某隧道洞口段斜穿復(fù)合型滑坡體的綜合治理及評價

張可能,李 斌,張洪亮，戚玉祿,張?jiān)埔?/p>

(1. 中南大學(xué) 有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410083；2.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083；3.湖南建工交通建設(shè)有限公司，湖南 長沙 410004)

0 引言

因?yàn)樯綆X地區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜性和城市道路選線的局限性，常采用隧道的形式穿越山體，而在隧道施工中，容易引發(fā)洞口段的山體滑坡，或使已經(jīng)穩(wěn)定的古滑坡復(fù)活等災(zāi)害。而因選線已確定，只得繼續(xù)隧道施工，此時山體的穩(wěn)定性與隧道能否順利施工以及安全運(yùn)營密切相關(guān)，此類結(jié)合隧道施工的滑坡災(zāi)害治理已然成為工程界的難題。

針對滑坡失穩(wěn)地段的隧道破壞機(jī)制、滑坡-隧道相互作用機(jī)理和滑坡體綜合治理措施等內(nèi)容，國內(nèi)外學(xué)者做了許多研究，并取得一定成果。馬惠民、吳紅剛等[1-7]系統(tǒng)地論述了滑坡-隧道變形類型、坡體失穩(wěn)段地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型以及相互作用機(jī)理；陶志平、周德培等[8-11]確立了滑坡-隧道相互作用關(guān)系的4類地質(zhì)力學(xué)模型；王永剛等[12]通過有限元等方法探究了穿越滑坡段的隧道開挖的加固效應(yīng)。N.Shimizu[13]通過監(jiān)測隧道附近的坡體變形及穩(wěn)定性，分析并評價隧道與坡體穩(wěn)定性的相互作用機(jī)制。已有的大部分研究主要針對沿河傍山修建公路或鐵路時遇到的隧道方向正交或大角度相交滑坡主滑方向的情況，且對隧道洞口段穿越滑坡體的治理措施與監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的研究較少。本研究以郴州市某隧道出口段滑坡?lián)岆U治理工程為依托，探討滑坡-隧道斜交體系下隧道施工對滑坡穩(wěn)定的影響，提出滑坡體和隧道洞門施工的綜合整治方案，并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬分析治理效果及隧道與滑坡在施工中的相互作用機(jī)制，望對今后類似工程的治理與研究提供參考和借鑒。

1 工程概況

依托工程的隧道由左右兩條單向三車道隧道組成，總長1 265 m，軸向NW284°。單洞開挖寬度約為12.1 m，開挖高度約9.8 m，最大埋深為83 m，隧道斷面開挖面積達(dá)114.36m2。

隧道洞口段為斜坡邊緣，坡面上陡下緩，周邊地形起伏，環(huán)境復(fù)雜，坡頂有數(shù)棟4層高村民自建房屋及一條行車公路。

為加快施工進(jìn)度，隧道施工選擇雙向施工。但因隧道施工挖方坡腳時，山體出現(xiàn)蠕動變形，坡頂?shù)缆烦两甸_裂，坡面出現(xiàn)數(shù)處張拉裂縫，且變形仍在持續(xù)發(fā)展，最終發(fā)展為上部推移下部牽引的復(fù)合型中型巖土混合滑坡，滑坡主滑向?yàn)镾E136°。滑坡與隧道的位置及滑坡范圍如圖1、圖2所示。

圖1 平面位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of plane position

圖2 A-A′典型剖面隧道與滑體位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of relative positions of landslide mass and tunnel in typical section A-A′

2 滑坡穩(wěn)定性分析

2.1 整體穩(wěn)定性分析

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查及滑坡發(fā)展過程分析，在坡腳挖方前，坡體因坡頂修建房屋和道路，形成局部堆載，并改變原山坡坡面自然散排體系，已出現(xiàn)局部推移式蠕動變形。加之隧道施工時的坡腳切方，加劇原有坡體變形，在滑動面貫通后，形成大范圍山體滑坡，阻礙隧道施工。

