黃土滑坡體對其正交下穿隧道的變形影響分析

李尚

摘要：挖掘、地震、降雨等原因會(huì)形成黃土滑坡體，并對其正交下穿隧道造成一定影響，甚至?xí){到鐵路或公路建設(shè)的安全，為此分析黃土滑坡體對其正交下穿隧道的變形影響非常必要。將某正交下穿隧道作為測試對象，使用管棚完成初期支護(hù)與超前支護(hù)，按照隧道方向布置6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，分別對黃土滑坡體位移和隧道收斂變形進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果對隧道變形進(jìn)行分析。測試結(jié)果表明：區(qū)域I黃土滑坡與隧道變形的概率均在10%以下，而其余4個(gè)區(qū)域黃土滑坡的概率在30%以上，變形概率均高于48%。由此可以說明，隧道周圍的黃土滑坡越嚴(yán)重，該隧道越容易出現(xiàn)變形。

關(guān)鍵詞：黃土；滑坡體；正交下穿；隧道；變形

0? ?引言

黃土滑坡現(xiàn)象是指在厚層濕陷性黃土的較高坡度區(qū)域中，由于混凝土塊體受自重影響a和相互作用，沿著較軟弱表面發(fā)生整體滑落的一類現(xiàn)象?；麦w的邊界部一般呈現(xiàn)圓弧，破裂壁會(huì)產(chǎn)生陡坎現(xiàn)象，從而產(chǎn)生較陡峭的滑面，一般出現(xiàn)在40°～60°濕陷性黃土谷坡的最上方或最下方。

濕陷性黃土滑坡體形成以后，坡表面的穩(wěn)定傾角在35°左右，并且常發(fā)生的區(qū)域?yàn)榈叵滤绯鎏?。而挖掘、地震以及降雨等原因都?huì)造成黃土滑坡體，并且會(huì)對其正交下穿的隧道造成一定影響，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使整個(gè)鐵路或公路的建設(shè)受到影響[1]。

正交下穿隧道即是將滑坡體軸流式與隧洞軸向運(yùn)動(dòng)成90°的交叉。按照與黃土地滑坡體正交下穿隧道的空間關(guān)系，可以將其分成在濕陷性黃土滑坡體內(nèi)、滑床內(nèi)和滑帶上3種情況。當(dāng)隧洞與黃土滑坡體屬于正交關(guān)系時(shí)，隧洞的建設(shè)過程很可能會(huì)由于擾動(dòng)現(xiàn)象，使得黃土滑坡體產(chǎn)生局部變化，進(jìn)而使整個(gè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生滑動(dòng)現(xiàn)象。這不僅會(huì)使黃土滑坡體上下方面的隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生斷裂，還會(huì)使隧洞總體和邊坡的穩(wěn)定性均受到嚴(yán)重破壞[2]。

目前，已有很多學(xué)者針對不同角度穿越隧道的黃土滑坡體的受力特征、變形機(jī)理等方面進(jìn)行了研究。而當(dāng)前的研究只針對隧道與滑坡體相對位置的分類及變形特征，并沒有將破壞的形式進(jìn)行明確，因此無法在出現(xiàn)問題后進(jìn)行及時(shí)整治。為此，有必要對黃土滑坡體及其對其正交下穿隧洞的變形作用加以深入研究。

1? ?工程概況

本文所研究的正交下穿隧道在某條客運(yùn)專線的西車輛段內(nèi)，該隧道長度約為1250m，為雙線淺埋的濕陷性黃土隧洞。隧道以約20°的小傾角下穿并與公路相接，下穿線路的總長度約為350m，其大致包括兩部分：正交下穿線路長度約215m，由公路正下方經(jīng)過，該區(qū)段的地埋深約為12m；兩側(cè)公路路塹邊坡下穿線路長度大約198m，該區(qū)段的臺(tái)地埋深約在12～26m左右[3]。

