某公路隧道出口段斜坡變形成因機(jī)制及穩(wěn)定性分析

寧立宙，盧 波，劉先林，李明智

(1.廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530200；2.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

隧道進(jìn)出口段斜坡的穩(wěn)定性已成為復(fù)雜山區(qū)隧道工程面臨的主要問題[1]；受工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件和人類活動(dòng)等各種因素影響，不穩(wěn)定斜坡容易產(chǎn)生自然滑動(dòng)、蠕動(dòng)、崩塌等變形或失穩(wěn)跡象，不僅威脅到隧道的安全施工，也影響公路后期的安全運(yùn)營[2]。大量學(xué)者對斜坡的穩(wěn)定性問題進(jìn)行了研究，蘇玉杰等[3]以鷓鴣山隧道出口段斜坡的變形破壞情況為例，從地質(zhì)條件、降雨和人類工程活動(dòng)等方面分析了出口段斜坡的變形原因和后續(xù)發(fā)展趨勢，并采用剩余推力法對出口段斜坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了定量計(jì)算；李曉珍等[4]分析了馬萊高速公路某隧道出口已滑滑坡體和不穩(wěn)定斜坡體的穩(wěn)定性，并提出了相應(yīng)的治理措施；曾向東[5]基于基礎(chǔ)理論分析及實(shí)際中的具體應(yīng)用，對斜坡的穩(wěn)定性影響因素和評價(jià)方法做了簡單的分析；孔紅梅[6]采用圓弧滑動(dòng)法，對某不穩(wěn)定斜坡在不同工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了定量計(jì)算；成啟航[7]為查明云陽縣某斜坡體出現(xiàn)多種變形特征的原因，對整個(gè)斜坡變形體進(jìn)行了全方位勘察和穩(wěn)定性評價(jià)。雖然以上研究和工程實(shí)踐探索對于斜坡變形的原因和穩(wěn)定性的分析取得了一些經(jīng)驗(yàn)成果，但由于不穩(wěn)定斜坡自身變形特征和場地條件的差異，導(dǎo)致斜坡產(chǎn)生變形的原因不盡相同，應(yīng)有針對性地采取相應(yīng)的工程措施。

本文對某高速公路隧道出口段斜坡進(jìn)行了工程地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合工程地質(zhì)勘察結(jié)果，分析斜坡的變形特征和變形機(jī)理，揭示了隧道開挖后斜坡的變形成因機(jī)制，選取3個(gè)典型剖面，對斜坡在不同工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析與評價(jià)。研究結(jié)果可為相似工程提供參考和借鑒。

1 工程背景

斜坡位于某在建越嶺公路隧道出口處，隧道總體走向約為290°，進(jìn)出口端洞門均設(shè)計(jì)為端墻式洞門，隧道左線起止樁號為ZK141+875～ZK142+200，設(shè)計(jì)長度為325 m，進(jìn)出口路基設(shè)計(jì)高程分別為863.534 m和870.674 m，最大埋深約76 m；右線起止樁號為K141+887～K142+175，設(shè)計(jì)長度為288 m，進(jìn)出口路基設(shè)計(jì)高程分別為863.839 m和869.719 m，最大埋深約70 m。

隧道施工至左洞ZK142+140段掌子面時(shí)開始出現(xiàn)小型塌方，次日在對塌腔區(qū)域灌注C20混凝土過程中，后上方土體再次坍塌，塌腔的范圍和高度進(jìn)一步擴(kuò)大；一個(gè)月后在左洞ZK142+130段頂部左側(cè)山體地表約45～70 m處出現(xiàn)了一道長約25 m的裂縫，在此期間隧道左洞ZK142+120～ZK142+140段和右洞K142+100～K142+120段拱頂、拱腰位置初支均出現(xiàn)不同程度的開裂、剝皮、掉塊等現(xiàn)象，隨后隧道出口段斜坡出現(xiàn)變形破壞，經(jīng)地質(zhì)勘查發(fā)現(xiàn)斜坡山脊附近產(chǎn)生一道長約90 m的圈椅狀裂縫，復(fù)測隧道中軸線發(fā)現(xiàn)其向斜坡外側(cè)偏移約2 cm，威脅了隧道施工安全。

