西南山区某隧道斜坡变形成因分析

摘要 文章通过对西南山区某隧道现场实地踏勘调查并总结相关技术资料，首先对该隧道的地形地貌、地层岩性、水文地质条件、超前地质预报、洞口边仰坡、隧道围岩稳定性及岩爆与偏压问题等进行了详细的描述说明，然后对隧道施工过程中的工程病害及其发生的时间进行斜坡变形的成因分析，因2020年11月16日首先出现掌子面塌方，2020年12月20日至2020年12月30日发现洞口斜坡裂缝及其他隧道工程病害，结合地质情况分析得出，该山区隧道工程病害是由于其开挖工程活动破坏了斜坡岩体中原有的完整软弱裂隙带结构，促进了其相互贯通，从而导致了斜坡变形的发生。

关键词 斜坡；隧道；变形；工程地质

中图分类号 U455 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）24-0115-06

0 引言

近年来，我国高速公路建设里程增长显著。截至2021年年底，全国高速公路总里程达16.91万公里，同比增长0.8万公里。尤其在西南地区，大量高速公路项目正如火如荼地建设，促使西南地区交通网络的日臻完善，区域经济发展也迎来新的机遇。然而，由于西南地区复杂多变的地质构造、特殊的岩体、活跃的地质板块和复杂的水文情况，极易导致隧道在开挖的过程中引发山体变形，甚至出现滑坡、坍塌等地质灾害，给工程建设带来了极大的难度和安全隐患。为确保工程安全与顺利进行，对隧道洞口斜坡稳定性及施工相互作用的深入研究显得尤为关键，具有重要的现实意义。山田刚二[1]首先对隧道施工引起的山体滑坡进行了分析，并最早总结了产生该类工程问题的影响因素；李文军等[2]通过总结几种隧道变形与山体滑坡的典型案例，初步提出了隧道选线与斜坡松弛带的关系，并表示只有充分查明松弛带深度及斜坡稳定性，才能避免地质灾害的发生；赵华宏等[3]初步断定隧道施工是滑坡形成的主要诱发因素，同时提出了强降雨导致土体的抗剪强度变低、含水量变大等影响也不容忽视；张治国等[4]总结了以往的相关研究，提出了将隧道修建在松弛带以外且较为完整的岩土层中，可有效防止山体滑坡灾害的发生；叶浩等[5]通过研究正交体系下隧道与滑坡的相互影响关系，合理设定隧道滑动面安全距离与隧道衬砌的结构形式，有效降低了隧道工程风险；王玉龙等[6]深入分析了坡体位移与隧道施工进度之间的相互影响关系，发现隧道施工过程中的扰动会导致滑坡体发生变形和蠕动。为了有效抑制这种变形，及时采用隧道衬砌等支护结构措施，从而显著降低滑坡体的变形程度，确保隧道施工的安全与稳定，Wang[7]通过研究隧道衬砌表面裂缝的空间分布和纹理等表观特征，探究分析了引发衬砌变形的影响因素，为后续类似隧道病害原因的查询提供了借鉴；吴红刚等[8]以武罐高速韩家磨隧道为研究对象，为揭示隧道施工与坡体变形的相互作用关系，提出了“隧道-边坡体系”概念，通过对隧道进行应力及变形影响因素的分析，提出了遵循协同分析原则的处治措施；马惠民等[9]通过分析国内隧道施工引起边坡变形的几个典型案例，总结出平行、正交及斜交三种隧道受力的变形模式，完善了“隧道-滑坡体系”的理论框架，同时阐述了“隧道-滑坡体系”受力变形的周期性特征；Susilo等[10]使用Wenner-Schlumberger配置的电阻率法对Banaran地区的滑坡进行了分析研究，详细地概括了该滑坡的滑移深度和危险等级；张浩等[11]详细分析了郑家垣隧道与滑坡处于斜交体系下的工程特征、演变过程、发展趋势、滑坡形成原因、稳定性状况及治理思路等方面，并在此基础上，提出了滑坡体卸载、封堵裂缝、增设抗滑桩加固、取消隧洞前短路基及改善防排水体系等综合治理措施。同时研究发现，隧道走线与滑动面的位置是判别工程风险程度大小的一个指标，隧道距离滑动面越近，则整体稳定性越差，因隧道施工引起的工程病害也就越严重，从空间体系上看，隧道走线穿越滑动面带来的工程风险大于隧道走线穿越滑床。张鲁新等[12]以东荣河滑坡为具体案例，综合采用了现场勘测、滑坡实时监测及室内试验等多种手段进行深入分析，研究结果表明，除地质条件这一基础因素外，雨水等外界影响因素的作用，也是形成蠕动型滑坡不可忽视的重要原因；朱苦竹等[13]以云南小曼萨河隧道为研究对象，针对滑坡体内修建隧道出现的各种工程病害，结合隧道监测的实际数据，深入分析了滑坡与隧道之间相互作用、相互促进的复杂过程，通过揭示滑坡与隧道相互作用的内在机理，为此类隧道的设计和施工提供了宝贵建议。

