某隧道-多滑面滑坡斜交體系穩(wěn)定性及綜合處治技術研究*

陳云生,米德才,李洋溢,吳龍科

(1.廣西交通設計集團有限公司,廣西 南寧 530029;2.廣西巖土災害防治技術研究中心,廣西 南寧 530029)

0 引言

我國山區(qū)因修建隧道而引發(fā)滑坡的事故屢見不鮮,給國民經(jīng)濟帶來了巨大損失,因此,隧道-滑坡體系的變形及加固處治受到眾多專家學者的關注。隧道-滑坡體系根據(jù)隧道走向與滑坡主滑方向的位置關系可分為平行、正交、斜交三種類型,隧道與滑坡的相互作用影響、力學分布特征、穩(wěn)定性及變形規(guī)律是目前的研究熱點之一,國內(nèi)學者多借助地質(zhì)調(diào)查、理論研究、數(shù)值分析、模型試驗及監(jiān)測分析等手段進行研究[1-4]。

針對隧道-滑坡斜交體系的處治,國內(nèi)已有少量研究。張可能等[5]依托某隧道進口段滑坡應急搶險處治工程,借助數(shù)值模擬及監(jiān)測,研究了采取錨索抗滑樁、錨桿框架梁等措施綜合治理洞口滑坡的效果。馮冀蒙等[6]通過查閱文獻,統(tǒng)計了隧道開挖誘發(fā)滑坡失穩(wěn)的機理,得出了隧道-滑坡間相互作用的理論力學模型,總結(jié)了隧道-滑坡體系中滑坡及隧道加固措施。王亞瓊等[7]對平阿高速青沙山隧道洞口滑坡進行了分區(qū)穩(wěn)定性評價,提出了錨拉式抗滑樁及加強洞內(nèi)支護等綜合處治的加固辦法,并對其進行了長期監(jiān)測驗證。崔永杰等[8]研究了秦嶺某隧道出口滑坡的成因,采取了卸載、抗滑樁、錨索、綜合排水等措施進行處治。邢軍等[9]以某高等級公路隧道為研究對象,分析了隧道-滑坡體系變形機理,總結(jié)了地表注漿、錨索抗滑樁、管棚與小導管注漿的控制技術。劉海等[10]以川汶路改建工程某隧道為研究對象,分析了該隧道滑坡的基本特征,提出了超前小導管、短臺階法、及時封閉等洞內(nèi)加固處治方案。劉運澤等[11]利用數(shù)值分析軟件對抗滑樁、錨桿-錨索框架梁、坡腳回填反壓等加固治理方案進行了優(yōu)化設計,形成了一套洞口滑坡堆積體綜合處治方案。張治國等[12]分別從滑坡處治和隧道結(jié)構(gòu)加固兩方面研究了隧道-滑坡相互作用影響的控制防護技術。

以上文獻多為單滑面體系,關于復雜多滑面體系的研究甚少。本文以某高速公路隧道為案例,研究了該隧道出洞口復雜多滑面滑坡的類型及成因,在此基礎上采用傳遞系數(shù)法進行穩(wěn)定性分析,并提出了應急工程及永久工程相結(jié)合的綜合處治方案。

1 工程概況

如圖1所示,該隧道為小凈距越嶺隧道,左洞出口端掘進至ZK142+140、右洞掘進至K142+100時,左洞掌子面出現(xiàn)拱頂小型塌方,塌方量約為200m3,掌子面頂部形成6m高塌腔,隨后對塌腔區(qū)域灌注C20 混凝土及小導管注漿加固,提高初支強度,開挖方式改為環(huán)形預留核心土三臺階法。當該隧道左洞掘進至ZK142+100、右洞掘進至K142+070、左洞仰拱支護至ZK142+123、右洞仰拱支護至K142+105、左洞二襯支護至ZK142+168、右洞二襯支護至K142+144時,左洞ZK142+120—ZK142+140段、右洞K142+100—K142+120段拱頂及拱腰位置初支出現(xiàn)開裂、剝皮、掉塊等現(xiàn)象,同時,隧道出口段斜坡山體形成滑坡,地表出現(xiàn)大量拉張、剪切裂縫,裂縫逐步擴展并具有貫通趨勢,危及隧道安全。

