隧道洞口段開挖誘發(fā)順層滑坡特征及機(jī)理分析*

樊 榮 程 強(qiáng) 趙海松

(1.中鐵一局集團(tuán)第四工程有限公司 咸陽 712000； 2.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 成都 610041)

順層邊坡為層面傾向與邊坡臨空面方向基本一致的邊坡。山區(qū)道路工程在順層結(jié)構(gòu)邊坡段落布線，開挖邊坡誘發(fā)邊坡變形失穩(wěn)問題突出、防治難度大。研究順層開挖邊坡的失穩(wěn)破壞模式和機(jī)理，是科學(xué)合理采取防治措施的基礎(chǔ)。順層開挖邊坡破壞類型眾多、機(jī)理復(fù)雜。李安洪等[1]總結(jié)了8種順層邊坡開挖的失穩(wěn)破壞模式，認(rèn)為順層滑移、滑移-拉裂等為最常見的破壞模式，提出邊坡宜先加固后開挖。馮君等[2]研究認(rèn)為順層邊坡開挖可能沿坡腳整體順層滑移破壞，宜邊開挖邊支護(hù)。李得建等[3]認(rèn)為階梯狀滑動(dòng)順層巖質(zhì)滑坡在工程中較為常見，其巖橋和節(jié)理特性對階梯狀滑動(dòng)面的形成至關(guān)重要。

目前雖然對順層開挖邊坡失穩(wěn)破壞模式和機(jī)理研究較多[4]，但不同開挖方式、不同巖層傾角和巖性組合順層結(jié)構(gòu)邊坡失穩(wěn)破壞的影響因素眾多。已有研究多是針對路塹邊坡開挖邊坡順層滑動(dòng)問題，而針對隧道洞口段開挖誘發(fā)的順層邊坡問題研究較少。本研究針對沐川至馬邊高速公路石梁子隧道洞口段開挖誘發(fā)順層邊坡巖體變形失穩(wěn)問題，擬分析研究隧道洞口段開挖誘發(fā)邊坡失穩(wěn)破壞特征及形成機(jī)理，為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程地質(zhì)概況

沐川至馬邊高速公路全長43.8 km，位于四川省南部山區(qū)。場地主體構(gòu)造為北東向延伸的五指山背斜和利店向斜。高速公路主要沿五指山背斜的北西翼布線。沿線出露地層主要為侏羅系沙溪廟組、遂寧組等，巖性主要砂泥巖互層。層面傾角在10°～35°的順層斜坡在沿線廣泛分布。項(xiàng)目勘察中發(fā)現(xiàn)14處大型順層滑坡災(zāi)害，設(shè)計(jì)中采取了大量順層邊坡加固措施，施工中仍誘發(fā)多處滑坡災(zāi)害。其中石梁子隧道洞口段開挖，誘發(fā)左側(cè)邊坡巖體順層滑移。

石梁子隧道為沐川至馬邊高速公路上的雙線隧道，左線和右線長分別為978 m和1 029 m，隧道凈間距18.7 m，隧道寬13.02，10.62 m。隧道進(jìn)口位于順層邊坡坡腳，邊坡區(qū)出露基巖為侏羅系沙溪廟組砂泥巖互層，層面傾角為335°∠30°，層面傾向近似垂直于隧道軸線，巖體中發(fā)育有與層面平行的軟弱夾層，石梁子滑坡地質(zhì)平面圖見圖1。

隧道由進(jìn)口方向向出口方向掘進(jìn)，采用臺(tái)階法開挖。左洞于2018年3月15日進(jìn)洞開挖，洞口樁號(hào)ZK36+662；隧道右洞于2018年3月5日進(jìn)洞開挖，洞口樁號(hào)K36+705。截止2018年4月17日，左洞上臺(tái)階掌子面掘進(jìn)至ZK36+701.6，下臺(tái)階開挖至 ZK36+666.8，開挖后完成初期支護(hù)；右洞上臺(tái)階掌子面掘進(jìn)至K36+766.8，下臺(tái)階開挖至 K36+755.4；K36+705-K36+742.2段完成二次襯砌，其余段落完成初期支護(hù)。

研究區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，根據(jù)距離滑坡場地7.8 km的馬邊氣象站氣象資料，1980-2020年間年平均降水量為1 002.3 mm，其中最大年降水量1 296.5 mm，出現(xiàn)在2018年。