1 工程概况

1.1 地形地貌

该文所选隧道位于我国西南地区，该地重峦叠嶂，沟壑纵横，山脉多以北东—南西走向，与区域的整体构造线方向一致，同时与隧道的走向近乎垂直。整体上，隧址区的地势呈现南西高北东低的形状，地面海拔在850.5～1 011.5 m之间波动，极值高度差达到约161 m。山体的自然倾斜度介于25°～35°之间，多覆盖第四纪的残余坡积层。隧道的进出口段处于山间沟谷，进出口段山涧沟谷发育，隧道洞口斜坡山体上分布着四条走向相似的冲沟。这些冲沟的走向大致在0°～25°之间，与隧道近似正交。冲沟的深度在2～10 m之间，宽度则介于5～15 m之间，多呈现“V”形，坡度陡峭。在地表未见明显的径流，冲沟主要是大气降水汇聚后形成的地面流水冲刷而成。在斜坡的山前部分，发育一条与隧道走向近似平行的冲沟，山脊位置有明显的山嘴突出，其走向在280°～290°之间，形状类似于“U”形。冲沟的宽度变化在85～132 m之间，坡度相对较为平缓。沟内流淌着一条自西向东蜿蜒的小溪，溪沟的宽度在1.5～2.0 m之间，深度介于0.8～1.2 m之间，水流湍急。山体上的植被茂盛，斜坡的中下部及山前的冲沟内主要种植着茶树、橘树等经济林木，而斜坡的中上部则以杂草和橘树为主。沿着山脊的走向，村民们已经开挖了一条存在10年之久的土沟，主要目的是防止牛羊穿越。这条土沟从山顶沿着山脊线一直延伸到山体的中部，宽度在1.5～2.0 m之间，深度则介于1.2～1.6 m之间[15]。图1为现场航拍图。

1.2 地层岩性与岩土体性质

经过物探、钻探及工程地质测绘的综合分析，隧道区域地层主要由第四系人工堆积层（Qml）、第四系冲洪积层（Qal+pl）、第四系残坡积层（Qel+dl）和三叠系中统兰木组（T2l）共同构成的复合地层。

（1）第四系人工堆积层（Qml）。坡脚反压填土层，黄褐色为主、底部浅灰色，松散～稍密状，主要由粉质黏土混碎石、块石组成，碎石、块石含量约35%～45%，粒径2～10 cm，母岩成分主要为砂岩。

（2）第四系冲洪积层（Qal+pl）。淤泥质黏土，灰黑色，上部为褐黄色，地表0～0.5 m为粉质黏土硬壳层，呈可塑～硬塑状，下部0.5～3.0 m为可塑状淤泥质黏土，含有机质，稍具臭味，稍有光泽，无摇震反应，孔隙比大，压缩性高，主要分布在坡脚冲沟区域，在坡脚反压清表时发现。如图2所示：

（3）第四系残坡积层。主要由粉质黏土（Qel+dl）构成，呈灰黄色，硬塑状态，主要由黏粉粒组成，并含有少量角砾，具有中等的干强度和韧性，且无摇震反应。此层在进口段碎石含量相对较高，广泛分布于山体的表层，特别在隧道的出口段，其厚度范围在0.50～2.40 m之间。