2 工程地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

斜坡所在區(qū)域山體連綿，地形起伏大，山脈走向與隧道走向大致垂直。地面高程為850.5～1 011.5 m，最大高差約為161.0 m，山體自然坡度約為25°～35°，斜坡山體發(fā)育有4條走向相近、走向約為0°～25°的沖溝，沖溝與在建隧道近似正交。沖溝切割深度為2～10 m，寬約為5～15 m，多呈“V”型，坡度較大。斜坡山前發(fā)育一條與隧道走向平行的沖溝，坡度較為平緩，沖溝內(nèi)流淌著一條自西向東的小溪，水流湍急，山上植被較發(fā)育。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧道區(qū)下伏基巖為砂巖夾泥巖，多以薄-中層狀構(gòu)造為主，裂隙多以風(fēng)化裂隙為主，發(fā)育密度大，巖層產(chǎn)狀為306°/SW∠46°(傾向坡內(nèi))，發(fā)育兩組優(yōu)勢節(jié)理產(chǎn)狀分別為J1：45°/NW∠25°、J2：28°/SE∠83°，自然坡面產(chǎn)狀為52°/NW∠28°；巖層產(chǎn)狀與坡面成大角度相交，屬逆向坡。隧道走向與自然坡面呈大角度相交，對邊坡穩(wěn)定有利。

2.3 地層巖性

斜坡山體主要分布有第四系殘坡積(Qel+dl)粉質(zhì)黏土及(T2l)強(qiáng)、中風(fēng)化砂巖層，其中強(qiáng)風(fēng)化層中含夾泥層，中風(fēng)化層含軟弱裂隙帶。斜坡上部覆蓋層為粉質(zhì)黏土，厚1.50～6.30 m；強(qiáng)風(fēng)化層厚5.20～28.50 m，其中分布有軟弱夾泥層，夾泥層呈條帶狀分布，長度約為150～200 m，傾向、傾角與坡面大致相同，連通性較好；夾泥層1埋深3.5～7.0 m，厚度為1.2～2.5 m；夾泥層2埋深12.5～15.0 m，厚度為0.5～2.0 m，穿越坡腳區(qū)域中風(fēng)化層，并向覆蓋層延伸；中風(fēng)化層中有軟弱裂隙帶，呈條帶狀分布，傾向、傾角與坡面大致相同，厚度為0.5～6.5 m，長度為10～75 m不等，沿斜坡面傾向、傾角斷續(xù)分布，容易相互貫通。

2.4 氣象、水文條件

隧道區(qū)地處低緯度地區(qū)，屬于南亞熱帶季風(fēng)型氣候，夏長冬短，太陽輻射較強(qiáng)，溫度較高，熱量豐富；氣候地域性和季節(jié)性差異大，年平均氣溫20.9 ℃，最高氣溫39.7 ℃，絕對最低氣溫-1.7 ℃，年平均降雨量為1 789.2 mm；5～8月為雨季，多暴雨，降水量占全年總量的2/3。場地內(nèi)地表水主要為斜坡山腳谷地小溪及大氣降水匯聚于山間沖溝形成的地表面流。其基巖裂隙通道發(fā)育，連通性好，排水能力強(qiáng)，斜坡體在大氣降水時(shí)，形成的地表面流能快速入滲補(bǔ)給地下水，沿裂隙徑流向坡腳谷地、低洼區(qū)域排泄。

3 斜坡變形特征

斜坡的后緣坡體山脊出現(xiàn)拉張裂縫，側(cè)向出現(xiàn)剪切裂縫；前緣坡腳有鼓脹隆起跡象；坡體蠕動(dòng)變形方向指向隧道出口端，蠕動(dòng)變形體主滑方向方位角為322°，近似由東南向西北滑動(dòng)，與在建隧道軸線方向約呈35°相交。主滑方向軸長約200 m，橫向軸長約165 m。蠕變體左右兩側(cè)、坡頂山脊區(qū)域處分布多條裂縫，形成了圈椅狀蠕變體周界，斜坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有產(chǎn)生整體滑動(dòng)破壞的可能。

4 斜坡變形成因分析

學(xué)者黃潤秋[8]認(rèn)為，不利的地形地貌是發(fā)生滑坡的最根本原因，強(qiáng)震、極端氣候、人類活動(dòng)等外在因素是大型滑坡發(fā)生的主要誘發(fā)因素。通過多個(gè)學(xué)者[9-11]對斜坡穩(wěn)定性的研究分析發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)條件、人類活動(dòng)和強(qiáng)降雨等往往是引起斜坡變形破壞的主因。結(jié)合本工程實(shí)際情況和地質(zhì)勘探結(jié)果，對斜坡變形成因進(jìn)行初步分析。

