某隧道-多滑面滑坡斜交体系稳定性及综合处治技术研究*

陈云生,米德才,李洋溢,吴龙科

(1.广西交通设计集团有限公司,广西 南宁 530029;2.广西岩土灾害防治技术研究中心,广西 南宁 530029)

0 引言

我国山区因修建隧道而引发滑坡的事故屡见不鲜,给国民经济带来了巨大损失,因此,隧道-滑坡体系的变形及加固处治受到众多专家学者的关注。隧道-滑坡体系根据隧道走向与滑坡主滑方向的位置关系可分为平行、正交、斜交三种类型,隧道与滑坡的相互作用影响、力学分布特征、稳定性及变形规律是目前的研究热点之一,国内学者多借助地质调查、理论研究、数值分析、模型试验及监测分析等手段进行研究[1-4]。

针对隧道-滑坡斜交体系的处治,国内已有少量研究。张可能等[5]依托某隧道进口段滑坡应急抢险处治工程,借助数值模拟及监测,研究了采取锚索抗滑桩、锚杆框架梁等措施综合治理洞口滑坡的效果。冯冀蒙等[6]通过查阅文献,统计了隧道开挖诱发滑坡失稳的机理,得出了隧道-滑坡间相互作用的理论力学模型,总结了隧道-滑坡体系中滑坡及隧道加固措施。王亚琼等[7]对平阿高速青沙山隧道洞口滑坡进行了分区稳定性评价,提出了锚拉式抗滑桩及加强洞内支护等综合处治的加固办法,并对其进行了长期监测验证。崔永杰等[8]研究了秦岭某隧道出口滑坡的成因,采取了卸载、抗滑桩、锚索、综合排水等措施进行处治。邢军等[9]以某高等级公路隧道为研究对象,分析了隧道-滑坡体系变形机理,总结了地表注浆、锚索抗滑桩、管棚与小导管注浆的控制技术。刘海等[10]以川汶路改建工程某隧道为研究对象,分析了该隧道滑坡的基本特征,提出了超前小导管、短台阶法、及时封闭等洞内加固处治方案。刘运泽等[11]利用数值分析软件对抗滑桩、锚杆-锚索框架梁、坡脚回填反压等加固治理方案进行了优化设计,形成了一套洞口滑坡堆积体综合处治方案。张治国等[12]分别从滑坡处治和隧道结构加固两方面研究了隧道-滑坡相互作用影响的控制防护技术。

以上文献多为单滑面体系,关于复杂多滑面体系的研究甚少。本文以某高速公路隧道为案例,研究了该隧道出洞口复杂多滑面滑坡的类型及成因,在此基础上采用传递系数法进行稳定性分析,并提出了应急工程及永久工程相结合的综合处治方案。

1 工程概况

如图1所示,该隧道为小净距越岭隧道,左洞出口端掘进至ZK142+140、右洞掘进至K142+100时,左洞掌子面出现拱顶小型塌方,塌方量约为200m3,掌子面顶部形成6m高塌腔,随后对塌腔区域灌注C20 混凝土及小导管注浆加固,提高初支强度,开挖方式改为环形预留核心土三台阶法。当该隧道左洞掘进至ZK142+100、右洞掘进至K142+070、左洞仰拱支护至ZK142+123、右洞仰拱支护至K142+105、左洞二衬支护至ZK142+168、右洞二衬支护至K142+144时,左洞ZK142+120—ZK142+140段、右洞K142+100—K142+120段拱顶及拱腰位置初支出现开裂、剥皮、掉块等现象,同时,隧道出口段斜坡山体形成滑坡,地表出现大量拉张、剪切裂缝,裂缝逐步扩展并具有贯通趋势,危及隧道安全。

图1 隧道出口端滑坡平面Fig.1 Plan of landslide at the exit of the tunnel

2 滑坡特征

2.1 地质特征

隧道区属低山地貌,地震基本烈度为Ⅵ度,地形起伏大,沟谷发育,冲沟多为V形,冲沟坡度较陡,地表分布2～10m厚粉质黏土,下伏基岩为强～中风化砂岩,强风化层厚5～30m,砂岩层间含页岩软弱夹层,基岩内部存在条带状外倾节理裂隙破碎带,破碎带风化泥发育。隧道区岩层产状为 216°∠46°, 自然坡属逆向坡,发育2组优势结构面,分别为J1∶315°∠25°(4～5条/m)和J2∶118°∠83°(5～6条/m), 2组结构面粗糙,泥质充填,结合度差。