（4）三叠系中统兰木组（T2l）层。在地质调查和钻探揭示下，主要表现为砂岩与泥岩的交替出现。泥岩多以夹层或互层的形式赋存在砂岩层中，具有泥质结构，岩质非常软，且遇水后易于软化，若长时间暴露于日光下则容易发生崩解。相对而言，砂岩展现出粉砂状结构及薄层状构造，岩质较硬。依据岩石风化程度的不同，该组地层可进一步细分为强风化层和中风化层。强风化层中的砂岩主要呈黄灰色，岩质较软，风化作用显著，裂隙发育广泛，裂隙面有明显的铁锰质浸染现象，在送水钻进时进度快，所取得的岩芯多呈现为碎块状、半柱状或短柱状。该风化层广泛分布于山体的浅部区域，在所有钻孔中均有揭示，其厚度在9.30～12.80 m之间，构成了隧道围岩的主要岩体。而中风化层则由砂岩夹泥岩组成，整体呈深灰色，岩质相对较软，岩石的裂隙同样发育，岩体相对破碎，所取得的岩芯多为碎块状或短柱状。

1.3 隧址区水文地质条件

经过现场勘察，隧道进口处的地表水情况得以明确。隧址处可见沟谷溪水分布，其流量在勘察期间约为0.10～0.30 l/s。隧址区洞口段未发现大量的地表水体，主要是受大气降雨影响形成的短期地表径流。地表径流主要表现为季节性，受季节降雨变化而变化，表现为雨季时水流明显，而冬季则基本断流。

在地下水方面，场地内的地下水主要包括赋存在第四系覆盖层中的孔隙水和基岩中的基岩裂隙水。通过施工期间的调查测得，地下水的稳定水位标高约为864 m。

1.4 涌水量预测

根据地勘与物勘结果的分析，预测隧道施工过程中突水涌水的流量不大，隧道线路部位的地下水出水状态主要表现为慢慢渗出，在隧道局部含水量大的特殊区域可能出现溪流状出水，不会出现大规模的出水情况。然而，在特定路段如ZK141+900至ZK141+940（对应YK141+900至YK141+940）、ZK141+960至ZK142+000（对应YK141+966至YK142+007），以及ZK142+050至ZK142+140（对应YK142+060至YK142+140）等区域内，由于岩石裂隙发育明显且岩体破碎，这些区域被认定为地下水富集地带。在这些特定区域内，水量相对较为丰富，因此存在小规模涌水现象的可能性。

1.5 超前地质预报情况

由图3可知，隧道周边围岩特征表现出一定的变化规律，依次是黏土、强风化砂岩、中风化砂岩。黏土位于地表层，岩层纵波速Vp=380～460 m/s，主要为灰黄色，硬塑，黏粉粒为主，其岩体强度较低，韧性较差，且分布较多的碎石；往深层表现为强风化砂岩，岩层纵波速Vp=1 000～1 200 m/s，呈黄灰色，岩质软，岩石风化强烈，裂隙很发育，裂隙面铁锰质浸染，送水钻进快，岩芯多呈碎块状、半柱状、短柱状，该层分布于山体浅部；再往深层则为中风化砂岩夹泥岩，岩层纵波速

Vp=3 200～3 510 m/s，呈深灰色，岩质较软，岩石裂隙发育，岩体较破碎，岩芯呈碎块状、短柱状。同时，隧道周边围岩土体中夹杂部分软弱带，从隧道走线上来看，分别在K142+100至K142+140、K141+910至K142+940区域有所分布。

1.6 隧道围岩分级

根据隧道所处地区围岩的硬度与完整性这两个核心要素的定性评估，以及岩体基础质量指数BQ的量化数据，进一步结合水文状况、节理裂隙发育分布情况及围岩应力状态等多方面因素对围岩稳定性的影响，将该文所选隧道周边的围岩等级综合划分为Ⅳ～Ⅴ级围岩[14]。根据统计数据分析，隧道左洞中Ⅳ级围岩约占其总长的43%，而Ⅴ级围岩则占约57%；相较之下，右洞的Ⅳ级围岩约占其总长的52%，Ⅴ级围岩则占约48%。