2 滑坡過程及特征

石梁子滑坡位于石梁子隧道左側(cè)，隧道左洞擠壓變形見圖2。

圖2 隧道左洞擠壓變形

滑坡剪出口位于左線隧道左側(cè)拱腳附近，滑坡后緣位于順層斜坡上部?；驴v向長170 m，橫向?qū)?0 m，平面面積約9 800 m2。鉆探揭示滑體最大厚度24 m，估算滑坡方量約20×104m3。

2.1 滑坡過程及特征

滑坡發(fā)生于2018年4月18日，其后經(jīng)歷了近1個(gè)月的漸進(jìn)變形過程，滑坡區(qū)范圍不斷擴(kuò)大。根據(jù)失穩(wěn)過程和地形地質(zhì)特征，滑坡區(qū)劃分為初始滑動(dòng)區(qū)(I區(qū))、牽引滑動(dòng)區(qū)(II區(qū))和擠壓變形區(qū)(III區(qū))3個(gè)區(qū)?；率Х€(wěn)過程及特征如下。

1)I區(qū)初始滑動(dòng)(2018-04-18)。I區(qū)的順層滑動(dòng)發(fā)生于2018年4月18日約04：00。寬1～3 m的拉裂縫(見圖1中①號(hào)裂縫的BC段)出現(xiàn)在左線隧道左側(cè)50 m，延長約36.4 m?；碌幕瑒?dòng)導(dǎo)致左線隧道洞口擠壓成倒“V”形，見圖2。I區(qū)平面面積約1 905 m2，估算失穩(wěn)方量約1.8×104m3。滑體呈整體順層滑動(dòng)的特征，坡面植被和噴射混凝土保存完好。

2)II區(qū)漸進(jìn)式變形(2018-04-19～2018-05-16)。I區(qū)滑動(dòng)后，II區(qū)觀察到6條細(xì)微裂縫(見圖1中裂縫②～⑦)，隨后裂縫不斷增多和擴(kuò)大，呈漸進(jìn)式破壞特征。2018年4月19日裂縫③和⑥分別擴(kuò)展到③-1和⑥-1。2018年5月14日，坡面出現(xiàn)裂縫裂⑧和⑨，裂縫③、③-1和⑥-1寬度增大，并在裂縫⑦附近出現(xiàn)多條羽狀裂縫。

滑坡發(fā)生后在滑坡區(qū)布置了6個(gè)地表變形監(jiān)測點(diǎn)，采用全站儀觀測。地表變形監(jiān)測點(diǎn)時(shí)間-位移曲線及降雨量見圖3。

圖3 地表變形監(jiān)測點(diǎn)時(shí)間-位移曲線及降雨量

監(jiān)測點(diǎn)的時(shí)間-位移曲線較好說明了滑坡區(qū)變形的不斷發(fā)展過程。監(jiān)測期間M1、M2、M3和M4監(jiān)測點(diǎn)的變形量分別為430，317，328和288 mm，表明滑坡地表變形量由前向后逐漸減小。在2018年4月19-5月12日，監(jiān)測點(diǎn)變形線性增長，隨后在2018年5月12-14日期間變形加速，2018年5月15日變形速率突然快速增大。

III區(qū)為II區(qū)滑動(dòng)產(chǎn)生的側(cè)向擠壓變形區(qū)。在2018年5月14日的18：30在隧道右洞二次襯砌出現(xiàn)寬0.5～5 mm的裂縫，表明II區(qū)巖體較大的滑動(dòng)變形擠壓III區(qū)巖體產(chǎn)生一定的變形，從而導(dǎo)致右洞隧道二次襯砌開裂。

3)II區(qū)巖體順層滑動(dòng)(2018-05-17)。II區(qū)巖體在2018年5月17日的00：00產(chǎn)生滑動(dòng)，滑坡左側(cè)的裂縫③、③-1、④和⑨加寬并貫通；延伸長度約80 m、寬0.2～0.9 m的裂縫⑩出現(xiàn)在滑坡右側(cè)邊界，表明II區(qū)巖體加速滑動(dòng)變形。2018年5月17日晨，右洞二次襯砌中裂縫擴(kuò)大到0.5～10 mm，且裂縫數(shù)量和范圍擴(kuò)大，表明II區(qū)巖體的加速滑動(dòng)變形進(jìn)一步擠壓III區(qū)巖體產(chǎn)生變形。

4)應(yīng)急加固(2018-05-17～2018-09-07)。2018年5月17日后采取了前緣反壓、左線和右線隧道之間設(shè)置1排抗滑樁的方式進(jìn)行應(yīng)急搶先加固(見圖1)。應(yīng)急搶先加固工程在2018年9月7日完成，之后滑坡區(qū)趨于穩(wěn)定。

