百鳥坡隧道左線進口滑坡穩定性分析及治理模擬

董時俊 楊樹成

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,湖北 武漢 430063;2.長江水利委員會中游水文水資源勘測局,湖北 武漢 430012)

高速鐵路、高速公路的建設對于推進西部大開發戰略的實施十分重要。而在其穿越的山區隧道中,洞口段邊坡極易受到偏壓地形以及潛在的滑坡、剝落、崩塌等邊坡變形破壞問題的威脅[1]。本文研究的百鳥坡隧道進口邊坡位于貴州省都勻市小圍寨鄉,隧道進洞口位于半山腰,附近有一采石場。2009年 4月19日,隧道左線進口上方滑坡體洞口段發生坍塌,將隧道左洞掩埋。隨著時間的推移,滑坡體出現多處裂隙,且有2～3級裂隙是貫穿的。滑坡體破壞范圍為隧道進洞口至山坡上部近 400m范圍內,滑坡影響面積約為 25000m2,坡體的平均厚度約為 6m,前緣較厚,為 6～10m,中后部較薄,為 2～6m。由于滑坡體變形破壞后,隧道左線進洞口被埋,影響了正常施工,并且邊坡有繼續變形破壞的趨勢,存在較大的安全隱患,有必要對其進行進一步研究。

1 工程地質條件

1.1 地形地貌

研究區位于構造剝蝕侵蝕低中山型地貌區,隧道進口段所在山體斜坡總體坡向約 234°,坡角 36°。滑坡變形破壞區域在軸向上總體為坡頂和坡身部位較平緩,坡腳較陡,寬 120m,長約 230m,上覆松散層厚 1～6 m,山上植被較發育。

1.2 地層巖性

研究區巖層屬泥盆系中統獨山組(D2d),巖性以石英砂巖夾粉砂質泥巖或頁巖為主,表層覆蓋有殘坡積成因的碎石土。

殘坡積層為碎石土、粉質粘土、含碎石粘土,含少量植物根系和強風化石英砂巖、泥灰巖殘塊。滑坡堆積層為洞口現已滑動的部分,由塊石土、碎石土等組成。

強風化石英砂巖、強風化砂巖夾粉砂質泥巖節理裂隙極發育,巖體極破碎,膠結程度較差,屬較軟巖。

弱風化石英砂巖、弱風化砂巖夾粉砂質泥巖節理裂隙為極發育-發育,巖體極破碎-破碎,裂隙面多被鐵錳質渲染,同時夾有不等厚的軟弱夾層,軟弱夾層主要為薄層粉砂質泥巖和頁巖。

1.3 水文地質條件

地下水類型主要為基巖裂隙水。根據區域水文地質資料,含水巖組枯季地下徑流模數3.19～6.58 l/s?km2,為弱富水巖組。

本區內地下水主要接受大氣降水的垂直入滲補給,其徑流主要受地形條件控制。滑坡下部山體陡峻,有利于地表水體的排泄,巖體節理裂隙發育,有利于地表水沿裂隙下滲。

2 坡體變形原因及形成機制分析

隧道的開挖和削坡,破壞了原坡體平衡,同時坡體的卸荷,造成了坡體節理裂隙張開,為坡體上表水的入滲提供了通道[2]。

在暴雨條件下,大氣降水垂直入滲到滑坡前緣的上覆松散層和巖體裂隙中,使得前緣坡體自重增大,下滑力增加,抗滑力減小。由該研究區的地形地貌可知,邊坡的坡腳較陡,其臨空面一側在暴雨條件下發生蠕變變形,洞口近 30m范圍內巖體裂隙面與層面貫通產生了垮塌,將隧道洞口掩埋,說明在此種工況(暴雨條件)下,雨水通過上覆松散層和巖體裂隙進入到滑坡體內,并對滑坡內土體施加一定的滲透壓力,其方向與滑坡體表面方向一致,指向坡體前緣,坡腳越陡,滲透壓力通過土體傳遞到坡體前緣的可能性越大,更不利于滑坡體的穩定。

另外,由工程地質條件可知,滑坡體中部主要為巖層間軟弱夾層(泥巖、砂質泥巖、頁巖),其存在同樣也是造成滑坡滑塌的重要原因之一。在暴雨條件下,滑坡體中部的軟弱夾層對水極其敏感,遇水時,軟弱夾層的飽和抗壓強度僅為干抗壓強度的1/2甚至更低,抗剪強度力學指標也會大大地降低,加上其力學強度和變形模量均較低,使得該層坡體的抗滑力大為減小,更加速了滑坡的產生。

通過分析,該滑坡的形成主要受控于以下兩方面:①不良的邊坡地質條件;②暴雨條件下的觸發作用。暴雨條件下,雨水進入滑坡體內除了軟化巖土體、增加巖土體自重外,更重要的是在滑坡體內形成了較強的滲透壓力,其方向沿坡面指向滑坡前緣,使滑坡體抗滑穩定安全性大大降低。

在該邊坡中有兩層破壞帶(面)。目前已破壞的是表層破壞面,當邊坡前緣坡體失穩,發生坍塌后,邊坡中部的覆蓋土層與部分強風化層沿強弱風化基巖接觸面附近滑動,并在邊坡中部出現了較寬的裂縫。

邊坡后部 90～230m范圍內由于前面滑坡體的牽引作用,覆蓋層沿基巖面滑動。因此認為,該滑坡破壞形式為牽引式破壞。該滑坡深層潛在破壞形式是內沿軟弱夾層破壞,因此要特別加以監測并進行加固。

3 FLAC3D有限差分技術模擬

綜合考慮滑坡體的地質環境條件和工期等因素,對滑坡體應采用以抗滑為主、治水與抗滑相結合的治理措施[3]。由于該滑坡體推力大,滑動面前緣較陡,本工程選用預應力錨索抗滑樁[4],并結合鋼管樁及截水溝等措施對滑坡進行治理。