2.2 变形特征

2.2.1地表变形

隧道洞顶斜坡共发育11条裂缝,如图1所示,裂缝组合呈弧形,裂缝性质及规模如表1所示。

表1 滑坡地表主要裂缝特征Table 1 Characteristics of main cracks on the surface of landslides

2.2.2地下变形

隧道在施工过程中设置了地表及地下位移监测点,选取主滑面1—1′进行分析,该断面在ZK2,ZK3钻孔处(见图1)设置了深层位移监测,测斜孔深分别为50,60m,采用北斗智能化监测系统进行实时监测。依据测斜成果(见图2)可知,ZK2钻孔在地表以下15,37m处存在明显位移突变,结合钻孔及物探成果可确定该孔存在2个滑面,对应滑面位置为强～中风化交界面及中风化裂隙破碎带。ZK3钻孔在地表以下14,20,42m存在明显位移突变,对应存在3个滑面,滑面位置与钻孔所揭露的强风化破碎带、强～中风化交界面及中风化破碎带位置一致(见图3)。

图2 深部位移监测结果Fig.2 Results of deep displacement monitoring

图3 1—1′工程地质剖面Fig.3 Engineering geological profile of 1—1′section

2.3 滑坡性质及其规模

滑坡平面呈弧形,结合钻探、监测、物探及裂缝分布位置,可确定本滑坡共3个滑面,滑面具体形状及位置如图3所示。第1滑面位于强风化层内部,沿强风化层的节理裂隙破碎带产生滑动,滑体主要由强风化层组成;第2滑面位于强风化与中风化交界面,为隧道掘进至ZK142+140产生塌方的主滑面,滑体主要由强风化层组成;第3滑面位于中风化层内部,沿节理裂隙破碎带滑动,变形较小,属最深层滑面,滑体由强～中风化岩体组成。滑坡体平均厚度约为40m,体积约为112.5×104m3,依据 JTG/T 3334—2018《公路滑坡防治设计规范》,属巨型深层多滑面滑坡。滑坡主滑方向与隧道轴线呈34°相交,属隧道-滑坡斜交体系。

3 滑坡成因

1)斜坡岩土体特征 该斜坡强风化层及中风化层内部含条带状节理裂隙破碎带,破碎带及强～中风化接触带有利于地下水的汇集,且风化程度相对较高,风化泥含量大,遇水易软化,破碎带及风化界线顺斜坡方向发育,不利于斜坡稳定,是滑坡产生的内部因素。

2)人工因素 坡脚为隧道施工临时场地,场地建设开挖了斜坡的部分坡脚,改变了斜坡天然应力状态,降低了抗滑力;隧道左洞掘进至强～中风化交界带时产生拱顶塌方,塌方形成的塌腔促使第2滑动面产生蠕动变形;隧道爆破震动使岩体松散破碎,加大裂隙张开度,对滑动面的贯通起到加速作用。

3)降雨因素 强风化层属中～强透水层,中风化层属弱～中透水层,破碎带风化泥属弱透水层,降雨沿节理裂隙渗入,易在强～中风化界面及破碎带汇集,软化崩解岩土,降低滑面力学参数,同时使后缘岩土体自重增加,加大下滑力,不利于斜坡稳定,是滑坡产生的催化剂。

4 稳定性分析

依据《公路滑坡防治设计规范》,本工程无需考虑地震工况下的稳定性,故仅计算天然及暴雨工况下的稳定性,计算如式(1)～(3)所示：

(1)

ψi=cos(θi-θi+1)-sin(θi-θi+1)tanφi+1

(2)

Ri=Nitanφi+cili

(3)

式中：Ks为稳定系数;ψi为第i计算条块剩余下滑推力向第i+1计算条块的传递系数;Ri为第i计算条块滑动面上的抗滑力(kN/m);Ti为第i计算条块滑体在滑动面上的滑动分力(kN/m);Ni为第i计算条块滑体在滑动面法线上的反力(kN/m);θi为第i计算条块滑体的滑面与水平线夹角(°);φi为第i计算条块滑动面上岩土体内摩擦角标准值(°);ci为第i计算条块滑动面上岩土体黏聚力标准值(kPa);li为第i计算条块滑动面长度(m)。

4.1 力学参数

综合工程地质类比、室内试验及反算成果,滑坡计算所采用的参数如表2所示。

表2 岩土体物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of rock and soil mass

4.2 计算结果

选取典型剖面1—1′进行计算,计算结果如表3所示。

由表3可知,在天然状态下,第2滑面稳定性偏低,安全储备不足。在暴雨工况下,第1,3滑面稳定性偏低,第2滑面稳定性系数<1.00,处于失稳状态。第2滑面稳定性系数最低,该滑面位于强～中风化交界面,为主滑面,与实际隧道首次变形(拱顶塌方)位置相吻合。由监测结果可知,第1,3滑面处于蠕动滑动阶段,第2滑面的失稳会进一步牵引坡体内部节理裂隙带的贯通,导致第1,3滑面失稳,需进行处治。