此外，試驗(yàn)路段在公路山體邊坡的其中一側(cè)寬度大約為35m。由于該隧道所在的土壤巖層為Q3砂質(zhì)濕陷性黃土巖層構(gòu)造，且土質(zhì)較為疏松，因此土壤的穩(wěn)定性也較差。該隧道挖掘的斷面相對較大，最大開挖跨度為17.2m，高為14.8m，最大開挖面積可以達(dá)到228m2，由此導(dǎo)致該隧道的地埋深度比較淺，施工難度非常大[4]。

2? ?正交下穿隧道初期支護(hù)

和隧道本身的巖層構(gòu)造一樣，濕陷的黃土滑坡體的硬度一般比較小，所以它容易產(chǎn)生大范圍的下沉。同時(shí)由于本身的承載比較小，使得整個(gè)建筑物的穩(wěn)定性較差，受水的沖擊也是非常巨大。如果發(fā)生被水浸泡的情況，則會(huì)使混凝土主體結(jié)構(gòu)處于比較飽和狀況，并也會(huì)使其本身的剛度被迫減小，進(jìn)而使質(zhì)量受到較大影響[5]。

該隧道內(nèi)的混凝土主體構(gòu)造都較為疏松，施工之后容易發(fā)生分層倒塌的情況。而分層的厚度通常僅為25～70cm左右，因此要求有較高的初期支護(hù)。而管棚則能夠增加黃土滑坡體對于隧道土質(zhì)巖層的強(qiáng)度與承載能力，在管棚施工中通過進(jìn)行注漿，不僅能提高其耐折彎的程度以及耐剪切能力，還能使管擋產(chǎn)生隔斷土質(zhì)巖層的效果[6]。

在隧道的試驗(yàn)路段，需采用雙邊墻導(dǎo)坑技術(shù)來完成開挖。需確定的支護(hù)參數(shù)包括：初期支護(hù)采用27A型式鋼梁、掛網(wǎng)噴混凝土，鋼梁長度為1.2m。在邊墻部分采用φ25mm錨桿進(jìn)行支撐，錨索長度為4.5m，寬度為1.2m，并根據(jù)管棚基礎(chǔ)形態(tài)加以設(shè)計(jì)。

超前支護(hù)則采用壁厚為10mm的φ172mm單層大管棚，管棚的間隔為45cm，并在拱頂115°范圍內(nèi)進(jìn)行操作。施工的總長度為72.5m，在掌子面上則采用φ27mm纖維錨索，其長度為10.5m，中間間隔為1.25m[7]。

3? ?正交下穿隧道變形監(jiān)測

3.1? ?監(jiān)測點(diǎn)布置

隨著隧道的方向進(jìn)行路線設(shè)計(jì)，在隧道正上方的黃土滑坡體表面進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)設(shè)置。監(jiān)測點(diǎn)1-1、1-2、1-3均設(shè)置在黃土滑坡體的軸線上，分別設(shè)置在滑坡體的坡腳、陡坡以及坡頂處三個(gè)區(qū)域。而監(jiān)測點(diǎn) 2-1、2-2、2-3則均設(shè)置在隧道的正上方，其中分別間隔30m，并沿著隧道縱向開挖的方向進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)布置，監(jiān)測點(diǎn)均處于黃土滑坡體的中間位置[8]。

3.2? ?監(jiān)測方案

當(dāng)隧道開挖到距離監(jiān)測點(diǎn)2-1下方30m時(shí)開始進(jìn)行監(jiān)測，而在經(jīng)過監(jiān)測點(diǎn)2-3下方30m停止監(jiān)測。隧道挖掘到第7d時(shí)，掌子面在監(jiān)測點(diǎn)2-1的正下方；隧道挖掘到第15d時(shí)，掌子面在監(jiān)測點(diǎn)2-2的正下方；而隧道挖掘到第21d時(shí)，掌子面則在監(jiān)測點(diǎn)2-3的正下方。整個(gè)過程使用全站儀來進(jìn)行監(jiān)測，豎直方向的沉降是監(jiān)測Z方向位移變化的數(shù)據(jù)顯示；而水平方向的位移是監(jiān)測N方向與E方向位移變化的數(shù)據(jù)顯示[9]。

