隧道平行穿越滑坡体的变形特征及控制技术

李家龙 罗骋华 周文皎

（1.云南省建设投资控股集团有限公司，昆明 650000；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

香丽高速公路是G0613 北京至拉萨联络线西宁至丽江公路的组成路段。沿线自然环境恶劣，跨越的地貌单元复杂，全线的桥隧比超过80%。选线阶段尽可能使隧道避让不良地质体，由于在勘察阶段对其地质条件认识不足等原因，有些隧道不可避免地要穿越滑坡体。建设过程中因施工扰动等因素极易造成滑坡体蠕动变形，引发隧道变形和破坏，威胁公路建设者的安全，影响公路安全顺利通车。

很多研究学者已经对隧道穿越不良地质体的作用机理和处治对策开展了相关研究，并取得了一定的研究成果。文献［1］初步研究了因开挖隧道引起斜坡变形滑动的“隧道滑坡”病害产生的地质条件和诱发因素；文献［2］对滑坡与隧道的作用关系、作用形式和隧道不同位置的优缺点进行了研究；文献［3］研究了蠕动型滑坡的形成原因和产生隧道变形开裂的作用机理，并构建了5种滑坡-隧道病害地质模型；文献［4-7］基于滑坡-隧道体系开展了理论分析、数值模拟和模型试验，研究了不同穿越形式下隧道的变形特征；文献［8-10］针对滑坡体作用下隧道变形特征和控制技术开展研究和分析。

综上，不同穿越形式的隧道-滑坡问题所导致的变形和受力特征均不同，采用的控制技术也有所不同。在香丽高速公路隧道-滑坡问题中最为常见的是隧道平行穿越滑坡（隧道轴向与滑坡方向夹角为0°～20°）。当隧道平行穿越滑坡体时，隧道开挖可能诱发滑坡体复活及蠕动变形，使隧道产生变形和破坏，严重时可能会影响工程建设的正常开展，甚至是全线的顺利通车。因此，本文以香丽高速公路一隧道-滑坡病害为例，对这类常见的隧道-滑坡病害的受力特征、变形机制进行研究和分析，并提出适宜的控制技术，填补在云南高原地区隧道-滑坡病害研究的空白，保证香丽高速公路的顺利通车。

1 工程地质概况

图1 隧道进口仰坡卫星图

该隧道（图1）位于青藏高原南东延横断山脉中段，属高中山区，构造作用强烈，岩体破碎松弛深度大。隧道进口斜坡位于走向为262°的山脊北侧，自然斜坡倾向330°，斜坡坡度约31°，坡底为松坡河，走向253°，隧道以NW28°（332°）穿过自然坡体（近平行）。斜坡为上覆第四系堆积体，主要为含砾粉质黏土和碎石土。下覆三叠系中统（T1）组强-中风化灰色、灰褐色板岩，斜坡体植被发育，地下水较丰富。

该隧道为分幅分离式隧道（右幅K63+970—K65+210；左幅ZK63+970—ZK65+228.96），隧道全长1 260 m，围岩等级为Ⅴ级围岩。隧道采用三台阶预留核心土法施工，最初开挖时隧道进口斜坡上已经发现有裂缝、错台等，随后在隧道进口段40～60 m 内左、右洞均发现二次衬砌开裂情况，这些迹象表明隧道进口斜坡已发生形变，危及隧道安全。

2 滑坡体特征

在开挖过程中发现斜坡体和隧道产生了较大变形和破坏。根据地表后缘裂缝的分布位置和隧道裂缝扩展情况可大致推测目前滑坡体的范围（图2），长约300 m，宽约110 m，主要变形方向为NW6°。滑坡体与隧道轴向近平行，滑坡体后缘位于隧道进口上部，前缘至坡脚河谷地带，左侧界有明显的向坡脚延伸趋势，右侧界暂未完全贯通。