4.1 地質(zhì)條件

斜坡表面覆蓋粉質(zhì)黏土，厚度??；下層為強(qiáng)風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化砂巖，強(qiáng)風(fēng)化層中含有傾向、傾角與坡面大致相同的夾泥層，夾泥層在地表水與地下水滲入下力學(xué)性質(zhì)變差，容易產(chǎn)生變形；中風(fēng)化層含多層軟弱裂隙帶，沿著斜坡面傾向、傾角斷續(xù)分布，連通性好，在外界活動(dòng)觸發(fā)下，軟弱裂隙帶容易相互貫通，降低斜坡的穩(wěn)定性。

4.2 隧道施工

人類活動(dòng)是誘發(fā)斜坡變形的主要因素之一。隧道開挖引起周圍的巖土向隧道錯(cuò)動(dòng)，破壞原有土體的穩(wěn)定性，若斜坡在自然狀態(tài)下的穩(wěn)定性安全儲備不高，在人類活動(dòng)觸發(fā)下，則容易產(chǎn)生變形破壞。結(jié)合本工程情況，推測是隧道開挖破壞了斜坡基巖中分布的軟弱裂隙帶，促使軟弱裂隙帶相互貫通，使坡體失去原有的平衡狀態(tài)發(fā)生蠕動(dòng)變形。斜坡變形引起隧道掌子面塌方，掌子面塌方又加劇了斜坡變形。隨著隧道開挖施工的開展，基巖中軟弱裂隙帶不斷被貫通，隧道變形持續(xù)惡化，進(jìn)一步促使斜坡變形累積和軟弱裂隙帶相互貫通，二者相互促進(jìn)發(fā)展，形成現(xiàn)狀條件下，由斜坡前緣帶動(dòng)后緣位移變形，發(fā)展為范圍規(guī)模更大的較為典型的圈椅狀蠕動(dòng)變形地質(zhì)災(zāi)害外觀。

5 斜坡穩(wěn)定性預(yù)測分析評價(jià)

根據(jù)勘察資料顯示，坡體潛在發(fā)育有兩個(gè)層級蠕動(dòng)變形面，本次斜坡穩(wěn)定性計(jì)算主要計(jì)算不同剖面下兩個(gè)滑動(dòng)面的穩(wěn)定性。結(jié)合勘察資料及地質(zhì)勘探結(jié)果，選取C-C、D-D和E-E剖面作為計(jì)算剖面。

5.1 計(jì)算工況的確定

工程區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，計(jì)算時(shí)不考慮地震力的影響，因此計(jì)算工況主要為以下兩種。

工況1：天然工況(自重)。

工況2：暴雨工況(自重+暴雨)。

在天然工況下，土體重度采用天然重度，暴雨工況下土體重度采用飽和重度。根據(jù)《公路滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3334-2018)規(guī)定，確定道路滑坡防治等級為Ⅰ級，各工況的安全系數(shù)取值如表1所示。

5.2 參數(shù)的確定

綜合勘察、物探成果資料，利用GEO5 2021版土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析軟件，針對現(xiàn)狀條件下滑坡處于蠕動(dòng)變形狀態(tài)，按已知滑動(dòng)面及安全系數(shù)，反算滑動(dòng)面剪切參數(shù)，并按不同剖面的相應(yīng)層級蠕動(dòng)變形面參數(shù)取平均值作為最終該蠕動(dòng)變形面綜合取值參數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 蠕動(dòng)變形面參數(shù)取值表

5.3 斜坡穩(wěn)定性分析與評價(jià)

采用GEO5 2021版土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析軟件計(jì)算不同工況和不同剖面下斜坡兩個(gè)蠕動(dòng)面的剩余下滑力，按推測滑動(dòng)面及安全系數(shù)，以計(jì)算臨界穩(wěn)定狀態(tài)下最末端滑塊剩余下滑力為計(jì)算目標(biāo)，蠕動(dòng)變形面參數(shù)按表1選取，各工況下計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 坡體穩(wěn)定性情況分析表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，在天然工況下，蠕動(dòng)變形面①和蠕動(dòng)變形面②均處于欠穩(wěn)定-基本穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況下，蠕動(dòng)變形面①處于欠穩(wěn)定-穩(wěn)定狀態(tài)，蠕動(dòng)變形面②處于欠穩(wěn)定-基本穩(wěn)定狀態(tài)，需及時(shí)進(jìn)行支擋防護(hù)。蠕動(dòng)變形面參數(shù)反算時(shí)所確定的參數(shù)與穩(wěn)定性分析驗(yàn)算結(jié)果相一致，也反映出所確定的蠕動(dòng)變形面參數(shù)是合理可靠的。

