黃土地區(qū)公路工程擾動(dòng)誘發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害研究與分析

劉錦釧

（中路黃河（山西）交通科技集團(tuán)有限公司，山西太原 030006）

0 引言

為了響應(yīng)國(guó)家“一帶一路”的發(fā)展戰(zhàn)略，促進(jìn)中西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，交通運(yùn)輸部提出了交通網(wǎng)絡(luò)2035 發(fā)展規(guī)劃，將在中西部地區(qū)新建大量高速公路，不可避免會(huì)穿越黃土地區(qū)。而黃土的特殊工程地質(zhì)性質(zhì)會(huì)帶來諸多工程問題，尤其當(dāng)黃土作為工程載體時(shí)，其問題尤為突出。此外，在山區(qū)建設(shè)高速公路，會(huì)出現(xiàn)大量隧道工程，這對(duì)于脆弱的黃土地質(zhì)條件是非常大的擾動(dòng)，這種工程活動(dòng)引起的次生地質(zhì)災(zāi)害可能會(huì)誘發(fā)更多工程問題。

針對(duì)隧道-邊坡體系，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了豐富的研究。孫明磊等[1]通過建立FLAC3D 三維數(shù)值模型，研究了不同空間位置下的滑坡誘發(fā)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力及變形特征變化規(guī)律。周文皎[2]系統(tǒng)分析了滑坡-隧道體系的相互作用機(jī)制，并提出了變形控制對(duì)策。趙金等[3]研究了平行體系中隧道-洞口滑坡的力學(xué)特征及變形規(guī)律，推導(dǎo)了隧道內(nèi)力計(jì)算模型。高巖等[4]通過開展室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)降雨條件下隧道-滑坡體系災(zāi)害演進(jìn)機(jī)制進(jìn)行研究。李洋溢等[5]研究了大跨度隧道洞口滑坡的成因，并提出了加固措施。王永俊等[6]在對(duì)隧道洞口的滑坡進(jìn)行處置后，采用長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)方法評(píng)價(jià)了防護(hù)的有效性。王劍非等[7]借助數(shù)值模擬手段對(duì)滑坡成因、隧道變形進(jìn)行了深入的分析研究。周琪等[8]采用有限元模型對(duì)隧道開挖過程中的滑坡蠕變行為進(jìn)行了研究。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于工程擾動(dòng)誘發(fā)滑坡，以及滑坡引起次生災(zāi)害的研究較多。但是很多研究局限于數(shù)值分析和理論推導(dǎo)，并依托實(shí)際工程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，但是由于研究對(duì)象不同，研究結(jié)果很難具有普適性，尤其是在隧道上方同時(shí)發(fā)育多種不同類型的滑坡時(shí)，力學(xué)與變形特征更加復(fù)雜。因此，依托實(shí)體工程，開展“滑坡-隧道”相互作用機(jī)理、監(jiān)測(cè)預(yù)警及變形控制技術(shù)研究具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 工程概況與方法

1.1 工程概況

該研究依托于黃土高原某處高速公路邊坡，該邊坡地貌上屬黃土丘陵區(qū)，位于隧道之上。隧道坡體及隧道結(jié)構(gòu)病害主要發(fā)生在隧道及路塹左側(cè)邊坡處，在隧道上部坡體左側(cè)還發(fā)現(xiàn)有圓弧形陡坎及張拉裂縫，在隧道部位坡體地表局部排水溝發(fā)現(xiàn)有擠壓變形現(xiàn)象。隧道上部坡體東側(cè)發(fā)現(xiàn)有圓弧形黃土斜坡陡坎，陡坎下右側(cè)平臺(tái)上地表出現(xiàn)明顯的張裂縫，裂縫方向與陡坎走向基本平行，裂縫寬度為3～5 cm，長(zhǎng)8～15 m。隧道內(nèi)裂縫共有97 條，以水平裂縫、斜向剪切裂縫為主。裂縫大多較細(xì)小，寬度1～3 mm 為主，剪切錯(cuò)動(dòng)不明顯，一般不超過2 mm。部分沿隧道襯砌伸縮縫發(fā)育的垂直張裂縫，最大的張裂縫位于隧道右邊墻至拱頂，寬約23 mm，深50 cm，錯(cuò)臺(tái)8 mm。在路塹左側(cè)邊坡的一級(jí)平臺(tái)到三級(jí)邊坡的中部，已經(jīng)形成不連續(xù)的近水平裂縫（裂縫寬度1～4 cm）和鼓脹現(xiàn)象、錯(cuò)臺(tái)及排水溝渠壁傾斜。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法