1.7 隧道进出洞口边坡、仰坡

隧道进出口均坐落于斜坡上，其山体自然坡度介于30°～40°之间。坡体主要由残坡积粉质黏土、碎石及强风化的泥砂夹砂岩构成。考虑这种土质边坡的特性，其自然稳定性相对较弱。特别是在暴雨季节，当地表水渗透及受施工干扰等触发因素时，坡体存在发生滑动的潜在风险。隧道的走向为310°，其岩层产状倾向与隧道轴线的夹角为86°，呈现出逆坡向的特点，这种地质结构对隧道左侧边坡和仰坡的稳定性影响较小。然而，隧道右侧边坡的岩层层理为顺坡向，这种结构将对边坡的稳定性产生不利影响。隧道区的岩体节理较为发育，节理之间相互切割，形成了多种不稳定的岩体结构，如刃口向上的楔形体、尖端向上的锥形体、长轴竖直的柱体和棱体等。

1.8 岩爆及偏压问题

隧道的最大埋深达到76 m，因此在此深度下，并不存在极高应力或高应力的状况。然而，考虑洞身围岩主要由砂岩夹泥岩构成，其中泥岩部分具有显著的吸水性和较软的岩质，一旦脱水便容易崩解，为确保施工安全，必须加强对隧道的支护措施。此外，隧道穿越的山脊地形呈现南高北低的特征，进口段的横向山坡坡度介于35°～45°之间，而出口段的横向山坡坡度则约为35°。根据对洞顶地形横向坡度与隧道埋深的综合分析，可以判断隧道存在偏压现象。

2 隧道洞口段斜坡变形成因分析

2.1 掌子面塌方

2020年11月16日，隧道左洞ZK142+140处掌子面在开挖过程中出现小型塌方，主要集中在采用CD法施工的隧道左侧洞上方，塌方量约为200 m3，涌出物为风化严重且含泥量大的破碎岩体，顶部形成塌腔，如图4所示：

2.2 初期支护破坏

在2020年11月16日至2021年1月17日期间，隧道左洞ZK142+120至ZK142+140段的拱顶和拱腰部位出现了初期支护的剥皮开裂现象。与此同时，右洞K142+100至K142+120段的拱顶和拱腰部位也出现了类似的初期支护剥皮开裂现象。这些现象的发生表明隧道的稳定性和安全性受到了影响，如图5～8所示：

2.3 二次衬砌破坏

在2021年1月17日的现场检查中，在已完成二次衬砌施工的隧道左洞发现病害，桩号ZK142+168和ZK142+192

的仰拱及边墙处分别出现一道裂缝，其中ZK142+168处的仰拱裂缝纵向延伸长度约为3 m，而左洞该段的二次衬砌是在2020年11月浇筑完成的，如图9～10所示：

2.4 隧道洞口段后缘斜坡体变形破坏情况

在2020年12月20日，经过现场踏勘发现，距隧道出口段约45～70 m的后侧山体位置出现了一道明显的裂缝LF1，该裂缝的长度约为25 m，宽度在3～6 cm之间，可见深度达到20～30 cm，但并未观察到明显的错台现象，如图11所示。约10 d后，即2020年12月30日，在隧址区现场踏勘时，该隧道出口段的斜坡后缘山体山脊附近又发现一道更长的裂缝LF2，其长度约为90 m，宽度在2～10 cm之间不等，最大宽度甚至达到了15 cm，可见深度为30～50 cm，如图12所示。与裂缝LF1相似，LF2也未出现明显的错台，这条裂缝主要沿着山脊靠近大桩号的一侧分布。值得注意的是，裂缝距离左洞掌子面约90 m，而距离右洞掌子面则为56 m。在裂缝的小桩号侧，有一条由村民开挖的土沟，这条土沟已经存在了10年之久，主要用于防止牛羊穿越。土沟的宽度在1.5～2.0 m之间，深度为1.2～1.6 m。此外，在进行隧道中轴线复测时，发现其已向斜坡的外侧偏移了约2 cm。观测结果表明，斜坡体正在发生变形，对隧道的稳定性和安全性构成了威胁。