圖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 地質(zhì)特征

隧道區(qū)屬低山地貌,地震基本烈度為Ⅵ度,地形起伏大,溝谷發(fā)育,沖溝多為V形,沖溝坡度較陡,地表分布2～10m厚粉質(zhì)黏土,下伏基巖為強～中風化砂巖,強風化層厚5～30m,砂巖層間含頁巖軟弱夾層,基巖內(nèi)部存在條帶狀外傾節(jié)理裂隙破碎帶,破碎帶風化泥發(fā)育。隧道區(qū)巖層產(chǎn)狀為 216°∠46°, 自然坡屬逆向坡,發(fā)育2組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面,分別為J1∶315°∠25°(4～5條/m)和J2∶118°∠83°(5～6條/m), 2組結(jié)構(gòu)面粗糙,泥質(zhì)充填,結(jié)合度差。

2.2 變形特征

2.2.1地表變形

隧道洞頂斜坡共發(fā)育11條裂縫,如圖1所示,裂縫組合呈弧形,裂縫性質(zhì)及規(guī)模如表1所示。

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

2.2.2地下變形

隧道在施工過程中設置了地表及地下位移監(jiān)測點,選取主滑面1—1′進行分析,該斷面在ZK2,ZK3鉆孔處(見圖1)設置了深層位移監(jiān)測,測斜孔深分別為50,60m,采用北斗智能化監(jiān)測系統(tǒng)進行實時監(jiān)測。依據(jù)測斜成果(見圖2)可知,ZK2鉆孔在地表以下15,37m處存在明顯位移突變,結(jié)合鉆孔及物探成果可確定該孔存在2個滑面,對應滑面位置為強～中風化交界面及中風化裂隙破碎帶。ZK3鉆孔在地表以下14,20,42m存在明顯位移突變,對應存在3個滑面,滑面位置與鉆孔所揭露的強風化破碎帶、強～中風化交界面及中風化破碎帶位置一致(見圖3)。

圖2 深部位移監(jiān)測結(jié)果Fig.2 Results of deep displacement monitoring

圖3 1—1′工程地質(zhì)剖面Fig.3 Engineering geological profile of 1—1′section

2.3 滑坡性質(zhì)及其規(guī)模

滑坡平面呈弧形,結(jié)合鉆探、監(jiān)測、物探及裂縫分布位置,可確定本滑坡共3個滑面,滑面具體形狀及位置如圖3所示。第1滑面位于強風化層內(nèi)部,沿強風化層的節(jié)理裂隙破碎帶產(chǎn)生滑動,滑體主要由強風化層組成;第2滑面位于強風化與中風化交界面,為隧道掘進至ZK142+140產(chǎn)生塌方的主滑面,滑體主要由強風化層組成;第3滑面位于中風化層內(nèi)部,沿節(jié)理裂隙破碎帶滑動,變形較小,屬最深層滑面,滑體由強～中風化巖體組成。滑坡體平均厚度約為40m,體積約為112.5×104m3,依據(jù) JTG/T 3334—2018《公路滑坡防治設計規(guī)范》,屬巨型深層多滑面滑坡。滑坡主滑方向與隧道軸線呈34°相交,屬隧道-滑坡斜交體系。

3 滑坡成因

1)斜坡巖土體特征 該斜坡強風化層及中風化層內(nèi)部含條帶狀節(jié)理裂隙破碎帶,破碎帶及強～中風化接觸帶有利于地下水的匯集,且風化程度相對較高,風化泥含量大,遇水易軟化,破碎帶及風化界線順斜坡方向發(fā)育,不利于斜坡穩(wěn)定,是滑坡產(chǎn)生的內(nèi)部因素。

2)人工因素 坡腳為隧道施工臨時場地,場地建設開挖了斜坡的部分坡腳,改變了斜坡天然應力狀態(tài),降低了抗滑力;隧道左洞掘進至強～中風化交界帶時產(chǎn)生拱頂塌方,塌方形成的塌腔促使第2滑動面產(chǎn)生蠕動變形;隧道爆破震動使巖體松散破碎,加大裂隙張開度,對滑動面的貫通起到加速作用。