2.2 滑體結(jié)構(gòu)及滑動(dòng)面

滑坡發(fā)生后，在滑坡區(qū)布置了9個(gè)鉆孔(見圖1)。鉆孔采用雙管單動(dòng)取芯工藝，采取的原狀巖芯樣品能夠清晰揭示滑坡體的特征。通過對鉆孔巖芯的現(xiàn)場鑒別，確定滑動(dòng)帶的位置，繪制滑坡地質(zhì)縱剖面圖見圖4。典型滑體及基巖照片見圖5。

圖4 滑坡橫剖面圖

圖5 典型滑體及基巖原狀巖芯照片

通過詳細(xì)的編錄和分析得出滑體、滑帶和基巖特征如下。

1)整體滑動(dòng)的滑體。石梁子隧道為基巖順層滑坡，呈現(xiàn)巖體整體滑動(dòng)特征。鉆探揭示滑體呈“假基巖”特征，滑體層狀原巖結(jié)構(gòu)清晰，滑體較基巖更為破碎，巖芯中見滑坡滑動(dòng)而產(chǎn)生的拉裂縫和微裂隙，見圖5a)?；w在靠近滑動(dòng)面的部位受剪切錯(cuò)動(dòng)的影響更加破碎。

2)滑動(dòng)帶?？碧姐@孔中有8個(gè)鉆孔揭示了2～10 cm厚的滑帶?；瑤Э梢姸鄬踊瑒?dòng)面，在滑動(dòng)面附近可見薄的泥化層，滑帶之間為透鏡狀碎裂巖體、砂泥巖角礫等，表明了滑體滑動(dòng)時(shí)滑帶的剪切錯(cuò)動(dòng)特征。

3)基巖?；瑒?dòng)面以下為砂泥巖互層的基巖，巖體完整性明顯好于滑體，見圖5b)。受滑動(dòng)面剪切錯(cuò)動(dòng)影響，多個(gè)鉆孔在滑動(dòng)面下方見最大厚度約30 cm的剪切錯(cuò)動(dòng)帶。

3 滑坡形成機(jī)理分析及處治

3.1 滑坡形成機(jī)理分析

分析石梁子隧道進(jìn)洞開挖誘發(fā)滑坡及持續(xù)漸進(jìn)性變形的原因，主要為如下方面。

1)不利的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。順層結(jié)構(gòu)邊坡是最容易產(chǎn)生滑坡災(zāi)害的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，層面往往成為邊坡巖體失穩(wěn)變形的邊界面。石梁子隧道左側(cè)邊坡為順層結(jié)構(gòu)邊坡，且?guī)r體中發(fā)育有軟弱結(jié)構(gòu)面。巖體中軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度低、浸水后易軟化，對邊坡巖體穩(wěn)定極為不利。

2)工程開挖。石梁子隧道左洞在順層結(jié)構(gòu)邊坡坡腳開挖進(jìn)洞，雖然隧道開挖形成的臨空面較小(寬13.02 m，高10.62 m)。但左洞進(jìn)口段屬淺埋偏壓段，尤其是發(fā)生滑坡的LK36+662-LK36+710段洞頂最大埋深僅10 m。隧道進(jìn)口段開挖易于在洞身左側(cè)和拱頂產(chǎn)生較大的圍巖變形，為邊坡巖體的滑移創(chuàng)造了條件。

3)降雨的作用。根據(jù)馬邊氣象站降雨資料，自左洞進(jìn)洞開挖至I區(qū)滑動(dòng)(2018-03-15～2018-04-17)的33 d內(nèi)累計(jì)降雨量78.1 mm，I區(qū)滑動(dòng)前10 d的累計(jì)降雨量3.9 mm，顯然降雨不是觸發(fā)I區(qū)滑體滑動(dòng)的因素。而II區(qū)滑動(dòng)前6 d內(nèi)無降雨，其變形不斷發(fā)展直至滑動(dòng)的30 d內(nèi)(2018-04-17～2018-05-17)累計(jì)降雨量44.7 mm。因此降雨對II區(qū)滑坡變形漸進(jìn)性發(fā)展有一定促進(jìn)作用，但不是直接觸發(fā)因素。

4)軟弱夾層應(yīng)變軟化的力學(xué)特性。如上分析可見，石梁子滑坡經(jīng)歷了長時(shí)間的持續(xù)漸進(jìn)性變形過程(見圖3)。分析滑坡漸進(jìn)性破壞的原因，主要在于滑坡中軟弱夾層的應(yīng)變軟化力學(xué)特性。