而在對隧道進(jìn)行收斂變形監(jiān)測時(shí)，左洞經(jīng)過黃土滑坡體下方并進(jìn)行穿過，而右洞則沒有經(jīng)過黃土滑坡體。因此，需要選擇左、右兩個(gè)斷面完全相同的洞，并對其拱頂下沉與周邊收斂的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，在巖石屬性相同與深埋條件一致的前提下，對比黃土滑坡體隧道與正常隧道的變形[10]。

3.3? ?監(jiān)測結(jié)果分析

3.3.1? ?黃土滑坡體位移監(jiān)測結(jié)果

黃土滑坡體位移監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。由黃土滑坡體滑動(dòng)方向監(jiān)測到的位移數(shù)據(jù)可知：在豎直方向上，當(dāng)隧道挖掘到監(jiān)測點(diǎn)的下方時(shí)，黃土滑坡體的坡腳并沒有出現(xiàn)沉降；而黃土滑坡體的中部與頂部則沒有出現(xiàn)沉降，而經(jīng)過20d之后位移則不會(huì)出現(xiàn)變化，最終發(fā)生沉降的位移為10mm。

在水平方向上，當(dāng)隧道挖掘到監(jiān)測點(diǎn)斷面的下方時(shí)，黃土滑坡體的坡腳并沒有出現(xiàn)沉降；而滑坡體的中部位移變化較大，向南移動(dòng)18mm，向東則移動(dòng)7mm；滑坡體的坡頂位移變化較小，向南移動(dòng)4mm，向東移動(dòng)5mm。

由隧道方向監(jiān)測到的位移數(shù)據(jù)可知：在豎直方向上，當(dāng)隧道挖掘到監(jiān)測點(diǎn)的下方時(shí)，隧道上方的沉降出現(xiàn)急劇增加的狀態(tài)，而經(jīng)過10d后則不再增加。監(jiān)測點(diǎn)2-1出現(xiàn)沉降的距離為15mm，監(jiān)測點(diǎn)2-2出現(xiàn)沉降的距離為13mm，監(jiān)測點(diǎn)2-3出現(xiàn)沉降的距離為14mm。

在水平方向上，當(dāng)隧道挖掘到監(jiān)測點(diǎn)的下方時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)開始出現(xiàn)移動(dòng)的跡象，而經(jīng)過20d左右位移的變化相對趨于穩(wěn)定狀態(tài)。監(jiān)測點(diǎn)2-1向南移動(dòng)7mm，向東移動(dòng)8mm；監(jiān)測點(diǎn)2-2向南移動(dòng)9mm，向東移動(dòng)9mm；監(jiān)測點(diǎn)2-3向南移動(dòng)6mm，向東移動(dòng)6mm。

3.3.2? ?隧道收斂變形監(jiān)測結(jié)果

隧道拱頂出現(xiàn)下沉跡象以及收斂變形跡象時(shí)，所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)分別如表2和表3所示。

由表2中隧道拱頂下沉數(shù)據(jù)可知：正常隧道的斷面，在30d之后拱頂下沉的變化速率小于0.3mm/d，周圍巖壁的變化相對比較穩(wěn)定，累計(jì)下沉為25mm，平均下沉的速率為0.65mm/d；而黃土滑坡體的隧道斷面，在40d之后拱頂下沉的變化速率小于0.3mm/d，此時(shí)累計(jì)下沉為92mm，平均下沉的速率為1.875mm/d 。

由表3隧道收斂變形數(shù)據(jù)可知：正常隧道斷面的上臺(tái)階監(jiān)測到24d時(shí)，收斂速率為0.4mm/d，此時(shí)隧道下臺(tái)階的挖掘出現(xiàn)監(jiān)測中斷的跡象，累計(jì)收斂的距離為9mm，平均的收斂速率為0.5mm/d。下臺(tái)階監(jiān)測到24d時(shí)，收斂速率為0.15mm/d，此時(shí)累計(jì)收斂的距離為10mm，平均的收斂速率則為0.4mm/d。而黃土滑坡體隧道斷面的上臺(tái)階監(jiān)測到24d時(shí)，收斂速率為3mm/d，此時(shí)隧道下臺(tái)階的挖掘出現(xiàn)監(jiān)測中斷的跡象，累計(jì)收斂的距離為72mm，平均收斂速率3.4mm/d。下臺(tái)階監(jiān)測到24d時(shí)，收斂速率為0.25mm/d，此時(shí)累計(jì)收斂的距離為37mm，而平均的收斂速率則為1.3375mm/d。

