形，新建工程在兼顾既有设施的同时无法进行避让。本文通过对某公路隧道进口滑坡的地质环境及其成因机理进行研究，计算分析其稳定性。通过建立有限元模型，对滑坡治理措施进行研究。

1 工程概况

某滑坡位于西宁盆地中南部低山丘陵区凤凰山西坡，地东高西低。海拔高程2 366 m～2 388 m，坡顶与坡脚南川河相对高差130余米。上部为高约势20 m陡崖，为滑坡后壁。下部为滑坡堆积体。自然坡度24°～52°，平均坡度大于39°。南北宽约1 000 m，东西轴向长度100 m～140 m，滑坡厚16 m～30 m，总方量约300×104m3，为大型深层滑坡。

西宁市快速路某隧道穿越该滑坡，为双向小净距隧道，全长625 m，为中隧道。隧道进口设计标高2 294.86 m，纵坡为+2.1%。隧道断面为单线三车道断面，最大净宽15 m，最大结构净高8 m，净空断面99 m2，开挖断面156 m2，左右线净间距12 m。

2 滑坡成因条件

2.1 地形地貌

滑坡所在山体高陡，相对高差130余米，自然坡度24°～52°，在Ⅰ级阶地形成前，南川河从坡脚处流过。新构造运动主要表现为间歇性的上升运动，导致南川河强烈下切。河流侧蚀和下切作用造就了山体前缘高陡斜坡，形成了较高的临空面，从而为滑坡的形成创造了必要条件。

2.2 地层岩性

滑坡所在山体地层主要为下第三系渐新统泥岩、石膏岩互层，极易风化和雨水软化、崩解、溶蚀；在构造作用下，岩石节理裂隙发育；随着风化剥蚀的进程加剧，山坡表面堆积了第四系松散沉积物，在动力作用下构成了滑坡发生发展的物质条件。

2.3 地质构造及地震

滑坡所在地区位于南川河背斜东翼近轴部带，加之区域地质构造比较复杂，地壳级地震活动频繁，已查明的发育在第三系地层中的两组高角度构造节理，节理面倾向南川河。不仅易于地表水渗入，加速岩层风化、软化，更为山体表面崩塌、滑坡的产生创造了有利条件。

西宁地区地震基本烈度为7度。本区设计基本地震加速度值为0.10g。

2.4 气象水文

西宁市位于青藏高原东部，属半干旱高原大陆性气候，其特点是干燥多风，夏季凉爽，冬季寒冷，降水量少，蒸发量大，太阳辐射强和昼夜温差大。年平均气温6.2 ℃；1月份最冷，月平均气温-7.1 ℃；7月份最热，月平均气温17.3 ℃，年平均降水量366.8 mm，降水分配不均匀，一般多集中在5月～9月，占全年总降水量的81%；蒸发量1 683.1 mm。

区内发育的河流为南川河，属湟水河的一级支流，南川河发源于拉脊山北麓门旦峡、方台一带，流域面积185 km2，河道平均比降13‰，多年平均流量1.36 m3/s。

勘探时钻孔中仅局部观测到地下水，滑体内地下水不具稳定水位，水量受季节性影响较大，勘探深度内没有形成连通的层状地下水。

2.5 人类活动

区内河谷平原地区地形平坦、较为开阔，分布有居民区和公路、市政管网等公共服务设施，人类工程活动强烈，对地质环境的影响主要表现在修建公路、住宅等过程中开挖斜坡坡脚，为滑坡灾害的发生埋下了隐患；丘陵区和斜坡上的人类工程活动主要表现在修建绿化引水管线、公园建设等，对当地本已脆弱的地质环境进行了不同程度的改造和破坏，尤其是绿化灌溉用水入渗导致地表水大量入渗，对滑坡的稳定产生了极为不利的影响。

3 滑坡机理及稳定性分析

3.1 滑坡特征

该滑坡经过多次活动，形成明显圈椅状或圆弧状滑坡地貌，滑坡后壁高约13 m～24 m，表面覆盖粉质粘土含石膏岩碎粒(细粒物质)。沿滑坡后缘发育拉张裂缝，裂缝延伸长度160 m，横穿主勘剖面，宽度一般5 cm～10 cm，可见深度5 cm～15 cm，以下粘土充填，裂缝后壁倾向295°，倾角66°；滑坡中部坡面地形较陡，坡度40°左右，拉张裂缝发育且集中，走向沿山坡平行，走势呈缓舒波状或弧状，横向呈齿状或不规则状，裂隙宽度3 cm～10 cm，可量深度达10 cm～15 cm，场区南侧拉张裂缝已呈弧状，并已变形下滑位移，下滑位移量10 cm～100 cm不等。前缘形成滑坡平台，地形平缓，滑坡舌向西延伸迭加在一级阶地冲洪积层之上，目前由于人工开挖形成高7 m～11 m的陡坎。