图2 隧道进口端滑坡体平面示意

2.1 地表变形特征

2016 年10 月，隧道右洞正上方160 m 处的斜坡上，发现有一展布方向为259°的裂缝，长10 m，宽30 cm，深40 cm。裂缝对应隧道内的里程大致为K64+030。2018 年雨季过后，裂缝不断地顺坡向下延伸，并逐步产生了溜坍。另外，在隧道右洞正上方70 m 的村道有大贯通的裂缝，裂缝展布方向为259°，长20 m，宽20 cm，深60 cm。同时，变形体的左右侧界不断地沿顺坡向下延伸，并逐步产生了变形，形成溜坍，并砸毁了洞顶布设的部分监测设备。

施工单位在隧道进口上方埋置了18 个地表位移监测点（见图3）。经监测可知，x，y，z3 个方向位移变化趋势基本一致，即随着时间的增加位移近似呈线性增加。x方向的位移朝正北方向增加，10 号观测点位移最大，约62 mm；y方向的位移朝正东方向增加，13号观测点位移最大，约24 mm；z方向的位移以沉降变形为主，9 号和15 号观测点的沉降最大，达到24 mm。该边坡应处于匀速变形阶段，变形较为严重的区域主要集中在隧道左侧进口仰坡区域。这18 个监测点的变形方向为NW1°～NW10°，总体变形方向约为NW6°。

图3 地表位移监测点布置示意

从地表裂缝展布和地表位移监测的结果可知，隧道开挖扰动引起了地表较为强烈的变形，地表监测点的变形反映滑坡体处于不断蠕动变形的过程中，可能会对隧道产生不利影响。

2.2 坡体深部变形特征

除地表外，滑坡体内也存在一定的变形特征。深部位移监测手段是一种常规有效的判断滑坡变形特征的手段。在隧道进口埋设了2 个深度为62 m 的深部位移监测孔CX-1 和CX-2，监测结果见图4。可知，位于隧道洞口上方的CX-1 监测孔在32～38 m 内发生了向河侧方向的突变；位于隧道洞口下方的CX-2孔在44～48 m 内变形逐渐加大，并且在20 m 处变形也有明显的变化。

图4 不同监测孔的深部位移

2.3 隧道变形特征

2017年3月初，在隧道进口右幅衬砌有开裂现象，同时发现了贯穿裂缝和斜向裂缝。根据隧道内裂缝展布的情况，隧道二次衬砌出现的主要是斜向裂缝和环向裂缝，未发现纵向裂缝，且裂缝多分布在隧道边墙至拱顶。仰拱有少量裂纹，裂纹宽度多小于1 mm，少量裂纹宽度大于1 mm。根据隧道内裂缝严重程度分为裂缝特别严重区和一般严重区。特别严重区主要 以 分 布 在 K64+020—K64+040 段 、YK64+020—YK64+035 段宽为0.1～4.4 mm 不等的环向裂缝和斜向裂缝为主。在YK64+025 处地面有明显的错台，小里程方向下错约1 cm，YK64+025 左右边墙均有斜向裂缝展布，裂缝倾角约为45°～60°，逐渐延伸至YK64+034 拱顶处，并形成贯通的环向裂缝，缝宽约15 mm。一般严重区主要以分布在K64+020—K64+040 段、YK64+020—YK64+035 段两侧各 20 m 范围内，以宽为0.1～3.0 mm的斜向裂缝为主，没有环向裂缝展布。

3 病害原因

1）斜坡岩体结构松散破碎

该隧道进口穿越的斜坡体在开挖前没有发现明显的变形特征，坡体中也没有发现马刀树、陡坎、裂缝等滑坡迹象，但坡体的岩土体结构特征为后续产生变形提供了先天条件。现场调查发现，坡体主要是由强风化破碎的夹泥炭质板岩组成，这种岩体自身强度不高，雨水后容易软化。岩体裂隙较发育，有利于地表水下渗。虽然现场测量的产状反倾，但存在一顺倾结构面315°∠29°，滑坡体的稳定受这组结构面控制。