通過監(jiān)測(cè)邊坡及隧道結(jié)構(gòu)變形，評(píng)估邊坡體的穩(wěn)定狀態(tài)，預(yù)測(cè)邊坡變形發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)因滑坡造成的隧道病害演化規(guī)律的研究提供依據(jù)。

監(jiān)測(cè)的主要任務(wù)是對(duì)邊坡和隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，掌握控制邊坡穩(wěn)定性的各種參數(shù)和因素隨時(shí)間和空間上的變化過程，為后續(xù)養(yǎng)護(hù)方案提供數(shù)據(jù)支撐。采用地表GNSS 對(duì)邊坡表層的變形特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)。共設(shè)置了4 處監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為D-01、D-02、D-03、D-04，位于斜坡的4 個(gè)方位，如圖1所示。

1.3 數(shù)值模擬

通過現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)，在隧道洞口段，災(zāi)害發(fā)育明顯，在結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了明顯的裂隙，因此，為了明確該區(qū)域的發(fā)育特征，開展了數(shù)值模擬研究。數(shù)值模型如圖2所示，在墻體與土體接觸帶設(shè)置A、B、C 三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)分別監(jiān)測(cè)墻體不同位置的變形情況。

圖2 滑坡-洞門模型數(shù)值分析網(wǎng)格圖

該次計(jì)算的參數(shù)取值如表1所示，其中支擋結(jié)構(gòu)及襯砌采用混凝土，墻后土體采用高含水量土體，其余土體采用正常狀態(tài)。

表1 強(qiáng)度參數(shù)取值

2 研究結(jié)果

2.1 隧道洞口段變形特征

整體變形集中于墻與土體接觸部位，墻體受到土體的側(cè)向土壓力，發(fā)生水平方向的推移以及豎直方向的剪切變形（圖3）。

圖3 整體剪應(yīng)變速率

墻體受到土體壓力，有向外變形的趨勢(shì)，由于兩端受到側(cè)向約束，導(dǎo)致力會(huì)傳遞到中間位置，由此形成較大曲率的變形，由中心向兩側(cè)變形量逐漸變?。▓D4）。整體受到拉張應(yīng)力，由此造成墻體縱向開裂和垮塌。在洞頂處，結(jié)構(gòu)薄弱，容易造成應(yīng)力集中，并且在施工過程中采用拼接式方法，更容易在該位置發(fā)生開裂。

圖4 墻-土接觸帶受力特征

2.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

D-01 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于隧頂排水溝東側(cè)舊院落北側(cè)坡頂，從圖5 中可看出：高程方向由于精度比平面方向低，所以波動(dòng)幅度較平面大。X方向位移量約8 mm；Y方向位移量約36 mm，方向向西；高程方向幾乎不變。

圖5 D-01監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形結(jié)果

D-02 監(jiān)測(cè)點(diǎn)和D-03 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于隧道加固段上方坡體。從圖6 和圖7 可看出，兩測(cè)點(diǎn)X方向和高程方向位移無明顯增大趨勢(shì)，僅Y方向位移有增大趨勢(shì)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)D-02 位移量達(dá)到38 mm，監(jiān)測(cè)點(diǎn)D-03 位移量達(dá)到30 mm。

圖6 D-02監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形結(jié)果

圖7 D-03監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形結(jié)果

D-04 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于隧道端洞門西北角。從圖8 可看出，測(cè)點(diǎn)X方向有一向北緩慢增大趨勢(shì)，位移量達(dá)到約10 mm；高程方向位移無明顯增大趨勢(shì)；Y方向位移有增大趨勢(shì)，位移量達(dá)到25 mm。