采用剛體極限平衡法無法得到斜坡體內部的變形機制及變形量,本文利用 FLAC3D對滑坡的變形破壞機制進行數值模擬,并幫助分析和檢驗治理前后滑坡體內部變形的特征及其變形量。

3.1 計算模型和材料參數

利用部分詳勘階段的鉆孔資料,將邊坡共分成3個工程地質剖面,本文選取滑坡中部剖面為研究對象(見圖 1)。

利用 FLAC3D有限差分軟件,建立滑坡地質力學模型,并對巖土體分組(見圖 2)[5],計算中對模型左邊進行水平方向約束,對底部進行全約束。參照圖1,將該滑坡巖土體擬分為 4組:表層碎石土、基巖(石英砂巖)、鋼管樁和抗滑樁,軟弱夾層作為一個接觸面處理,人工材料如抗滑樁、鋼管樁為彈性模型。

由于坡體表層的松散堆積體滲透系數大,暴雨工況下,雨水通過上覆的松散堆積體滲透到坡體內,之后形成較大的滲透壓力,在滲透力的作用下滑坡體的下滑力顯著增大,會使松散堆積體產生一定的變形。

首先由彈性模型計算得到治理前滑坡的初始地應力,利用含初始地應力的模型,將碎石土和基巖本構模型設置為 Mohr-Coulomb,抗滑樁和鋼管樁選取原始狀態下對應的巖土體參數。同時對滑坡左側施加水頭,計算得到治理前滑坡的變形。

其次利用含初始地應力的模型,將碎石土和基巖本構模型設置為 Mohr-Coulomb,將抗滑樁和鋼管樁對應的單元設置為彈性模型,同時改變相應參數;同樣對滑坡左側施加水頭,由計算得到治理后滑坡的變形特征。計算參數見表 1。

圖1 工程地質剖面

表1 巖土體數值模擬物理力學計算參數

圖2 數值模擬網格剖分及巖土分組

3.2 計算結果分析

采用圖 2的數值模擬模型和表 1的各巖土體的物理力學計算參數,通過計算得到滑坡治理前后暴雨工況下位移等值線圖(見圖 3和圖 4)。

圖3 治理前暴雨工況位移等值線

圖4 治理后暴雨工況位移等值線

由圖 3可知,治理前暴雨工況下最大位移為91.6 cm,位于滑坡中下部,該部位臨空面坡度較大,形成了一個次級變形體,其位移等值線由下部向上部發散,表現出牽引式滑坡的特征,在本工況下因發生嚴重變形而失穩,對下方的隧道口直接造成威脅,與將隧道口掩埋的實際情況吻合。滑坡上部雖然也形成了一個不穩定部位,最大位移71.2 cm,但斜坡中部臨空面坡度較緩,在一定程度上不會對滑坡下方的隧道口造成直接威脅。

由圖 4可知,按照設計要求在滑坡中部施加了兩排鋼管樁和一排抗滑樁后,滑坡中下部最大變形量不到 20cm,未形成連續的塑性變形區,治理后暴雨工況下滑坡體是穩定的。臨空面坡度較大的一段恰位于鋼管樁和擋土墻之間,同時根據治理前該段滑坡失穩的機制為牽引式滑坡的結論,抗滑樁恰好布設在該失穩斜滑坡的前部,這就極大地加強了不穩定坡體前部抗滑力,所施加的鋼管樁、抗滑樁等支護結構有效遏制了變形的蔓延,對下方的隧道口起到了很好的保護作用。滑坡上方雖然還是形成了一個不穩定坡體,最大變形量55.7 cm,但由于滑坡中部臨空面坡度較緩,同時中部的支護結構也在一定程度上遏制了上部變形體的發展,不會對下部的隧道口造成威脅。

4 結 語

通過分析,得出如下結論:

(1)該滑坡破壞機制為牽引式破壞,不良工程地質條件和暴雨條件的觸發作用是影響該滑坡變形破壞的主要原因。暴雨工況下,雨水通過上覆的松散堆積體滲透到坡體內,并形成較大的滲透壓力,使滑坡體抗滑穩定性大大降低。

(2)FLAC3D數值模擬結果證實了上一分析,并通過計算得到治理前滑坡中下部最大位移量為91.6 cm,松散堆積體中形成了連續的塑性破壞區,治理后僅在滑坡中下部局部區域形成 20cm的最大位移,在松散堆積體中無連續塑性破壞區分布,說明治理后的滑坡處于穩定狀態,對隧道口不構成威脅。

(3)隧道洞口存在潛在地質問題,建議勘探、設計單位今后在勘探和線路設計方案的比選中重視地質危害,盡可能將洞口設置在地質構造簡單、匯水面積較小、不易發生地質災害的地段。

[1] 龍浪波,王 鷹.FLAC在宜萬鐵路某隧道洞口段邊坡穩定性分析中的應用[J].鐵道勘察,2009,(5):77-80.

[2] 張升文.襄渝鐵路新建二線馬鞍山隧道進口滑坡分析[J].鐵道工程學報,2007,(8):16-19.

[3] 侯利國,周建鋒.任胡嶺隧道口邊坡的穩定性評價與治理措施優化[J].公路交通科技,2005,22(6):131-137.

[4] 張 偉,焦玉勇,郭小紅.隧道洞口滑坡穩定性分析與防治措施[J].巖土力學,2008,29(增刊):311-314.

[5] 項 偉,江洎洧,唐輝明,等.洞坪庫區瞿家灣滑坡群地質演化分析及數值模擬[J].巖石力學與工程學報,2009,28(4):775-783.