砂质黄土滑坡诱发因素及变形机理分析

邢 培 刚

(兰新铁路甘青有限公司，甘肃 兰州 730000)

0 引言

随着我国经济的快速发展，高速铁路作为连接东西部发展的重要桥梁，正处于快速的建设中。高速铁路由于列车行驶速度快，因此建设过程中需要不断架设桥梁与穿越隧道。铁道在西部地区穿越隧道的过程中不免要穿越黄土层以及一些不良地质体，特别是在隧道出洞洞口位置，上部仰坡稳定性对于铁路安全运行具有巨大的影响，一旦上部仰坡失稳发生滑坡，将直接影响列车运行安全和人民生命安全。因此研究隧道出洞口仰坡稳定性具有重要意义。

黄土体边坡由于土质一般较为松散，土质的均匀性较差，容易受到降水的影响，裂隙往往也较为发育。因此，许多学者对于黄土体边坡的稳定性，以及隧道开挖的黄土体边坡的稳定性进行研究。李萍等[1]根据黄土高原的自然边坡的特征对边坡进行分类，并对不同区域的边坡破坏特征进行归类分析。王念秦等[2]针对太中铁路沿线黄土高边坡稳定性统计分析,并提出了黄土边坡防治的建议。谷天峰等[3]通过室内的实验，建立了黄土边坡的动力分析模型,分析在机车振动荷载作用下边坡的变形规律。黄晓虎等[4]通过建立室内边坡降雨冲刷物理实验模型，对边坡的破坏过程进行了重现。

以上学者虽然对黄土边坡的稳定性特征从现场进行统计，并在室内进行了大量实验，但相对而言，隧道出洞部位黄土体仰坡稳定性研究成果较少，针对现场发生地质灾害事故的黄土体边坡实例研究缺乏。本文以洪亮营隧道出口处的滑坡地质灾害为例，详细的对滑坡事故的原因进行分析，并结合数值模拟手段对仰坡滑坡的发生机理进行分析，进而提出相应的治理方案。本文的研究成果希望为类似地质体的隧道出口仰坡稳定性分析提供借鉴，并希望能减少类似事故的发生。

1 工程背景

洪亮营隧道位于兰州市榆中县，地处黄土高原梁峁区。地面高程1 880 m～2 008 m，相对高差100 m～150 m，隧道起讫里程DK988+349～DK989+310，全长961 m。为双线隧道，最大埋深约120 m。出口端位于兰州市榆中县小康营乡洪亮营村附近，如图1所示。

洪亮营隧道所属的榆中县属甘肃黄土高原西部丘陵、河谷盆地区，为黄土高原经长期侵蚀、冲积、洪积形成的山、川两大地貌，地势南高北低，中部凹，呈马鞍型。中部盆地属中新生界迭置断拗盆地，海拔1 450 m～2 100 m，是黄土地区经长期侵蚀、冲积、洪积形成的川平地，间有梁峁丘陵地貌。

洪亮营隧道出口于2013年10月17日开始洞口边仰坡防护、施做导向墙、接长护拱及超前大管棚施工。2013年11月17日进洞施工，施工过程中按设计工法采用机械开挖，人工修边，未采用爆破，边开挖边支护并及时施做二次衬砌，超欠挖控制及初期支护结构保护良好，对围岩扰动很小。出口端分别于2013年12月8日和2014年1月10日完成第一模仰拱和二次衬砌浇筑。2014年8月16日零时15分，隧道出口左侧山体斜坡突然失稳，先发生了整体下错，后左右两侧又发生浅层滑动，滑落土体掩埋隧道洞口的地质灾害，如图2所示。

该滑坡体后缘顶部高程为1 998 m，前缘地面高程为1 882 m，高约116 m；滑坡体具有明显的后缘，错台高约20 m，上缘宽约50 m，下缘宽约150 m，主轴长约130 m，高约116 m，主错方向为N55°W，错动面坡度较陡后缘为50°～65°滑坡体厚度约10 m～20 m，预估塌方量约15万m3～20万m3。滑坡体主要物质为砂质黄土，中部土体下错后仍保持原有结构，但节理裂隙扩张，两侧下部后期或同时又发生滑动，土体疏松，滑坡体前缘堆积在原有堆积台地上。错落体及后缘仍不稳定，在外界因素作用下仍有活动的可能性。因此尽快分析滑坡的诱发因素，搞清滑坡的破坏机理，具有重要的工程意义。

2 滑坡机理分析

2.1 滑坡主要因素分析

由于滑坡的发生较为突然，并且造成的损失较为巨大，因此必须先对滑坡的因素进行分析，进而对滑坡机理进行研究。经过对现场进行勘察以及研究，可以发现滑坡的诱发因素主要有以下几点:

