西南某高速公路隧道进口边坡稳定性分析及评价

吴兆敬

(四川省交通运输厅交通勘察设计研究院， 四川成都 610017)

1 工程概况及问题由来

日地1#隧道位于康定县日地村与上瓦斯村之间，走向同318国道平行，为双洞分离式长越岭隧道，左右线轴线相距约30 m。隧道最大埋深513 m。

日地1#隧道施工采用从出口端往进口端单向掘进，于2016年9月28日开挖出洞，初期支护采用I18型钢拱架，纵向间距80 cm，完成二次衬砌后2016年11月4日左右洞之间边坡出现裂缝，裂缝长度约10 m，平行有两条裂缝，相隔2 m，裂缝宽度1～3 cm，洞口垮塌约300 m3。二次衬砌完成后，2017年3月2日，有关单位在监控量测时在洞内分别于桩号K118+498、K118+503、K118+510处上发现三组近于贯通且左右侧壁对称的横向裂缝，随即开展变形观测等工作。

为查明该边坡的工程地质特征、变形机制及对日地1#隧道和喇嘛嘴沟大桥可能产生的危害，为设计治理提供合理的地质依据，工作组在详勘资料、隧道开挖资料、现场调查的基础上，采用钻探、地面高密度电法等综合勘察手段，对该边坡进行了工程地质勘察。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

日地1#隧道进口段位于日地喇嘛嘴沟左岸斜坡坡脚部位，属典型的深切割“V”型高山峡谷地貌区。谷底宽约26 m，乱石林立，工程区段纵坡坡降约27 %。两岸斜坡陡缓相间，地形坡度在30～45°，局部可达55°。

2.2 气象水文

隧址区位于康定河下游，属青藏高原亚湿润气候区，具高原气候特征，气候干燥，日照充分、昼夜温差大，常年无夏、冰雪期长。康定年降水量803.8 mm，多集中在五月到九月，占全年的60%～85%，多暴雨和连绵雨，最大日降雨量达96.1 mm，最长连绵雨长达58 d，雨量达427.5 mm。

2.3 地层岩性

2.4 地质构造

隧址区构造部位上处于NE向龙门山断裂带和NW向鲜水河断裂带及SN向安宁河断裂带构成的“Y”字形构造交汇处北西部，受断裂影响，区内岩体较发育，完整性较差。

隧址区地表风化裂隙密集发育，普遍张开，半充填岩屑及黏土，部分无充填，且常沿一组陡倾顺坡向裂隙卸荷张开。随着埋深的增加和风化、卸荷程度的降低，裂隙发育程度有逐渐减少的趋势，但具不均一性。

日地1#隧道进口段(研究区)主要发育J1、J2、J3、J4和J5五组裂隙。

(1) J1：产状 80°∠70°，间距1～3 m，开度约1～3 mm，局部可达30～40 cm，裂面平直。因顺坡发育，常沿该组裂隙追踪发育为宽大的卸荷裂隙，大多充填岩屑及灰白色可塑状黏土，地表可见延伸长度大于10 m。该裂隙与边坡走向基本一致，陡倾坡外，为控制边坡稳定的主要结构面。

(2) J2：产状78-83°∠25-32°，间距0.05～0.5 m左右，微张，开度约为2～4 mm，节理面较光滑平整，可见延伸长度3～5 m。钻孔揭示充填物以岩屑为主，裂面附近可见厚1～3 mm的黏土；该组裂隙为顺坡向中缓倾裂隙，与J1组合，为控制边坡稳定的滑移面。该裂隙与边坡走向基本一致，缓倾坡外。

(3) J3：产状269°～270°∠66°～84°，间距0.1～1.00 m左右，微张，开度约为1～3 mm，局部泥质充填，节理面较光滑平整，可见延伸长度2～6 m。该裂隙陡倾坡内。

(4) J4：产状301°∠28°，间距0.20～0.50 m左右，微张，开度约为1～3 mm，无充填或半充填泥质或岩屑，节理面较平整，可见延伸长度3～5 m。该组裂隙倾向与边坡坡向大角度斜交，为可能的侧向切割面。

(5) J5:175°∠70°，开度约为1～3 mm，无充填或半充填灰黄色可塑黏土，节理面较平整，可见延伸长度大于5 m。该组裂隙倾向与边坡坡向近于直交，为可能的侧向切割面。

2.5 水文地质

隧址区地表水主要为瓦斯沟、喇嘛嘴沟及日地沟流水，其中瓦斯沟为该区域最低侵蚀基准面，瓦斯沟、喇嘛嘴沟、日地沟常年有水。

隧址区地下水主要为松散土层孔隙水和基岩裂隙水。

3 隧道进口段边坡变形原因分析

3.1 隧道进口段边坡变形特征

3.1.1 坡面变形特征

左右两洞之间已发生垮塌。塌方前缘左侧挡墙部位亦存在拉裂缝。坡脚部位仍然存在大量与坡面走向一致的张拉裂缝。

在隧道洞顶以上距离洞口约40～50 m处的斜坡坡面清晰可见台阶状陡坎，且该段地表树木生长普遍歪斜，而其上游的树木生长正常，下游树木部分歪斜，可间接确定为本段边坡变形的边界。