研究表明軟弱夾層具有明顯的應(yīng)變軟化特征[5]，應(yīng)變軟化即材料達(dá)到峰值抗剪強(qiáng)度后，變形持續(xù)增加而應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象，應(yīng)變軟化模型見圖6。

圖6 應(yīng)變軟化模型

由圖6可見，在I區(qū)滑體滑動(dòng)后，II區(qū)滑體即產(chǎn)生拉裂變形現(xiàn)象，表明巖體中的軟弱面(潛在滑動(dòng)面)剪應(yīng)力接近其峰值抗剪強(qiáng)度，在隨后的長期剪應(yīng)力作用下，軟弱夾層材料軟化，強(qiáng)度逐步降低，導(dǎo)致變形不斷發(fā)展，最終破壞。

3.2 滑坡處治與反思

滑坡發(fā)生后，根據(jù)滑坡機(jī)理分析結(jié)合場地條件，先后進(jìn)行如下應(yīng)急工程處治和永久工程處治。

1)應(yīng)急工程處治。隧道左洞工程開挖是誘發(fā)順層結(jié)構(gòu)坡體滑動(dòng)的直接誘因，為快速穩(wěn)定滑坡體，在滑坡前緣采取反壓堆載以穩(wěn)定滑坡體。同時(shí)為保障右洞安全，在左、右洞之間增設(shè)抗滑樁(圖1中支擋(1))。應(yīng)急加固后監(jiān)測表明滑坡區(qū)監(jiān)測點(diǎn)變形不再發(fā)展，滑坡區(qū)趨于穩(wěn)定。

2)永久處治措施。應(yīng)急加固后滑坡區(qū)雖然穩(wěn)定，但隧道左洞恢復(fù)施工依然會(huì)對順層坡腳進(jìn)行開挖。因此在左洞左側(cè)增設(shè)1排抗滑樁(圖1中支擋(2))，以保障左洞施工開挖過程中滑坡體的穩(wěn)定。同時(shí)采取了右洞接長40 m明洞、設(shè)置完善坡面截排水措施等，以保障滑坡體的穩(wěn)定?；绿幹喂こ淌┕ね瓿珊?，再恢復(fù)左洞施工?；戮C合處治完成后，隧道順利貫通，2020年底已通車，運(yùn)營過程中滑坡穩(wěn)定。

石梁子隧道案例分析表明洞口淺埋段隧道工程開挖同樣會(huì)誘發(fā)順層結(jié)構(gòu)邊坡巖體的滑移變形。因軟弱夾層具有應(yīng)變軟化特性，順層邊坡開挖后會(huì)產(chǎn)生漸進(jìn)式失穩(wěn)變形。若在石梁子隧道工程開挖前采取預(yù)加固措施，則支擋結(jié)構(gòu)抗力只需考慮I區(qū)滑體部分，軟弱層面抗剪強(qiáng)度可采用峰值強(qiáng)度。而在工程開挖誘發(fā)I區(qū)和II區(qū)巖體滑動(dòng)后，軟弱夾層滑動(dòng)變形導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度參數(shù)大幅度降低，極大增加了作用在支擋結(jié)構(gòu)上的下滑力，從而增大了防治結(jié)構(gòu)工程量。因此順層結(jié)構(gòu)邊坡開挖前，采取預(yù)加固措施，即能保障工程安全，又能大幅節(jié)約加固工程量和工程造價(jià)。

4 結(jié)語

1)石梁子滑坡可劃分為I區(qū)、II區(qū)和III區(qū)。I區(qū)滑體由石梁子隧道左洞進(jìn)口段開挖誘發(fā)；II區(qū)為I區(qū)滑體的牽引變形區(qū)，呈漸進(jìn)式破壞的特征；III區(qū)為II區(qū)滑體滑動(dòng)的擠壓變形區(qū)。

2)砂泥巖互層結(jié)構(gòu)順層結(jié)構(gòu)邊坡巖體中發(fā)育由軟弱結(jié)構(gòu)面，具有應(yīng)變軟化特征，開挖邊坡往往具有漸進(jìn)式破壞特征。順層邊坡施工開挖采取預(yù)加固結(jié)構(gòu)，潛在失穩(wěn)巖體范圍較小且軟弱結(jié)構(gòu)面可采用峰值抗剪強(qiáng)度；而發(fā)生漸進(jìn)式破壞的邊坡加固結(jié)構(gòu)需考慮更大失穩(wěn)區(qū)巖體的支擋，且軟弱結(jié)構(gòu)面需采用軟化后較低的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。因此順層結(jié)構(gòu)邊坡隧道工程偏壓進(jìn)洞宜采取預(yù)加固措施。