5 综合处治

为彻底消除滑坡对隧道的安全隐患,对于大型复杂滑坡,采取分区、分期治理,在监测的基础上先采取有利于滑坡稳定的应急工程,应急工程与永久工程、洞内与洞外处治相结合,达到根治的目的,在保证滑坡整体稳定的基础上再进行隧道加固。典型处治断面如图4所示。

图4 滑坡综合处治示意Fig.4 The comprehensive landslide treatment

5.1 应急工程

5.1.1滑坡应急处治

1)对目前已出现的地表裂缝采用黏土填充夯实,表面浇筑水泥砂浆进行封堵。在裂缝附近山脊位置设置30cm厚C20混凝土截水沟,地表负地形设置坡面排水沟,减少地表水对隧道的影响。

2)在隧道右侧坡脚进行分级填土反压,反压前对坡脚软土进行换填片碎石处治,原斜坡设置反向台阶以确保反压体稳定。反压体最大高度为46m,每级坡高8m,级间设置C15混凝土平台,平台设置3%排水纵坡。反压体采用级配好的粗粒土,分层填筑,分层碾压,压实度≥90%,在临山侧设置纵横向渗沟,坡面采用骨架植草防护绿化。

3)对隧道左洞ZK142+140处塌方引起的扰动区域采用地表钢管群桩注浆加固,起到充填洞隙及抗滑双层作用。钢管设置 3排,间距2m,梅花形布置,单孔孔径220mm,孔内放置永久性钢管,管底标高低于隧道底板5m。注浆材料为P·O 42.5水泥净浆液,水灰比(0.6～0.8)∶1,采取自下而上分段注浆方式,桩顶设置钢筋混凝土系梁。

5.1.2隧道应急处治

隧道左洞ZK142+120—ZK142+140段、右洞K142+100—K142+120段初支开裂、剥皮、掉块严重,且监控量测数据持续预警,为保证施工安全,采取隧道洞内紧急抢险措施如下。

1)停止隧道掌子面掘进,挂φ8钢筋网并喷射10cm厚C25混凝土封闭掌子面。

2)隧道左洞ZK142+110—ZK142+150段、右洞K142+090—K142+130段回填洞渣反压,并在左洞ZK142+100—ZK142+140段、右洞K142+070—K142+120 段上台阶及回填洞渣表面浇筑50cm厚C25素混凝土临时仰拱封闭成环。

5.2 永久加固

1)在880.000m高程位置,左、右洞间及右洞右侧设置1排抗滑桩,桩径2.2m,间距4.0m,长24～30m,桩顶设置钢筋混凝土系梁。

2)左洞ZK142+120—ZK142+140段、右洞 K142+100—K142+120 段增加护拱,护拱采用I18,间距80cm,护拱钢架接头处设置I14加强纵向连接,于护拱两侧拱腰、拱脚处均设置φ42钢管锁脚。

3)左洞ZK142+120—ZK142+144段、右洞K142+100—K142+124段二次衬砌混凝土强度等级由C35改为C40加强。

5.3 处治效果

该隧道经处治后至今,地表及洞内未见新增裂缝。由图5,6可知,2021年8月22日处治前,第1～3滑面位移曲线呈陡升状,说明滑面持续变形,最大变形位于ZK2钻孔的第2滑面,最大值达170mm。8月22日至9月11日,随着坡脚及洞内反压、钢管群桩等应急加固措施的完成,变形曲线趋于收敛,日均变形量<0.5mm。9月11日后,随着抗滑桩、护拱及二次衬砌的施作完成,变形曲线呈近水平直线状,第1～3滑面日均变形量分别为0.01,0.06,0.01mm/d,说明隧道-滑坡斜交体系经处治后处于稳定状态,加固方案行之有效。

图5 ZK2钻孔滑面位移监测曲线Fig.5 Monitoring curves of sliding surface displacement of ZK2 borehole

图6 ZK3钻孔滑面位移监测曲线Fig.6 Monitoring curves of sliding surface displacement of ZK3 borehole

6 结语

1)本隧道-滑坡斜交体系存在3个滑面,属巨型深层多滑面滑坡。加固前,天然状态下第2滑面、暴雨工况下第1,3滑面稳定性储备不足,暴雨工况下第2滑面处于失稳状态,强风化与中风化交界面是本隧道产生塌方及变形的主滑面。

2)针对隧道-滑坡斜交体系的处治,应在确保滑坡整体稳定的基础上进行隧道加固,并进行分区、分期治理,在监测的基础上先采取应急工程,应急工程与永久处治相结合,达到根治的目的。

3)对于复杂滑坡,应采取多种手段相结合的综合防治措施。本隧道-滑坡斜交体系经坡脚反压、钢管群桩、抗滑桩及洞内反压、护拱、加强衬砌支护参数等综合措施处治后,地表及洞内未见新增变形,坡体及结构均处于安全状态。