3)降雨因素 強風化層屬中～強透水層,中風化層屬弱～中透水層,破碎帶風化泥屬弱透水層,降雨沿節(jié)理裂隙滲入,易在強～中風化界面及破碎帶匯集,軟化崩解巖土,降低滑面力學參數(shù),同時使后緣巖土體自重增加,加大下滑力,不利于斜坡穩(wěn)定,是滑坡產(chǎn)生的催化劑。

4 穩(wěn)定性分析

依據(jù)《公路滑坡防治設計規(guī)范》,本工程無需考慮地震工況下的穩(wěn)定性,故僅計算天然及暴雨工況下的穩(wěn)定性,計算如式(1)～(3)所示：

(1)

ψi=cos(θi-θi+1)-sin(θi-θi+1)tanφi+1

(2)

Ri=Nitanφi+cili

(3)

式中：Ks為穩(wěn)定系數(shù);ψi為第i計算條塊剩余下滑推力向第i+1計算條塊的傳遞系數(shù);Ri為第i計算條塊滑動面上的抗滑力(kN/m);Ti為第i計算條塊滑體在滑動面上的滑動分力(kN/m);Ni為第i計算條塊滑體在滑動面法線上的反力(kN/m);θi為第i計算條塊滑體的滑面與水平線夾角(°);φi為第i計算條塊滑動面上巖土體內(nèi)摩擦角標準值(°);ci為第i計算條塊滑動面上巖土體黏聚力標準值(kPa);li為第i計算條塊滑動面長度(m)。

4.1 力學參數(shù)

綜合工程地質(zhì)類比、室內(nèi)試驗及反算成果,滑坡計算所采用的參數(shù)如表2所示。

表2 巖土體物理力學參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of rock and soil mass

4.2 計算結(jié)果

選取典型剖面1—1′進行計算,計算結(jié)果如表3所示。

由表3可知,在天然狀態(tài)下,第2滑面穩(wěn)定性偏低,安全儲備不足。在暴雨工況下,第1,3滑面穩(wěn)定性偏低,第2滑面穩(wěn)定性系數(shù)<1.00,處于失穩(wěn)狀態(tài)。第2滑面穩(wěn)定性系數(shù)最低,該滑面位于強～中風化交界面,為主滑面,與實際隧道首次變形(拱頂塌方)位置相吻合。由監(jiān)測結(jié)果可知,第1,3滑面處于蠕動滑動階段,第2滑面的失穩(wěn)會進一步牽引坡體內(nèi)部節(jié)理裂隙帶的貫通,導致第1,3滑面失穩(wěn),需進行處治。

5 綜合處治

為徹底消除滑坡對隧道的安全隱患,對于大型復雜滑坡,采取分區(qū)、分期治理,在監(jiān)測的基礎上先采取有利于滑坡穩(wěn)定的應急工程,應急工程與永久工程、洞內(nèi)與洞外處治相結(jié)合,達到根治的目的,在保證滑坡整體穩(wěn)定的基礎上再進行隧道加固。典型處治斷面如圖4所示。

圖4 滑坡綜合處治示意Fig.4 The comprehensive landslide treatment

5.1 應急工程

5.1.1滑坡應急處治

1)對目前已出現(xiàn)的地表裂縫采用黏土填充夯實,表面澆筑水泥砂漿進行封堵。在裂縫附近山脊位置設置30cm厚C20混凝土截水溝,地表負地形設置坡面排水溝,減少地表水對隧道的影響。

2)在隧道右側(cè)坡腳進行分級填土反壓,反壓前對坡腳軟土進行換填片碎石處治,原斜坡設置反向臺階以確保反壓體穩(wěn)定。反壓體最大高度為46m,每級坡高8m,級間設置C15混凝土平臺,平臺設置3%排水縱坡。反壓體采用級配好的粗粒土,分層填筑,分層碾壓,壓實度≥90%,在臨山側(cè)設置縱橫向滲溝,坡面采用骨架植草防護綠化。