該滑坡的滑體地層主要為粉質(zhì)黏土、填土和炭質(zhì)頁巖，滑帶土為軟弱煤系土。通過現(xiàn)場取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)并綜合考慮區(qū)域經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，對治理加固前的滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性計算。由試驗(yàn)得知，滑帶土天然狀態(tài)下：重度為γ=19.7 kN/m3，c=14～17 kPa，φ=123°；飽和狀態(tài)下為γ=20.1 kN/m3；c=13～15 kPa，φ=9.6°。選取滑坡主滑斷面進(jìn)行穩(wěn)定性計算，結(jié)果顯示，在自重+暴雨不利工況下，該滑坡斷面的穩(wěn)定系數(shù)為0.934，剩余下滑力為468.529 kN/m[14]。

2.2 滑坡支護(hù)前穩(wěn)定性分析

為監(jiān)測坡體表面位移，共設(shè)置56個觀測點(diǎn)，選取其中32個重點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)分析，其點(diǎn)位布置如圖3所示。

圖3 滑坡體監(jiān)測點(diǎn)及支護(hù)布置Fig.3 Layout of monitoring points of landslide mass and support

坡面位移監(jiān)測點(diǎn)延滑動方向排列布置，將坡面位移監(jiān)測點(diǎn)的水平位移變化呈現(xiàn)在一張圖中，各測點(diǎn)的位移變化情況如圖4所示。[15]

圖4 坡體地表監(jiān)測點(diǎn)水平位移變化曲線Fig.4 Curves of horizontal displacements at monitoring points on slope surface

由圖4可知：在坡腳施工挖方(30 d)前，邊坡處于緩慢蠕變狀態(tài)，監(jiān)測點(diǎn)位移量較小。隨著坡腳挖方施工，加之區(qū)域短時降雨量增大，坡體出現(xiàn)明顯位移，且這種變化伴隨著施工的全過程。此后，隨著抗滑樁等支護(hù)措施的施工，滑坡位移速率逐漸降低，并趨于平穩(wěn)。

3 綜合治理方案

綜合考慮滑坡特點(diǎn)及形成的影響因素，必須對已成型滑坡進(jìn)行綜合整治，在消除滑坡隱患后，繼續(xù)隧道結(jié)構(gòu)施工。治理特點(diǎn)如下：

(1)滑坡治理方案應(yīng)結(jié)合隧道施工方案綜合設(shè)計；

(2)滑坡治理和隧道設(shè)計需考慮到隧道施工階段隧道與滑坡的相互影響；

(3)坡頂及周邊有房屋、道路分布，住戶眾多，因此為保障房屋和民眾的安全，需嚴(yán)格控制施工及工后的位移變形。

3.1 滑坡整體治理方案

依據(jù)工程詳勘資料，針對滑坡形成機(jī)制和影響因素，結(jié)合隧道選線布置及后續(xù)施工，擬定“錨索抗滑樁+錨桿框格梁支擋”的治理方案。

隧道出口處中型滑坡體的具體治理措施：抗滑措施主要采用錨索抗滑樁，針對復(fù)合型滑坡發(fā)育特征，在滑體中上部并垂直于主滑方向設(shè)置一排拱形錨索抗滑樁，保護(hù)坡頂已建房屋建筑，減小滑坡推力；考慮到隧道施工，結(jié)合隧道洞門端墻，在緊貼洞門后壁(滑體下部)處布置錨索抗滑樁，為洞門施工開挖樁前土提供支擋力的同時，貼合隧道洞門端墻，保護(hù)擬建隧道洞門結(jié)構(gòu)；在擬建隧道左洞軸線外設(shè)置一排平行于軸線方向的抗滑樁，并與前后兩排抗滑樁相連形成“工字型”結(jié)構(gòu)整體；在抗滑樁結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計要求強(qiáng)度后，對前后排樁之間的滑坡體進(jìn)行卸載，減小滑體自身重力，并保護(hù)表層坡體穩(wěn)定；修筑排截水邊溝，防治地表水下滲。抗滑樁樁徑1.8 m，樁長平均27 m，根據(jù)實(shí)際地層，以穿過滑動面1/3樁長控制。支護(hù)結(jié)構(gòu)布置圖如圖3所示。

