張花高速公路楠木溪隧道滑坡處治

鄭 浩

(湖南省張花高速公路建設開發有限公司,湖南張家界 427000)

1 工程概況及存在的問題

張花高速公路楠木溪隧道為一座分離式隧道,隧道右線全長為307m,里程范圍為Yk13+950～Yk14+275;隧道左線全長305m,里程范圍為Zk13+945～Zk14+250。隧道圍巖主要為坡積體、強-中風化頁巖,巖體破碎、松散,整體性差。

2010年4月15日楠木溪隧道右洞施工至Yk14+099斷面時(從張家界端開挖),山體出現多條橫向裂縫,最大裂縫寬度約10 cm。隨著隧道的后續施工,至隧道貫通時(約2010年8月中旬),受施工爆破地震波及大氣降水的影響,山頂裂縫持續擴張,最大裂縫寬度為25 cm,并又增加了多條橫向裂縫,特別是在山體深側形成了沿隧道軸向的縱向裂縫,山體水系明顯改變,山頂農家的水池干涸,經濟作物出現大量枯死現象。至2010年10月底,隧道二襯及明洞結構全線澆筑完成(洞門型式為環框式),洞門尚未施工,但裂縫仍在持續發展,最大裂縫寬度達到45 cm左右,橫向裂縫分布密集,縱向裂縫持續沿山體向下發展,有貫通的趨勢,引起山體整體約15萬m3滑塌。

隧道張家界端洞頂裂縫見圖1。

2 山體穩定性數值分析

為了探討山體的穩定性,用FLAC3D計算軟件對山體進行數值模擬,通過用強度折減法得出邊坡安全系數,如果計算結果小于規定的安全系數值,則認為邊坡不穩定。FLAC3D內置的強度折減法使安全系數的求解實現起來十分容易,是目前用得比較多的方法。

圖1 裂縫發展分布圖

2.1 FLAC3D軟件簡介

FLAC3D是三維快速拉格朗日法的簡稱,是一種基于三維顯示有限差分法的數值分析方法,它可以模擬巖土或其它材料的三維力學特性。三維快速拉格朗日分析將計算區域劃分為若干個四面體單元,每個單元在給定的邊界條件下遵循制定的線性或非線性本構關系。如果單元應力使得材料屈服或產生塑性流動,則單元網格可以隨著材料的變形而變形,這就是所謂的三維快速拉格朗日算法。三維快速拉格朗日分析采用了顯示有限差分格式來求解場的控制微分方程,并應用了混合單元離散模型,可以準確地模擬材料的屈服、塑性流動、軟化直至大變形,尤其在材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過程等領域有其獨到的優點。

FLAC3D的使用建模計算過程主要分為前處理、求解和后處理3個過程:

1)前處理:①根據模型結構特性和具體情況,編命令流,生產網格,形成所需要的形狀;②定義本構關系和材料特性;③定義邊界條件和初始條件。

2)求解計算:根據所分析問題的類型選擇合適的求解類型及進行求解選項的設定。

3)后處理:數值計算完成后,從求解計算結果中讀取數據,對計算結果進行各種圖形化顯示,對計算結果進行列表顯示及各種后續分析。

2.2 強度折減法的基本原理

強度折減法中邊坡穩定的安全系數定義為:使邊坡剛好達到臨界破壞狀態時,對巖、土體的抗剪度進行拆減的程度及定義安全系數為巖土體的實際抗剪強度與臨界破壞時的折減后的剪切強度的比值。強度拆減法的要點是利用式(1)、式(2)來調整巖土體的強度指標c和φ(式中,cF為折減后的粘接力,φF為折減后的摩擦角,Ftrial為折減系數),然后對邊坡穩定性進行數值分析,不斷地增加折減系數,反復計算,直至其達到臨界破壞。

2.3 計算模型與計算參數

計算模型為一邊坡,選取隧道橫向長度(X向)和豎直方向(Z向)長度均為30m、縱向(Y向)長度為25m,坡角為60°,具體尺寸如圖2所示。計算采用摩爾—庫侖本構模型,邊界條件采用位移邊界,其下邊界垂直位移固定,前后、左右邊界固定水平(X向)及縱向(Y向)位移。隧道圍巖參數如表1。

圖2 模型網格單元圖

表1中:E為彈性模量,bulk為體積模量,shear為切變模量,friction為內摩擦角,cohesion為內聚力,tension為抗拉強度,γ為巖石密度,v為泊松比。

表1 圍巖參數表

經過計算得到安全系數、剪切應變增量云圖及速度矢量圖,如圖3所示。

圖3 安全系數、剪切應變增量云圖及速度矢量圖

從圖3中可以看出,邊坡的穩定系數FoS為1.05,小于《建筑邊坡工程技術規范》中規定值1.35,故認為邊坡的安全系數不能滿足安全要求,且從圖3可以明顯看到塑性貫通區域,即潛在的滑動面,速度矢量圖有利地佐證了這一判斷:因滑動面外側區域各網格點的速度明顯大于其它區域,說明這一區域已經出現明顯滑動,即發生了破壞。

3 滑坡處治

3.1 滑坡原因分析

3.1.1 地質情況復雜,地表浮土層較厚

楠木溪隧道進口仰坡頂有4 m左右厚度不均的堆積土(為當地老百姓的桔子園),下部為松散的強風化砂質頁巖,粘結力較差,摩擦角較小,滲水量大,自穩能力差。且該地段存在著地質偏壓現象,隧道開挖采空(相當于把墻腳挖掉),山體沿巖層面滑移。

3.1.2 降水影響

在隧道洞口段施工過程中,間歇性地下過幾次大雨。由于仰坡面積較大,且地表凹凸不平,雖已施做截水溝、排水溝,但排水效果不好;仰坡上產生長、寬裂紋沒有及時封閉,導致雨水下滲,孔隙水壓力增大,坡體c急劇降低,加快了滑坡的發生。