滑坡前缘斜坡处2015年7月雨后发生小规模滑动，其滑距30 m左右，方量约400 m3。且在滑坡中部地表发育有两条拉张裂缝，中间近于平行，两侧弧形相交，并已变形下滑，位移量10 cm～100 cm不等。

3.2 滑坡机理

从滑坡的形态及变形特征来看，该滑坡为复合型滑坡，即上部为第四系松散堆积物(粉质黏土夹石膏角砾)沿已变形岩体顶面滑动的浅层滑坡，而整体性深层滑动则发生于第三系泥岩石膏岩互层中的岩质切层滑坡。深层滑坡发生历史相对久远，与前缘Ⅰ级阶地同期生成，为老滑坡。

该大型厚层老滑坡属于岩质切层滑坡，产生的主要原因是早期一级阶地形成过程中，南川河的侧蚀使该段形成较大的临空面，大气降水使泥岩、石膏岩风化层中的节理裂隙中充满了自由水，使得基岩裂隙水相互连通，岩体在重力作用下失稳滑移，从而产生牵引式大型岩质滑坡。勘探钻孔揭露滑带厚0.5 m～2.0 m，有泥岩、石膏岩碎块组成，并充填黏土，碎石块中有明显的受力磨圆痕迹，石膏岩碎块与泥岩碎块镶嵌在一起，并具有重结晶和受挤压现象。

浅层堆积层滑坡产生的原因主要为相对透水的表层粉质黏土夹石膏岩角砾层，在连续集中降水条件下，大量地表水下渗至相对隔水的厚层泥岩块上，界面附近粉质黏土受水浸泡软化后抗剪强度降低。滑坡前缘由于修建房屋和道路进行人工开挖切脚，使得抗滑土体不断减少。

3.3 滑坡稳定性分析

通过调查分析，目前中部浅层滑坡在一般条件下整体处于基本稳定状态，仅在坡度较陡地段发生局部小规模滑动，在连续降雨等特殊条件下处于不稳定至欠稳定状态；深层滑坡处于基本稳定至欠稳定状态。

在定性分析的基础上，结合整治工程措施，对各种工况进一步进行了定量解析，并得出综合评价，为最后确定整治工程措施提供依据。稳定系数计算采用《滑坡防治工程设计与施工技术规范》中滑坡的计算公式进行计算。

该滑坡防治工程等级为Ⅰ级，考虑滑坡为切层滑坡，滑坡现状的稳定性定性评价，具体可以按照以下三种工况进行计算：Ⅰ工况——自重；Ⅲ工况——自重+暴雨或连续降雨；Ⅳ工况——自重+地震，地震按0.10g考虑。

通过选取浅层滑坡和深层滑坡两个代表性断面，进行传递系数法稳定性计算得到各工况下的稳定系数及稳定状态(见表1)。

表1 滑坡稳定性系数及稳定状态评价表

由上述计算结果可知，浅层滑坡和深层滑坡在天然工况下处于基本稳定状态，浅层滑坡在暴雨工况及地震工况下分别处于不稳定状态和欠稳定状态；深层滑坡在暴雨和地震工况下分别处于欠稳定和基本稳定状态。该结论与调查分析得出定性分析结果一致。但因各工况下均不能满足防治工程对应的安全系数，故须对滑坡进行治理。

4 工程措施及数值模拟

4.1 工程措施

工程实施遵循“先治理滑坡，后隧道施工”的原则，滑坡治理须保证在隧道施工及公路运营期间滑坡整体稳定。滑坡治理采取支挡结合坡面排水措施，在滑坡前缘隧道进口处设一排抗滑桩，桩截面3 m×4.5 m，间距5.5 m，平均长度40 m，其中洞门两侧抗滑桩桩顶设置横梁，形成门型结构增强结构受力性能。在坡体下部设置一排小抗滑桩，桩截面1.5 m×2.0 m，间距7 m，平均长度30 m。完善坡面排水系统，减小地表汇水入渗。