3.2 隧道設(shè)計施工方案

洞口段圍巖主要為粉質(zhì)黏土和炭質(zhì)頁巖，該段圍巖承載力低、穩(wěn)定性差，加之隧道施工穿過滑體，因此除滑坡支護(hù)治理外，加固圍巖并消除滑坡推力和洞頂偏壓對施工中圍巖穩(wěn)定的影響也至關(guān)重要。

隧道支護(hù)在考慮滑體支護(hù)的基礎(chǔ)上強(qiáng)化超前管棚和初期圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)。進(jìn)口處使用套拱進(jìn)洞，并利用I20a鋼拱架工字鋼，將I20a工字鋼一起澆注在60 cm厚C25混凝土中以進(jìn)行內(nèi)膜搭制,在澆注前預(yù)埋Φ108 mm×40的鋼管作為定位導(dǎo)向套管。選擇上下斷面正臺階法開挖Ⅳ級圍巖段，而V級圍巖段則使用保留核心土環(huán)形開挖法。洞口超前管棚施工采用平行鉆機(jī)鉆孔，人機(jī)協(xié)同配合插入Φ89鋼管并注漿。

4 綜合治理效果分析

為確保隧道安全穿越出口段滑坡，在滑坡區(qū)設(shè)置深部位移和地表位移監(jiān)測點(diǎn)，實(shí)時掌握變形情況(圖3)，并在隧道開挖過程中設(shè)置監(jiān)控量測斷面，監(jiān)控圍巖變形和圍巖壓力(圖5)。

圖5 隧道圍巖位移監(jiān)測點(diǎn)布置Fig.5 Layout of monitoring points for displacement of surrounding rock of tunnel

分析監(jiān)測數(shù)據(jù)時，需明確治理過程中的幾個重要時間節(jié)點(diǎn)：(1)坡腳開挖(2016-10-15)；(2)進(jìn)行滑坡治理施工(2017-2-23)；(3)主體錨索抗滑樁完成施工，并達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度(2017-6-10)；(4)完成超前管棚加固，開挖隧道左洞(2017-7-19)；(5)隧道穿越滑體，開挖至滑床，并完成初期支護(hù)(2017-11-25)。

4.1 滑坡變形監(jiān)測分析

為分析在隧道施工和滑坡推力作用下，滑體變形沉降規(guī)律，選取滑坡主要滑動面中的深部位移監(jiān)測點(diǎn)A002進(jìn)行分析。

A002深部位移監(jiān)測點(diǎn)位于滑坡體中部，距左線隧道軸線約15 m，觀測深度22.5 m。初始值為布設(shè)孔位第2 d的觀測值，每隔2 d觀測一次，篩選其中典型日期數(shù)據(jù)，取得監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

圖6 A002量監(jiān)測點(diǎn)深度-位移曲線Fig.6 Curves of depth-displacement at monitoring point A002

從深度-位移曲線可知，在8～10 m深度范圍出現(xiàn)了明顯的突變，結(jié)合鉆孔柱狀圖，可確定此處為一厚度約為2 m的滑動帶。

由圖7可知，滑帶位移過程經(jīng)歷3個明顯的階段：第1階段(45 d之前)，累計位移量為3.08 mm，最大變形速率為0.1 mm/d，速率緩慢并趨于穩(wěn)定，屬小變形階段；第2階段(45～223 d內(nèi))，期間位移量急劇增加，最大變形速率為1.3 mm/d，位移最大值達(dá)到22.58 mm，為變形劇烈階段[16]；第3階段(223 d之后)，變形速率減緩但不斷波動，最大位移量為1.5 mm。在整個監(jiān)測期內(nèi)，變形主要集中在第2階段，而此階段主要為坡腳開挖造成滑坡失穩(wěn)滑動和滑坡治理施工，之后逐漸趨于穩(wěn)定，表明錨索抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用，抑制了滑體進(jìn)一步變形；之后一次明顯的波動，主要是因?yàn)樽缶€隧道階段，當(dāng)隧道穿越滑坡體后，變形保持在一個穩(wěn)定狀態(tài)，并有收斂穩(wěn)定的趨勢。