3.1.3 施工因素

在隧道開挖過程中,爆破產生的地震波對圍巖產生了擾動,降低了圍巖的自穩能力。

3.2 滑坡處治方案比選

為了施工安全及結構的穩定,提出了以下幾種處治方案。

3.2.1 削坡減載法

削坡減載法主要是減載,即通過將滑坡體的上部清除一部分,以減小滑體的下滑力。排土工法適宜于滑床上陡下緩,且后緣地層穩定,不致因減載而引起滑坡向后緣或側緣發展。減載范圍及減載數量的確定,需根據滑坡主軸斷面進行剩余下滑力檢算,劃分出主滑地段及抗滑地段,選定減載的最佳部位。一般需反復試算,求得穩定系數在1.15～1.25范圍內,方可確定出滿意的部位和數量。減載后的坡面應整平夯實,其平臺應有較大橫坡,并做好減載范圍內的防排水工程,以利排水。削坡減載法的最大問題是:是否會誘發另外的滑動和崩塌。因此必須認真研究,慎重使用。

3.2.2 地表加固法

地表注漿就是對山體進行注漿加固,加固范圍:沿隧道軸向20m,寬度超出隧道邊界2m。采用φ42×3.5mm熱軋無縫鋼花管,平均長度為8 m,間距1m×1m,漿液為水泥—水玻璃雙液漿。鋼管前端10 cm加工成尖錐狀,管壁四周鉆Ф8 mm的壓漿孔,但尾部1.0 m不設壓漿孔。壓漿前以Ф8鋼筋網(20 cm×20 cm)及10 cm厚噴混凝土封閉坡面,防止跑漿。地表注漿法主要是提高山體的承載力,但工程量巨大,對山體破壞太大(山體表面為果園),如圖4。

圖4 地表注漿法示意

3.2.3 抗滑樁+端墻式洞門

在洞口施做鋼筋混凝土方樁(尺寸為1.5m×2m),樁長18.79 m,樁底嵌入仰拱底部6m,并把所有的樁連成一整體,形成端墻式洞門。此種做法工程量小,且能有效地阻止右洞滑坡,如圖5。

3.3 具體處理方法的施工

圖5 抗滑樁+端墻式洞門法(單位:m)

經過以上幾種方法的比對,最終確定采用抗滑樁+端墻式洞門法。具體流程為:封閉地表裂縫→做好防排水→抗滑樁施工→端墻式洞門施工。

3.3.1 防排水

做好洞頂截水溝,水溝溝底、溝壁進行漿砌鋪砌,以減少雨水下滲。另外在右洞山體上再做一截水溝,加強對地表水的排放。

3.3.2 抗滑樁施工

在洞門處施工抗滑樁,兩洞之間施做4根,間距8m,隧道外邊界各施做1根。抗滑樁為1.5m×2m鋼筋混凝土方樁,抗滑樁施工順序為:測放樁位→清理并穩固樁孔附近坡面→施工抗滑樁鎖口→開挖→節樁孔→綁扎護壁鋼筋→支模→澆注護壁混凝土→開挖下一節樁孔→重復上面4道工序直到設計標高→封底→綁扎樁身鋼筋→澆灌樁身混凝土。由于本地段巖石為頁巖,頁巖遇水極易軟化而失穩,因此在開挖樁孔的過程中,進尺要小于0.5m,且要加強護壁,同時要做好排水措施。為了節省時間,抗滑樁可間隔同時施工。

3.3.3 端墻式洞門施工

把抗滑樁作為洞門結構的一部分,洞門基礎應落在穩固地基上,要求地基承載力≥0.25MPa,當地基承載力不滿足要求時應對地基進行加固使其達到要求。洞頂回填中采用粘土層作為隔水層,礫石作為透水層(石徑不大于10 cm),施工時采用人工分層夯實,要求其壓實度＞70%。洞門完成施工后,應休整地形并綠化,使之與洞門、環境相協調。

4 處治效果評價

抗滑樁和洞門施工完畢后,在Yk14+075地表共布置了6個測點,監測結果見表2。

地表監測結果表明:在監測時間內,地表未見異常變化,地表沉降值在規范允許范圍內,說明處治效果良好。

表2 地表沉降表mm

5 結論及建議

強度折減法的安全系數計算是分析滑坡的一種常用的方法,計算結果和真實值十分接近。在隧道施工過程中,滑坡經常發生,滑坡原因是多方面的。除了不良地質條件外,設計中應重視勘察的結論與建議,合理設計。施工單位應嚴格按照設計圖紙進行施工,遵循施工工藝順序,保證施工質量;滑坡過程是一個漸進過程,有征兆表現,有規律可循。要重視監控量測工作,并及時根據監控信息反饋到施工、設計,以避免類似情況的再次發生;隧道的邊、仰坡應盡可能的少開挖,最大限度減少對山體的擾動,提高坡體穩定性;抗滑樁對阻止坡體的滑動有明顯的效果,當隧道洞口可能發生滑動時,應考慮及時修筑抗滑樁,用小投資獲大收益;端墻式洞門在一定程度上也能起到抗滑的作用,所以在滑坡地段盡量用端墻式洞門。

[1]張 濤.穿越滑坡體的山區高速公路隧道進洞方案研究[J].華中科技大學,2006(4):26-27.

[2]王建宇.隧道工程的技術進步[M].北京:中國鐵道出版社,2004.

[3]范智杰,何少平.隧道施工與檢測技術[M].北京:人民交通出版社,2006.

[4]關寶樹.隧道工程施工要點集[M].北京:人民交通出版社,2003.