隧道穿越滑体段施工遵循“反挑出洞、短开挖、强支撑、勤测量、衬砌紧跟”原则，加强大管棚、超前小导管和钢拱架支撑等辅助措施。

4.2 数值模拟

三维滑坡有限元模型，分为滑体、滑带和滑床三个部分实体单元。同时建立隧道洞口路基边坡、隧道洞身分段开挖岩土体钝化实体单元和抗滑桩梁单元、隧道衬砌二维板单元。

模型X方向长度144 m，Y方向长度300 m，Z方向高度50 m～172 m。

边界条件：X方向自由面施加X单向约束，Y方向自由面施加Y单向约束，底部施加全部约束。荷载为自重。计算模型透视图见图1。

通过采集各后排抗滑桩桩顶在每个工况下的位移，不考虑受边界效应作用的1号～3号桩、24号～26号桩，可知两侧抗滑桩位移大于洞门桩和截断桩。选取具有代表性的隧道开挖1，3，5，7和拆除截断桩五个工况位移曲线作图，见图2。从抗滑桩距离隧道洞身的距离由远及近来看，桩顶位移逐步减小，截断桩位移最小。洞身两侧洞门桩和洞身范围内的截断桩均因桩后土体开挖减小推力至位移减小，因截断桩悬臂端长度小于洞门桩和两侧抗滑桩，故其位移最小。抗滑桩各工况下桩顶最大位移9 mm，满足规范要求。

从位于滑体段的1号～4号衬砌位移云图图3可知，该段隧道衬砌变形以顶板和仰拱竖向变形为主，最大变形值分别为5.1 cm和7.5 cm。位于滑床段的5号～8号衬砌(见图4)，主要变形为顶板、仰拱和外侧拱墙，最大值分别为10.2 cm，17.3 cm和3.3 cm。

从完全位于滑体段和滑床段衬砌位移云图可知，洞身位移基本对称，滑体段衬砌位移总体小于滑床段。其原因在于滑床段衬砌结构由于隧道埋深较大，其受到的围岩压力大于滑体段衬砌结构。同时小净距隧道外侧拱墙变形大于内侧，与其受力状态一致。

从隧道衬砌纵向位移云图图5可知，隧道洞身最大纵向位移发生于滑面附近洞顶部位，最大值1.9 cm。可见隧道洞身开挖至

滑带附近是整个开挖过程的关键阶段，设计时需要加强支护措施，施工中应缩短掘进单元距离，加强临时措施及辅助措施，二衬及仰拱及时跟进施作。

5 结语

通过对滑坡形成条件、形成机理及稳定性计算分析，并针对工程措施进行数值模拟，得出以下结论：

1)该滑坡为兼具浅层堆积体滑坡和深层岩质切层滑坡的复合型滑坡；2)目前浅层和深层滑坡在天然条件下处于基本稳定状态，浅层滑坡在暴雨工况下处于不稳定状态，在地震工况下处于欠稳定状态；深层滑坡在暴雨工况下处于欠稳定状态，在地震工况下处于基本稳定状态；3)治理工程采取在洞门附近设置一排大截面抗滑桩以抵抗深层滑坡的下滑力和确保上部浅层滑体的稳定性，在坡体下部设置一排小截面抗滑桩以保证中下部浅层滑体稳定性的措施技术上是可行的。

[1] DZ/T 0219—2006，滑坡防治工程设计与施工技术规范[S].

[2] 郑颖人，陈祖煜，王恭先，等.边坡与滑坡工程治理[M].北京：人民交通出版社，2007.

On landslide measures for some road tunnel entrance

Shen Yuan1Bai Chaoneng1Ma Huanyuan2

(1.ChinaRailwayXi’anSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,Xi’an710054,China; 2.QinghaiHydrologyEngineeringGeologyEnvironmentGeologySurveyInstitute,Xining810008,China)

According to the analysis of the geological environment of some landslide at some road tunnel entrance and its mechanism, calculates stability of the landslide, establishes the finite element model, undertakes the numeric simulation of the landscape treatment measures, and proves by the research result that the treatments such as the gantry-anti-slide pile is feasible, so it provides some reference for the engineering treatment.

landslide, numeric simulation, anti-slide pile, stability

1009-6825(2017)02-0084-03

2016-11-06

沈 远(1985- )，男，工程师； 白朝能(1973- )，男，高级工程师； 马还援(1982- )，男，高级工程师

P642.22

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