砂質黃土滑坡誘發因素及變形機理分析

邢 培 剛

(蘭新鐵路甘青有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，高速鐵路作為連接東西部發展的重要橋梁，正處于快速的建設中。高速鐵路由于列車行駛速度快，因此建設過程中需要不斷架設橋梁與穿越隧道。鐵道在西部地區穿越隧道的過程中不免要穿越黃土層以及一些不良地質體，特別是在隧道出洞洞口位置，上部仰坡穩定性對于鐵路安全運行具有巨大的影響，一旦上部仰坡失穩發生滑坡，將直接影響列車運行安全和人民生命安全。因此研究隧道出洞口仰坡穩定性具有重要意義。

黃土體邊坡由于土質一般較為松散，土質的均勻性較差，容易受到降水的影響，裂隙往往也較為發育。因此，許多學者對于黃土體邊坡的穩定性，以及隧道開挖的黃土體邊坡的穩定性進行研究。李萍等[1]根據黃土高原的自然邊坡的特征對邊坡進行分類，并對不同區域的邊坡破壞特征進行歸類分析。王念秦等[2]針對太中鐵路沿線黃土高邊坡穩定性統計分析,并提出了黃土邊坡防治的建議。谷天峰等[3]通過室內的實驗，建立了黃土邊坡的動力分析模型,分析在機車振動荷載作用下邊坡的變形規律。黃曉虎等[4]通過建立室內邊坡降雨沖刷物理實驗模型，對邊坡的破壞過程進行了重現。

以上學者雖然對黃土邊坡的穩定性特征從現場進行統計，并在室內進行了大量實驗，但相對而言，隧道出洞部位黃土體仰坡穩定性研究成果較少，針對現場發生地質災害事故的黃土體邊坡實例研究缺乏。本文以洪亮營隧道出口處的滑坡地質災害為例，詳細的對滑坡事故的原因進行分析，并結合數值模擬手段對仰坡滑坡的發生機理進行分析，進而提出相應的治理方案。本文的研究成果希望為類似地質體的隧道出口仰坡穩定性分析提供借鑒，并希望能減少類似事故的發生。

1 工程背景

洪亮營隧道位于蘭州市榆中縣，地處黃土高原梁峁區。地面高程1 880 m～2 008 m，相對高差100 m～150 m，隧道起訖里程DK988+349～DK989+310，全長961 m。為雙線隧道，最大埋深約120 m。出口端位于蘭州市榆中縣小康營鄉洪亮營村附近，如圖1所示。

洪亮營隧道所屬的榆中縣屬甘肅黃土高原西部丘陵、河谷盆地區，為黃土高原經長期侵蝕、沖積、洪積形成的山、川兩大地貌，地勢南高北低，中部凹，呈馬鞍型。中部盆地屬中新生界迭置斷拗盆地，海拔1 450 m～2 100 m，是黃土地區經長期侵蝕、沖積、洪積形成的川平地，間有梁峁丘陵地貌。

洪亮營隧道出口于2013年10月17日開始洞口邊仰坡防護、施做導向墻、接長護拱及超前大管棚施工。2013年11月17日進洞施工，施工過程中按設計工法采用機械開挖，人工修邊，未采用爆破，邊開挖邊支護并及時施做二次襯砌，超欠挖控制及初期支護結構保護良好，對圍巖擾動很小。出口端分別于2013年12月8日和2014年1月10日完成第一模仰拱和二次襯砌澆筑。2014年8月16日零時15分，隧道出口左側山體斜坡突然失穩，先發生了整體下錯，后左右兩側又發生淺層滑動，滑落土體掩埋隧道洞口的地質災害，如圖2所示。

該滑坡體后緣頂部高程為1 998 m，前緣地面高程為1 882 m，高約116 m；滑坡體具有明顯的后緣，錯臺高約20 m，上緣寬約50 m，下緣寬約150 m，主軸長約130 m，高約116 m，主錯方向為N55°W，錯動面坡度較陡后緣為50°～65°滑坡體厚度約10 m～20 m，預估塌方量約15萬m3～20萬m3?；麦w主要物質為砂質黃土，中部土體下錯后仍保持原有結構，但節理裂隙擴張，兩側下部后期或同時又發生滑動，土體疏松，滑坡體前緣堆積在原有堆積臺地上。錯落體及后緣仍不穩定，在外界因素作用下仍有活動的可能性。因此盡快分析滑坡的誘發因素，搞清滑坡的破壞機理，具有重要的工程意義。

2 滑坡機理分析

2.1 滑坡主要因素分析

由于滑坡的發生較為突然，并且造成的損失較為巨大，因此必須先對滑坡的因素進行分析，進而對滑坡機理進行研究。經過對現場進行勘察以及研究，可以發現滑坡的誘發因素主要有以下幾點:

1)地形條件。

該滑坡體的坡體較陡，平均坡度在40°～50°之間，下部局部近于直立。這種后緣高陡，下緣開闊的地形特點，為滑坡的形成提供了良好的臨空條件。

2)巖土性質及結構。

斜坡地層巖性為馬蘭黃土，風積成因，具有強濕陷性，節理裂隙發育，屬于易滑地層。并且由現場調查可以發現至少發育四組裂隙，同時由于斜坡具備坡腳開挖造成斜坡應力重分布，從而可能形成潛在的卸荷裂隙。因此，巖土體結構類型對斜坡穩定性具有一定不利影響。

3)振動影響。

近年來周邊地區發生了較多的強震，如汶川地震、岷縣地震等都對該區有所影響。另外由于在現場施工的過程中，在隧道口采用打樁機對鐵路地基進行強夯，連續施工產生的震動對斜坡的穩定性有一定不利影響。

4)降水作用。

滑坡發生當年蘭州市的降雨較為頻繁，降雨滲入土體導致斜坡自重增大，對斜坡的穩定性產生不利影響。

綜上所述，該滑坡具備了地形、巖土結構等基礎條件，滑坡的發生是由于前期開挖形成高陡臨空面導致坡腳應力集中，在機械振動，降水作用的綜合影響下，坡體產生累進性破壞。

2.2 滑坡機理的數值模擬研究

為了進一步對滑坡機理進行研究，采用UDEC數值模擬軟件對滑坡體的滑坡機理以及滑坡后仰坡穩定性進行分析。數值計算模型如圖3所示。計算模型的左右邊界以及底部邊界均約束法向方向的位移。計算采用強度折減法對邊坡的穩定性進行分析。

數值模擬計算結果如圖4所示，從圖4a)中邊坡的剪應變云圖可以看出，邊坡的剪應變主要集中在距離邊坡面較近的地方，剪應變較大的區域一直由邊坡的頂部貫通至仰坡下部坡度較大的坡面部位。邊坡頂部的剪應變較大部位與滑坡后緣的位置基本一致。從圖4中也可以看出，剪應變較大的部位也集中在邊坡中部偏下的位置，這與現場中下部出現次級滑坡的位置也較為接近，這一現象從數值模擬結果來看主要考慮是受到兩種不同黃土分界面的影響。此時邊坡的安全系數為0.76，邊坡處于不穩定狀態。

對滑坡后的仰坡進行計算，如圖4b)所示，從計算結果來看，剪應變較大的部位距離邊坡表面較近，剪應變沿著滑坡后的邊坡后緣一直向下貫通至邊坡的底部，在這種情況下，邊坡的穩定性依然較差。此時邊坡的安全系數為0.92，仰坡仍處于不穩定狀態，很有可能產生二次滑坡，這對于隧道的后續施工以及后期列車的安全運行極為不利，因此需要對邊坡進行及時的治理。

3 邊坡治理方案

由于仰坡滑坡后仍有繼續滑坡的可能性，因此需要對仰坡進行合理的加固，以此來確保隧道后續的施工安全。該邊坡整治綜合考慮邊坡高度、隧道洞口處理措施等綜合因素，采用以下處理方案:

1)清方范圍沿錯動面清方至隧道洞頂附近后設置平臺，標高1 905以上清除滑坡錯落體，邊坡按每級10 m高度，坡率按照1∶1，每三級設置一處大平臺，平臺以下保留坡腳已堆積的土體，堆積土體不足部分回填清方土體進行反壓，反壓土體邊坡采用種植草灌植物進行防護，并在坡腳設置矮擋墻。

2)清方露出的邊坡從平臺頂面向上設置階梯型邊坡，坡面采用帶截水槽的骨架進行防護，骨架內種植綠色植物，每級邊坡頂部設置平臺截水溝，邊坡頂部以外設置排水溝。

4 結語

本文根據洪亮營隧道出口處的砂質黃土滑坡為例，對該邊坡的失穩機理進行了分析，可以得到如下結論：

1)該砂質黃土仰坡滑坡的主要誘發因素是受到地形條件、巖土性質及結構、振動影響以及降水的影響所導致。

2)通過數值模擬研究可以發現，隧道出口處仰坡的穩定性較差，邊坡的剪應變集中部位距離邊坡表面位置較近，并且貫通整個邊坡。滑坡后的邊坡仍然處于不穩定狀態，需要進一步加固處理。

3)對邊坡的治理主要采取清方與壓腳的措施，并且設置截水與排水的結構。本文根據黃土滑坡的實例分析其失穩因素與機理，并提出了相應的治理方案，希望為今后類似的地質體邊坡隧道施工提供借鑒，減少類似滑坡事故發生。