3)對隧道左洞ZK142+140處塌方引起的擾動區(qū)域采用地表鋼管群樁注漿加固,起到充填洞隙及抗滑雙層作用。鋼管設置 3排,間距2m,梅花形布置,單孔孔徑220mm,孔內(nèi)放置永久性鋼管,管底標高低于隧道底板5m。注漿材料為P·O 42.5水泥凈漿液,水灰比(0.6～0.8)∶1,采取自下而上分段注漿方式,樁頂設置鋼筋混凝土系梁。

5.1.2隧道應急處治

隧道左洞ZK142+120—ZK142+140段、右洞K142+100—K142+120段初支開裂、剝皮、掉塊嚴重,且監(jiān)控量測數(shù)據(jù)持續(xù)預警,為保證施工安全,采取隧道洞內(nèi)緊急搶險措施如下。

1)停止隧道掌子面掘進,掛φ8鋼筋網(wǎng)并噴射10cm厚C25混凝土封閉掌子面。

2)隧道左洞ZK142+110—ZK142+150段、右洞K142+090—K142+130段回填洞渣反壓,并在左洞ZK142+100—ZK142+140段、右洞K142+070—K142+120 段上臺階及回填洞渣表面澆筑50cm厚C25素混凝土臨時仰拱封閉成環(huán)。

5.2 永久加固

1)在880.000m高程位置,左、右洞間及右洞右側(cè)設置1排抗滑樁,樁徑2.2m,間距4.0m,長24～30m,樁頂設置鋼筋混凝土系梁。

2)左洞ZK142+120—ZK142+140段、右洞 K142+100—K142+120 段增加護拱,護拱采用I18,間距80cm,護拱鋼架接頭處設置I14加強縱向連接,于護拱兩側(cè)拱腰、拱腳處均設置φ42鋼管鎖腳。

3)左洞ZK142+120—ZK142+144段、右洞K142+100—K142+124段二次襯砌混凝土強度等級由C35改為C40加強。

5.3 處治效果

該隧道經(jīng)處治后至今,地表及洞內(nèi)未見新增裂縫。由圖5,6可知,2021年8月22日處治前,第1～3滑面位移曲線呈陡升狀,說明滑面持續(xù)變形,最大變形位于ZK2鉆孔的第2滑面,最大值達170mm。8月22日至9月11日,隨著坡腳及洞內(nèi)反壓、鋼管群樁等應急加固措施的完成,變形曲線趨于收斂,日均變形量<0.5mm。9月11日后,隨著抗滑樁、護拱及二次襯砌的施作完成,變形曲線呈近水平直線狀,第1～3滑面日均變形量分別為0.01,0.06,0.01mm/d,說明隧道-滑坡斜交體系經(jīng)處治后處于穩(wěn)定狀態(tài),加固方案行之有效。

圖5 ZK2鉆孔滑面位移監(jiān)測曲線Fig.5 Monitoring curves of sliding surface displacement of ZK2 borehole

圖6 ZK3鉆孔滑面位移監(jiān)測曲線Fig.6 Monitoring curves of sliding surface displacement of ZK3 borehole

6 結(jié)語

1)本隧道-滑坡斜交體系存在3個滑面,屬巨型深層多滑面滑坡。加固前,天然狀態(tài)下第2滑面、暴雨工況下第1,3滑面穩(wěn)定性儲備不足,暴雨工況下第2滑面處于失穩(wěn)狀態(tài),強風化與中風化交界面是本隧道產(chǎn)生塌方及變形的主滑面。

2)針對隧道-滑坡斜交體系的處治,應在確?；抡w穩(wěn)定的基礎上進行隧道加固,并進行分區(qū)、分期治理,在監(jiān)測的基礎上先采取應急工程,應急工程與永久處治相結(jié)合,達到根治的目的。

3)對于復雜滑坡,應采取多種手段相結(jié)合的綜合防治措施。本隧道-滑坡斜交體系經(jīng)坡腳反壓、鋼管群樁、抗滑樁及洞內(nèi)反壓、護拱、加強襯砌支護參數(shù)等綜合措施處治后,地表及洞內(nèi)未見新增變形,坡體及結(jié)構(gòu)均處于安全狀態(tài)。