1)地形条件。

该滑坡体的坡体较陡，平均坡度在40°～50°之间，下部局部近于直立。这种后缘高陡，下缘开阔的地形特点，为滑坡的形成提供了良好的临空条件。

2)岩土性质及结构。

斜坡地层岩性为马兰黄土，风积成因，具有强湿陷性，节理裂隙发育，属于易滑地层。并且由现场调查可以发现至少发育四组裂隙，同时由于斜坡具备坡脚开挖造成斜坡应力重分布，从而可能形成潜在的卸荷裂隙。因此，岩土体结构类型对斜坡稳定性具有一定不利影响。

3)振动影响。

近年来周边地区发生了较多的强震，如汶川地震、岷县地震等都对该区有所影响。另外由于在现场施工的过程中，在隧道口采用打桩机对铁路地基进行强夯，连续施工产生的震动对斜坡的稳定性有一定不利影响。

4)降水作用。

滑坡发生当年兰州市的降雨较为频繁，降雨渗入土体导致斜坡自重增大，对斜坡的稳定性产生不利影响。

综上所述，该滑坡具备了地形、岩土结构等基础条件，滑坡的发生是由于前期开挖形成高陡临空面导致坡脚应力集中，在机械振动，降水作用的综合影响下，坡体产生累进性破坏。

2.2 滑坡机理的数值模拟研究

为了进一步对滑坡机理进行研究，采用UDEC数值模拟软件对滑坡体的滑坡机理以及滑坡后仰坡稳定性进行分析。数值计算模型如图3所示。计算模型的左右边界以及底部边界均约束法向方向的位移。计算采用强度折减法对边坡的稳定性进行分析。

数值模拟计算结果如图4所示，从图4a)中边坡的剪应变云图可以看出，边坡的剪应变主要集中在距离边坡面较近的地方，剪应变较大的区域一直由边坡的顶部贯通至仰坡下部坡度较大的坡面部位。边坡顶部的剪应变较大部位与滑坡后缘的位置基本一致。从图4中也可以看出，剪应变较大的部位也集中在边坡中部偏下的位置，这与现场中下部出现次级滑坡的位置也较为接近，这一现象从数值模拟结果来看主要考虑是受到两种不同黄土分界面的影响。此时边坡的安全系数为0.76，边坡处于不稳定状态。

对滑坡后的仰坡进行计算，如图4b)所示，从计算结果来看，剪应变较大的部位距离边坡表面较近，剪应变沿着滑坡后的边坡后缘一直向下贯通至边坡的底部，在这种情况下，边坡的稳定性依然较差。此时边坡的安全系数为0.92，仰坡仍处于不稳定状态，很有可能产生二次滑坡，这对于隧道的后续施工以及后期列车的安全运行极为不利，因此需要对边坡进行及时的治理。

3 边坡治理方案

由于仰坡滑坡后仍有继续滑坡的可能性，因此需要对仰坡进行合理的加固，以此来确保隧道后续的施工安全。该边坡整治综合考虑边坡高度、隧道洞口处理措施等综合因素，采用以下处理方案:

1)清方范围沿错动面清方至隧道洞顶附近后设置平台，标高1 905以上清除滑坡错落体，边坡按每级10 m高度，坡率按照1∶1，每三级设置一处大平台，平台以下保留坡脚已堆积的土体，堆积土体不足部分回填清方土体进行反压，反压土体边坡采用种植草灌植物进行防护，并在坡脚设置矮挡墙。

2)清方露出的边坡从平台顶面向上设置阶梯型边坡，坡面采用带截水槽的骨架进行防护，骨架内种植绿色植物，每级边坡顶部设置平台截水沟，边坡顶部以外设置排水沟。

4 结语

本文根据洪亮营隧道出口处的砂质黄土滑坡为例，对该边坡的失稳机理进行了分析，可以得到如下结论：

1)该砂质黄土仰坡滑坡的主要诱发因素是受到地形条件、岩土性质及结构、振动影响以及降水的影响所导致。

2)通过数值模拟研究可以发现，隧道出口处仰坡的稳定性较差，边坡的剪应变集中部位距离边坡表面位置较近，并且贯通整个边坡。滑坡后的边坡仍然处于不稳定状态，需要进一步加固处理。

3)对边坡的治理主要采取清方与压脚的措施，并且设置截水与排水的结构。本文根据黄土滑坡的实例分析其失稳因素与机理，并提出了相应的治理方案，希望为今后类似的地质体边坡隧道施工提供借鉴，减少类似滑坡事故发生。