2）隧道开挖扰动

斜坡体和隧道的变形破坏主要是隧道开挖后形成的，因此隧道开挖是引起坡体变形和隧道开裂的主要诱发因素之一。隧道开挖扰动使得岩体变得松散破碎，裂隙张开，坡体发生多次溜坍、坍塌病害，从而引起了坡体应力的松弛。较大的开挖临空面直接削弱了斜坡体的抗滑力，在长期降雨以及地下水作用下坡体逐渐失稳并变形破坏。

3）降雨及地下水扰动

在长期降雨作用下，雨水短时间内通过松散的表层强风化板岩渗入坡体内，并与地下水一起向洞室方向的汇集，软化顺倾结构面，降低其力学参数，急剧降低了斜坡稳定性，诱发上部坡体产生蠕动变形，引发地表沉降并向河侧蠕动，并最终造成坡体和隧道变形。虽然坡脚处为河流，但由于上流修建了水电站，其河流下切作用并不明显，因此不考虑河流下切作用。

4 病害变形特征

隧道平行穿越斜坡不良地质体时，主要有3 个沿洞轴方向的外力作用在隧道结构上（图5）：隧道底部传来的岩土抗力K、隧道顶部传来的上覆岩土压力P和滑坡推力F。此段隧道多处于隧道进口处，可以将其看作悬臂梁结构。因隧道与进口端的桥梁或路基相接，因此可以看作梁的一端铰支，另一端为滑面穿过位置，隧道内位于稳定岩层中的部分视为固定端，不发生位移变化。在P和F（可视为均布荷载）的作用下，滑坡体方量和推力较大时，隧道衬砌结构的轴向拉力或剪切应变大于其屈服值，应力集中明显。隧道顶部受拉，向隧道内弯曲，底部受压，在隧道受拉与受压之间形成拉压中性区，因剪切变形使隧道在滑面附近变形最为严重。隧道顶部先出现剪切裂缝，随后向边墙扩展，产生沿滑面方向的斜向裂缝，最后裂缝贯通到隧道底部，导致隧道整体破坏。

图5 平行穿越隧道的受力示意

该隧道进口端约70 m 均处于滑坡体范围，但主要变形只发生在隧道进口端40～70 m，即滑面穿越的位置附近。在左右洞的该位置主要有斜向的裂缝及环向贯通裂缝产生，裂缝展布的位置与滑面穿过的位置近平行，并发展至隧道底部，产生1 cm 明显的错台。结合隧道地表裂缝展布、隧道内裂缝分布和深部位移监测曲线可知，从隧道洞口上方推测的变形体后缘位置至桥台下部的CX-2监测孔的斜坡范围内，在斜坡地表、隧道内部及斜坡内部均有不同程度的变形。根据这些变形部位大致可以推测，斜坡变形体范围内可能存在2条蠕动变形面（图6），分别为浅层蠕动变形面和深层蠕动变形面。

图6 推测的浅层和深层蠕动变形面

5 隧道稳定性分析

为了研究隧道平行穿越滑坡的稳定性变化，利用数值模拟软件构建了隧道平行穿越滑坡体的三维模型，隧道采用与现场相同的三台阶预留核心土开挖法，开挖步距为10 m，模拟隧道长为260 m，模型x方向（斜坡走向）宽300 m，y方向（隧道轴向）长500 m，z方向高420 m。模型四周及底部施加约束，共完成28 371个节点，118 426个单元。斜坡体的岩土体参数见表1。

图7 隧道三维模型

表1 岩土抗剪强度指标参数

隧道稳定性计算结果见表2。可知，自然条件下斜坡体未开挖隧道的安全系数为1.13，处于欠稳定状态；隧道开挖后，斜坡体安全系数降为1.01，处于不稳定状态，说明开挖隧道后滑坡体将处于临界失稳，使滑坡体复活并变形加剧，在滑坡推力的剪切作用下，隧道产生裂损；在长期暴雨和地震作用下，隧道的安全系数将逐步下降至0.99，处于失稳状态，滑坡体下滑，隧道将产生较大变形并破坏。稳定性计算结果与滑坡实际变形情况基本吻合。