从2016年10月23日至2017年5月25日，日地1#隧道进口段已经产生裂缝的地段地表累计变形量达到90～105 mm，且一直在沉降过程中。

3.1.2 洞内变形特征

右线洞内二次衬砌洞壁上出现三条明显的横向裂缝L1、L2、L3，其中L1、L2裂缝近于贯通隧道全断面。三条裂缝两壁的裂缝产状及发展方向基本一致，均表现为顺坡向发育的特点。从单条裂缝上下两壁变形位移来看，上壁位移方向主要为水平向(即与裂缝倾向一致)，竖直向位移几乎为零。通过现场测量，隧道底板处裂缝最大水平向位移5 mm，竖向位移约1 mm。

据监测资料，日地1#隧道进口段已经产生裂缝地段从2017年3月2日至2017年5月23日隧道拱顶及仰拱部位累计变形量一般在3.0～5.8 mm，且一直在缓慢沉降过程中，部分观测数据有突变，显示出隧道的变形未收敛，隧道仍在继续变形中(图1)。变形后裂缝位移监测顶拱变形小的原因是由于岩体蠕动变形相对位移小，滑体与滑床尚未完全分开，且岩体变形后正值枯水期及施工结束，岩体的应力状态达到了暂时的平衡，变形量相对较小。

图1 K118+504断面拱顶沉降变化趋势

3.2 边坡变形成因机制

3.2.1 地形地貌因素

日地1#隧道进口段位于日地喇嘛嘴沟左岸斜坡，属典型的深切割“V”型高山峡谷地貌区。斜坡坡度一般坡度在30～45°，局部可达55°，边坡开挖后，洞口边坡局部直立，临空条件较好。此外，隧道处于微凸出的山脊地形上，两侧亦具有临空条件。

3.2.2 地质构造因素

几组裂隙特征：J1：产状 80°∠70°，J2：产状78-83°∠25-32°，J3：产状269°～270°∠66°～84°，J4：产状301°∠28°，J5:175°∠70°。 各组裂隙与斜坡的关系详见下图2、图3。

图2 边坡岩体裂隙组合BIM模型

图3 裂隙持平投影

从赤平投影分析图可见，J1、J2两组裂隙均倾向坡外，结构面组合交线倾向坡外，倾角远小于坡角，其倾角一缓一陡，组合成的楔形体对边坡的稳定极为不利。J4、J5两组结构面构成了其侧向切割面。边坡裂隙的组合将组成潜在不稳定的楔形块体。

3.2.3 岩性因素

通过钻探，发现岩体中存在明显错动面。ZK2号钻孔错动面倾角25～30°，裂面光滑充填黏土，沿裂隙面附近的岩石风化严重。ZK3号钻孔错动面同样主要由岩屑及黏土充填，倾角25～28°。这两组裂隙在倾角和埋深上大体一致，推测为滑面底界(即上述的J2裂隙)。另外在强风化岩体中还发育数条陡倾角70°～80°裂隙，裂面仍然充填灰白色、灰色岩块、岩屑及黏土。

此外，在中风化岩体中，风化卸荷裂隙仍以陡倾角为主，裂面粗糙，严重～轻微锈染均有发育，岩体中存在差异性风化现象，在裂隙发育或挤压带部位岩体风化相对严重，呈强～全风化状。裂隙发育带或挤压带(面)为岩体中的不利结构面，为岩体滑动或变形提供了边界条件。

3.2.4 水文地质因素

该隧道基岩裂隙水较发育，受构造影响裂隙连通率较高，贯通性较好，为地下水活动提供了较好的导水条件。通过裂隙面锈染程度、充填物潮湿性、充填物类型上分析，强卸荷带内岩体具有地表水入渗的良好通道，且河流的下切基准面较低，为地下水的流动提供客观条件。因此，在连续降雨条件下，风化卸荷带内的地下水可能较丰富，对边坡的稳定极不利。

综上所述，该段岩质边坡处临空条件良好、岩体卸荷松弛严重、岩体中发育的各种裂隙形成不利的组合是引起该段岩体发生变形的主观原因，而岩体渗透性及裂隙导水性良好有利于地表水入渗软化岩体，造成岩体及结构面抗剪强度较低、隧道施工爆破震动及开挖隧道加大临空空间和应力重分布等原因，是引起该段岩体变形的客观原因。