3 斜坡变形病害成因分析

洞口斜坡变形的发展由内而外。在2020年11月16日，隧道左洞ZK142+140处掌子面开挖过程中出现了小型塌方，如图4所示。同时，洞内监测的洞周收敛与拱顶沉降数据也出现了异常突变，如图13～14所示。经参建各方现场踏勘决定进行混凝土灌注填充塌腔，在填充施工过程中，掌子面上方岩土体再次塌方，且这次面积更大，高度更高。这一阶段隧道其他部分区域并未发现其他明显的工程病害，表明隧道洞内的塌方病害是首先出现，即由岩体内部的软弱裂隙带导致。因此，可以推断隧道掌子面的塌方并非导致斜坡山体产生后缘裂缝病害的主要原因。随着时间的推移，病害逐渐由洞内向洞外发展，2020年12月20日在隧道洞口段后缘山体地表出现了长约25 m的裂缝LF1，如图11所示。此时，洞内监测的拱顶沉降数据也出现了异常突变，如图14所示。该隧道洞内的初期支护也出现了剥皮开裂的现象，这表明塌方区域的土体正在加剧变形，并对地表裂缝的发展起到了促进作用，且已经明显影响了隧道结构，如图5～8所示。到2020年12月30日，隧道出口段的斜坡山体出现了明显的变形破坏，沿山脊附近又发现了一道长约90 m的裂缝，如图12所示。此时，隧道塌方区域的初支并未出现严重变形破坏，而是隧道洞口区域的二次衬砌发生了破坏，表明洞口区域发生了明显变形，如图9～10所示，左洞仰拱及边墙各出现了一处裂缝，这表明隧道的变形发展并不是诱发斜坡后缘山脊裂缝产生的主控因素，而是对斜坡的变形起到了加剧作用。自2020年11月16日发现掌子面坍塌至2020年12月30日发现后缘体90 m裂缝这段时间内，隧道左右洞继续开挖施工，左右洞已经分别掘进至ZK142+094和K142+060处，左右洞掌子面距塌方区域已有46 m和80 m距离，已经挖通隧道围岩体中的软弱裂隙带，所以伴随隧道施工的不断进行、裂隙带的逐渐贯通，导致斜坡体变形逐渐加重。因此，斜坡体岩体中的软弱裂隙带对斜坡的稳定性起到了控制性作用，而地下水的影响则可能进一步促进了斜坡的变形。所以，可以推断隧道开挖工程活动破坏了斜坡岩体中原有的完整软弱裂隙带结构，促进了其相互贯通，加速导致了土体的位移变形，导致该隧道工程病害的产生。

综上可知，该隧道开挖过程中的工程扰动对洞口斜坡稳定性产生了显著影响，导致后缘山体沿山脊出现了两道合计总长约115 m的裂缝。根据现场勘探、监控量测、钻探取样及物探数据分析可知，这一病害的形成原因主要有三个阶段：首先，隧道开挖引起的掌子面塌方造成洞口斜坡发生变形，进而牵引后缘坡体产生接近贯通的圆椅状裂缝；其次，隧道的变形带动斜坡产生位移变化，从而形成山脊裂缝；最后，隧道开挖促使斜坡基岩中的软弱裂隙带贯通，诱发斜坡滑动变形，进一步加剧隧洞掌子面的塌方和隧道的变形，二者相互促进发展。

4 结语

（1）由地质情况分析可知，该文所选隧道走线经过的K142+100至K142+140、K141+910至K142+940区域裂隙密集发育，在隧道开挖此段时应特别注意，做好超前支护，降低爆破强度，及时施作衬砌支护等施工措施，提高隧道围岩稳定性。隧道周边围岩局部区域（该文1.4节中的特定路段）含水量较大，在施工过程中应特别关注，并采取相应的防水措施以确保施工安全。

（2）隧道开挖工程活动破坏了斜坡岩体中的软弱裂隙带，并促使其相互贯通，诱发了斜坡体的蠕动变形和隧道掌子面的塌方。掌子面的塌方进一步加剧了斜坡体的变形积累和软弱裂隙带的贯通，二者相互促进发展，最终形成了由斜坡体前缘带动后缘的位移变形，逐渐发展成范围规模更大的圈椅状蠕动变形地质灾害。因此，可以得出结论：隧道开挖工程活动促进斜坡岩体中软弱裂隙带的贯通是诱发斜坡蠕动变形的主控因素，而掌子面的塌方则是斜坡体蠕动变形的具体表现，隧道的变形对斜坡体的蠕动起到了加剧作用。

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