5.4 斜坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析與評價(jià)

現(xiàn)狀條件下，結(jié)合勘探結(jié)果分析，已對斜坡坡腳進(jìn)行應(yīng)急反壓，反壓體頂面高程約為880 m，反壓高度達(dá)30 m。因C-C剖面為隧道出口區(qū)域，反壓體范圍并未延續(xù)至C-C剖面。采取反壓措施后，再次進(jìn)行斜坡穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算模型如圖1所示。

計(jì)算得出各剖面蠕動(dòng)變形面的剩余下滑力和穩(wěn)定性情況如表4所示。

由表4可知，在隧道出口段斜坡山體前緣坡腳應(yīng)急反壓作用下，各層級蠕動(dòng)變形面在天然工況與暴雨工況下處于基本穩(wěn)定-穩(wěn)定狀態(tài)，說明采取的反壓措施有效。

表4 應(yīng)急反壓后坡體穩(wěn)定性情況分析表

5.5 斜坡變形后續(xù)發(fā)展可能

目前隧道出口段斜坡在前緣坡腳反壓體作用下，暫時(shí)處于新的平衡狀態(tài)，斜坡山脊區(qū)域張拉裂縫及兩側(cè)剪切裂縫變形發(fā)展趨于慢速狀態(tài)，且目前對隧道掌子面區(qū)域已進(jìn)行了封閉回填，對斜坡變形控制起到了積極作用。后續(xù)隧道繼續(xù)掘進(jìn)施工時(shí)，會對斜坡內(nèi)部產(chǎn)生卸荷作用，以及隧道爆破掘進(jìn)對斜坡的震動(dòng)作用，都不利于斜坡穩(wěn)定，可能會進(jìn)一步促使斜坡變形發(fā)展。同時(shí)，若雨季來臨，大氣降水形成的地表面流會快速入滲補(bǔ)給，沿軟弱裂隙帶徑流排泄，軟化土體降低其力學(xué)性質(zhì)，增大斜坡下滑力，對斜坡穩(wěn)定起破壞作用，有誘發(fā)斜坡滑動(dòng)的可能，應(yīng)積極排除不利因素對斜坡穩(wěn)定性的影響，使斜坡逐步趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

(a)C-C剖面

6 結(jié)語

(1)隧道開挖促使斜坡基巖中軟弱裂隙帶相互貫通是誘發(fā)本工程斜坡變形的主要原因。

(2)現(xiàn)狀隧道出口段斜坡在前緣坡腳反壓體作用下，各層級蠕動(dòng)變形面在天然工況與暴雨工況下處于基本穩(wěn)定-穩(wěn)定狀態(tài)，后期在隧道施工、降雨等外界因素作用下，仍有誘發(fā)斜坡滑動(dòng)的可能，應(yīng)積極排除不利因素對斜坡的影響。

(3)斜坡蠕動(dòng)變形不良地質(zhì)治理要因地制宜，建議采用前緣坡腳反壓，后緣坡體卸荷相結(jié)合的措施，在隧道出口區(qū)域可通過延長隧道抗滑明洞的方式實(shí)施反壓，對因場地限制而未能實(shí)施反壓區(qū)域，采用多排抗滑樁進(jìn)行強(qiáng)支擋設(shè)防。

(4)隧道復(fù)工開挖應(yīng)在斜坡病害治理完成后進(jìn)行，在經(jīng)過軟弱裂隙帶和潛在滑動(dòng)面位置時(shí)采用短開挖、強(qiáng)支護(hù)的形式通過，同時(shí)做好超前預(yù)報(bào)和隧道監(jiān)控量測工作，嚴(yán)格控制隧道內(nèi)部土體變形，遵循“弱爆破、短進(jìn)尺、少擾動(dòng)、早噴錨、勤量測、緊封閉”等技術(shù)措施。