圖8 D-04監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形結(jié)果

從圖8 可看出，邊坡水平方向位移量比高程方向波動(dòng)稍大，同GNSS 水平方向監(jiān)測(cè)精度5 mm±1 ppm 精度吻合。邊坡高程方向位移量值比水平方向大，這與GNSS 高程方向監(jiān)測(cè)精度10 mm±1 ppm 精度吻合。邊坡高程方向無明顯增大趨勢(shì)。邊坡Y方向（垂直于坡面方向）有增大趨勢(shì)，位移量達(dá)到25～38 mm，但經(jīng)對(duì)基站的IGS 解算，發(fā)現(xiàn)基站有一沿Y方向（與監(jiān)測(cè)點(diǎn)相反），且量值約40 mm 左右的位移量。

綜上所述，監(jiān)測(cè)邊坡坡表變形暫處于穩(wěn)定狀態(tài)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬的有效性，將監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。由于本文重點(diǎn)關(guān)注的是洞口段的變形特征，所以僅對(duì)比D-04 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的X方向表層變形特征。由圖9 可知，監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算的結(jié)果匹配度較高，并且整體分為3 個(gè)階段：累計(jì)變形階段、穩(wěn)定變形階段，以及加速變形階段。根據(jù)結(jié)果可以判定表層變形閾值，對(duì)預(yù)測(cè)災(zāi)害發(fā)生具有一定的指導(dǎo)意義。

圖9 監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比（X方向）

3 討論

基于上述研究，該處滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，而出口段有小變形，因此需對(duì)隧道出口擋墻以及鄰近結(jié)構(gòu)進(jìn)行處置。擬采用W 型鋼帶+鋼管樁對(duì)隧道進(jìn)出口段進(jìn)行加固處理。為了驗(yàn)證這種辦法的可行性，采用數(shù)值模擬方法對(duì)加固前后的隧道變形進(jìn)行了分析對(duì)比。

鋼管樁呈梅花型布置，樁間距1 m，鋼管樁鋼管采用外徑121 mm、壁厚3 mm、內(nèi)徑115 mm 鋼管，管內(nèi)及管側(cè)注入1∶1純水泥漿封閉。鋼管樁成孔直徑150 mm，成孔長(zhǎng)度6.1 m，樁長(zhǎng)6.0 m。最外側(cè)加設(shè)一根與水平方向呈60°角的相同參數(shù)的鋼管樁。鋼管樁采用梁?jiǎn)卧M，材料參數(shù)采用按鋼管和水泥漿液所占面積進(jìn)行權(quán)重等效計(jì)算后得到，彈性模量為35.7 GPa，密度為2 696.1 kg∕m3，泊松比0.21，計(jì)算結(jié)果見圖10。

圖10 隧道結(jié)構(gòu)變形計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果（圖10）可知，加固前隧道結(jié)構(gòu)最大變形出現(xiàn)在頂部，為2.01 cm。在本文中，超過1.7 cm的變形區(qū)域定義為大變形區(qū)域，加固前的大變形區(qū)域占比超過17%，加固后最大變形約為2 cm，但是大變形區(qū)域相較降低了8%，并且仰拱底部的變形量有明顯的降低?？傊?，通過加固可以有效地將高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行分散，并且可以有效控制仰拱變形，對(duì)隧道穩(wěn)定性有一定控制作用。

4 結(jié)論

通過對(duì)黃土地區(qū)公路邊坡-隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與研究，得到了以下結(jié)論：

a）墻體受到土體壓力，有向外變形的趨勢(shì)，由于兩端受到側(cè)向約束，導(dǎo)致力會(huì)傳遞到中間位置，由此形成較大曲率的變形，由中心向兩側(cè)變形量逐漸變小。整體受到拉張應(yīng)力，由此造成墻體縱向開裂和垮塌。在洞頂處，結(jié)構(gòu)薄弱，容易造成應(yīng)力集中，并且在施工過程中采用拼接式方法，更容易在該位置發(fā)生開裂。

b）將滑坡和隧道兩者相互作用作為一個(gè)整體進(jìn)行考慮，并采用數(shù)值模擬方法和變形識(shí)別方法對(duì)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行雙重驗(yàn)證，可大大提高監(jiān)測(cè)方法的可信度和可靠性。

c）采用W 鋼帶+鋼管樁的處治方案，可以分散隧道應(yīng)力，降低地基不均勻沉降的影響，對(duì)控制隧道變形有一定的作用。