4 边坡稳定性评价

4.1 定性评价

目前右洞地表监测累计最大变形量已达105 mm，洞内衬砌裂缝可观测到的最大变形约5 mm，洞内顶拱变形监测累计最大变形量已达5.1 mm。虽变形量总体不大，但表明虽历经近1.5月，其变形仍在缓慢发展。表明滑面可能没有完全贯通，边坡通过变形协调应力重新分布后，岩体应力仍然在寻求新的平衡过程中，边坡整体处于蠕动变形状态。但这与变形以来停止施工和正处于枯水期无明显的地表水入渗息息相关。边坡前缘的喇嘛嘴沟大桥基坑开挖必将使边坡进一步临空，小桩号侧的龙进隧道施工难免爆破震动，特别是雨季即将来临，暴雨将导致大量地表水通过裂隙渗入到岩体中进一步降低结构面的抗剪强度，且本区地震烈度高，不排除在连续暴雨及地震等极端工况条件下裂面贯通的可能性，继而诱发边坡的整体失稳。因此，日地1#隧道进口段岩体在目前状态下暂时处于基本稳定状态，在连续降雨或地震状态下将处于不稳定状态。

需要特别指出的是：日地1#隧道左洞目前虽未变形，这与左洞开挖后未经历雨季有关，也可能与左洞因未衬砌难以发现较小的变形有关，但左洞与右洞所处地形地质结构基本一致，不排除左洞在暴雨及地震作用下失稳的可能。

4.2 定量评价

4.2.1 滑体重度

场地区内基岩产生变形段主要为花岗岩，根据试验成果，强风化花岗岩天然重度为24.0 kN/m3，饱和重度取为24.5 kN/m3，中风化花岗岩天然重度为25.0 kN/m3，饱和重度取为25.5 kN/m3。在滑坡稳定性验算及推力计算时，天然工况下滑体取天然重度，暴雨工况下滑体按全饱水计算，取饱和重度。

4.2.2 滑带抗剪强度

据临近某大型水电站同类岩体大结构面抗剪强度试验成果，本研究区内强卸荷带的陡倾角卸荷裂隙，其内摩擦角φ值统计标准值为31.38°，凝聚力C统计标准值为100 kPa。缓倾角裂隙属岩屑夹泥性结构面，其内摩擦角φ值统计标准值为26.1°，凝聚力C统计标准值为50 kPa。

4.2.3 计算方法及采用公式

采用折线形滑面的传递系数法(规范推荐)进行计算，计算模型见图4。计算公式为：Ei=ΨiEi-1+KTi-Ri。

图4 右线隧道洞轴线计算断面示意

4.2.4 计算工况

对边坡的潜在滑面稳定性计算及推力计算考虑三种工况： 天然工况、暴雨或连续降雨工况、地震工况。

4.2.5 稳定性计算结果及分析

滑面采用岩屑夹泥性结构面参数(表1)。

表1 稳定性计算参数

注：从物探成果来看，ZK2、ZK3之间的推测滑面附近处于高阻区，说明岩体相对完整，裂隙应属刚性、无充填结构面，故该段(表中Ⅱ段)抗剪参数采用其统计值：内摩擦角φ值统计标准值为36°，凝聚力C统计标准值为60 kPa。

各工况下稳定性计算成果见表2。

表2 各工况下稳定系数计算表

由表2可知，边坡在天然工况下处于基本稳定状态，安全储备不足；暴雨及地震工况下处于欠稳定状态。稳定系数均不满足JTGD 30-2015《公路路基设计规范》相关安全系数的要求。

根据上述定性及定量分析认为:

对于两洞之间已垮塌的边坡，目前即处于蠕变状态，坡面 变形裂缝明显，在极端工况下，易发生新的滑动破坏，稳定性差。

计算结果表明，日地1#隧道进口段边坡在天然工况下其稳定系数K=1.124，处于基本稳定状态，计算结果与病害现状基本吻合。在非正常工况I(暴雨工况)下稳定系数K为1.0左右，不稳定。在非正常工况II(地震工况)下稳定系数K为1.01～1.05之间，不稳定。因病害发生后本段边坡未经历雨季及暴雨，不能排除在后期施工及暴雨、地震等极端工况下，存在沿潜在滑面产生大规模滑动的地质风险，必须采取可靠的工程处治措施，确保隧道和桥梁的安全。

5 建议处理措施

由于本区降雨较为集中，坡面覆盖层及基岩均具有良好的渗透性，坡面水渗入地下后将快速运移并软化结构面的抗剪强度。结构面内摩擦角对稳定系数最为敏感，而水是控制结构面内摩擦角的最直接因素。因此，建议设计根据稳定性计算成果，采用暴雨工况作为设计控制工况，采用排水与抗滑结合的综合处治措施，必要时可采取前缘堆载反压或对滑面附近岩土体采取固结灌浆措施以提高滑面的抗剪强度。抗滑桩桩端及锚索锚固端应嵌入中风化弱卸荷带内一定深度，具体桩长及锚索长度以设计计算予以确定。