3.3.3? ?黃土滑坡與隧道變形概率測試

通過以上討論，研究黃土滑坡體對其正交下穿隧洞的影響作用。選取黃土滑坡體隧道的測量目標(biāo)，對隧洞的應(yīng)變作出研究和測量。隧道變形越嚴(yán)重，則說明區(qū)域內(nèi)黃土滑坡越嚴(yán)重。根據(jù)這一論述，在黃土滑坡體隧道中隨機(jī)劃分5個(gè)區(qū)域，對隧道變形進(jìn)行測定，并記錄如表4所示。

根據(jù)當(dāng)前對于隧道變形的要求中規(guī)定，黃土滑坡的概率與隧道變形的概率均在10%以下。而由表4中記錄的數(shù)據(jù)可以看出，區(qū)域I剛好滿足這一規(guī)定，說明該區(qū)域內(nèi)隧道沒有出現(xiàn)明顯變形。而其他區(qū)域內(nèi)滑坡的概率均在30%以上，而變形的概率則均高于48%，說明其余4個(gè)區(qū)域的黃土滑坡體與隧道變形均有著明顯的變化。因此，通過上述結(jié)果能夠證明，隧道周圍的黃土滑坡越嚴(yán)重，該隧道越容易出現(xiàn)變形。

3.3.4? ?監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)對黃土滑坡體隧道監(jiān)測到的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)隧道挖掘到監(jiān)測點(diǎn)斷面下方時(shí)，經(jīng)過20d左右，整體位移的變化相對比較穩(wěn)定，測試監(jiān)測點(diǎn)的水平位移與下沉距離都比較小。但對于黃土滑坡體來講，其坡腳的位移變化相對比較小，滑坡體的中部位移變化最大，坡頂位移變化最小。綜上所述，黃土滑坡體的位移變化相對比較小。由此說明，隧道挖掘并沒有造成黃土滑坡體的滑動(dòng)，并且隧道挖掘?qū)麦w上部的位移影響比較小。

根據(jù)隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)可得，黃土滑坡體隧道的變形速率，拱頂下沉達(dá)到92mm，周邊收斂37mm，變形持續(xù)的時(shí)間在30～40d之間。在巖石屬性相同與深埋條件一致的前提下，對比黃土滑坡體隧道與正常隧道的變形可知，隧道的收斂變形、變形速率和變形持續(xù)時(shí)間均比黃土滑坡體之外的隧道要大。

4? ?結(jié)束語

挖掘、地震、降雨等原因會(huì)形成黃土滑坡體，并對其正交下穿隧道造成一定影響，甚至?xí){到鐵路或公路建設(shè)的安全，為此分析黃土滑坡體對其正交下穿隧道的變形影響非常必要。將某正交下穿隧道作為測試對象，使用管棚完成初期支護(hù)與超前支護(hù)，按照隧道方向布置6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，分別對黃土滑坡體位移和隧道收斂變形進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果對隧道變形進(jìn)行分析。

通過上述的測試可以證明，隧道周圍的黃土滑坡越嚴(yán)重，隧道越容易出現(xiàn)變形。但該測試全程在實(shí)驗(yàn)室的條件下進(jìn)行，沒有顧及到實(shí)際運(yùn)行時(shí)效果。因此在后續(xù)測試過程中，需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行更詳細(xì)的研究。本文所研究的結(jié)論還存在一定的不足之處，還必須對其進(jìn)行更為詳盡的研究和探討，使其所得出的結(jié)論能夠更為精確。

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