表2 隧道稳定性计算结果

综上所述，此时的斜坡体处于不稳定状态，随着时间推移斜坡不良地质体稳定性有可能进一步削弱，从而引起滑坡体加速变形，对隧道的施工和运营产生较为严重的影响。因此，亟需对隧道采取有效的控制措施。

6 隧道控制技术研究

对于隧道-滑坡问题的控制研究，要根据场区地质条件，查清滑坡形成的主要原因、滑坡与隧道的空间位置关系，提出针对隧道、滑坡体系的综合治理措施。研究学者提出了削方减载+排水措施+抗滑桩加固的方案，这种处治方案既能保护隧道也能治理滑坡。但是该隧道存在多层蠕动面，变形较大，坡体结构松散，滑坡推力较大，在施工抗滑桩时很容易削弱滑体抗滑段，存在较大的危险性，并且工程量较大，造价较高，不适宜采用。因此，提出了施工便捷，扰动较小的钢花管多次分段控制注浆+削方减载+排水措施的综合控制措施，在斜坡体和隧道内分别进行加固，减少了施工对斜坡体的扰动影响，降低了施工风险。施工方案如下：

1）加固防护措施

隧道进口段自洞口上方进行刷方处理，刷方坡形为：各级坡高均为10 m，坡率1∶1，第1 级平台宽14 m，第2～3级平台宽8 m，第4～9级平台宽2 m。

2）加固工程措施

在大桥第1 个桥墩（K63+940）山侧斜坡上自下而上布设9 排锚索，纵向间距2.5 m，水平间距3 m，水平加固范围110 m，锚索锚固段为12 m，锚索穿过深层蠕动面以下至少12 m。

隧道进口端洞口上方5 m 以上各级坡自下而上设3 排锚索，水平间距3 m，采用5φ15.2 预应力锚索框格梁防护，锚索锚固段为12 m，锚索深入深层蠕动面以下不少于10 m。框格梁竖向截面尺寸0.4 m×0.5 m，横向截面尺寸0.4 m×0.4 m。采用C25 混凝土现浇，水平方向平面加固范围110 m，框格内植草防护。

在隧道进口端至洞内80 m（K63+970—K64+050）范围内的地面设置竖向加筋钢花管，横向每排4根，横向间距2 m，纵向间距2.5 m。钢花管穿过深层蠕动面不小于10 m，且钢花管最短长度不得少于12 m。钢花管内套有3根直径为32 mm的钢筋。

3）截水沟设置

斜坡最高一级锚索框格梁坡顶平台设截水沟，加固范围外侧稳定区域设置浆砌截排水吊沟，防止坡面水流入变形体。

7 结论

1）香丽高速公路一隧道平行穿越滑坡体，在隧道开挖过程中，因施工和降雨扰动触发了滑坡体蠕动变形，带动隧道变形破坏，在地表和隧道内均发现了不同程度的裂缝和变形。滑坡体可能存在2条蠕动变形面，分别为浅层蠕动变形面和深层蠕动变形面，变形方向为NW6°。

2）隧道平行穿越滑坡体时，隧道顶部受拉，向隧道内弯曲，底部受压，在隧道受拉与受压之间形成拉压中性区，因剪切变形使隧道在滑面附近变形最为严重。隧道顶部先出现剪切裂缝，随后向边墙扩展，产生沿滑面方向的斜向裂缝，最后裂缝贯通到隧道底部，导致隧道整体破坏。

针对该隧道地质条件和现场施工状况，提出了施工便捷，扰动较小的削方减载+排水措施+钢花管多次分段控制注浆的方案，在斜坡体和隧道内分别进行钢花管加固，减少了施工对斜坡体的扰动影响，降低了施工风险。