圖7 A002監(jiān)測點(diǎn)9 m處位移曲線Fig.7 Curve of depth-displacement at 9 m of monitoring point A002

為進(jìn)一步分析隧道施工中，隧道上部地表沉降規(guī)律滑體穩(wěn)定性影響，左線隧道滑坡段上部道路沉降監(jiān)測點(diǎn)E1～E5進(jìn)行分析，監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。

注：圖中監(jiān)測以隧道開挖日期為起始時間，并將此前各測點(diǎn)的沉降清零。圖8 左線滑坡段隧道上部地表沉降曲線Fig.8 Curves of surface settlement of left landslide section at upper part of tunnel

由圖8可知：隨著隧道的開挖，地表監(jiān)測點(diǎn)的沉降變形量逐漸增大，當(dāng)掌子面到達(dá)滑帶附近時，各測點(diǎn)的沉降速率達(dá)到最大；當(dāng)掌子面通過滑帶、初期支護(hù)完成后，各測點(diǎn)沉降量則逐漸趨于穩(wěn)定。

4.2 隧道圍巖變形監(jiān)測分析

因隧道左側(cè)在主滑坡側(cè)，處于滑坡段的結(jié)構(gòu)體長，受滑坡體影響最大，同時施工時亦對滑坡穩(wěn)定性影響最大。本研究取隧道穿越滑帶前的兩個斷面進(jìn)行分析-ZK0+810和ZK0+830斷面，其拱頂沉降量如圖9所示。

圖9 隧道左線斷面拱頂?shù)湫统两登€Fig.9 Typical settlement curves of tunnel vault in left section

左線ZK0+810斷面距離滑帶約20 m。由圖9可知：隧道拱頂變形受到滑坡推力和洞頂?shù)匦纹珘旱墓餐绊懀赯K0+840斷面隧道上臺階開挖后，直到開挖面推進(jìn)約20 m前，拱頂下沉速率較大，其間下沉量占總沉降量的64.19%，當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用以及圍巖應(yīng)力重新分布，拱頂沉降逐漸趨于穩(wěn)定，總下沉量約125.24 mm。相比于ZK0+840斷面，ZK0+810斷面拱頂在隧道繼續(xù)開挖后，下沉速率更大，加速變形期的下沉量更大，為前者的1.59倍，而區(qū)域穩(wěn)定后的總下沉量為前者的1.35倍[17]。由此可知，在滑坡-隧道斜交的隧道建設(shè)中，越接近滑動帶的隧道斷面變形越劇烈，拱頂沉降量也越大；而最終沉降量都減緩并收斂，表明此治理措施在滑坡段隧道施工中取得實(shí)際成效。

5 數(shù)值模擬分析

5.1 模型概況

為驗(yàn)證監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性和方案的支護(hù)效果，采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬方法建立三維模型如圖10所示。模型為184 m×226 m×130 m等比例建模。模型主要有6個部分，即滑坡體、滑床、滑帶、抗滑樁、錨索、襯砌。滑床和滑體采用摩爾-庫倫模型，滑帶通過殼單元實(shí)現(xiàn)，襯砌采用襯砌單元實(shí)現(xiàn)，抗滑樁采用樁單元實(shí)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力錨索通過錨索單元Cable實(shí)現(xiàn)。模型參數(shù)通過詳勘報告參數(shù)及相似比轉(zhuǎn)化而來。模型的分析工況分3種：滑坡支護(hù)前工況、滑坡支護(hù)隧道未開挖工況和隧道開挖后工況[18-19]。

圖10 數(shù)值模型Fig.10 Numerical models

5.2 數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

選取不同分析工況下的滑坡位移變形進(jìn)行分析，以驗(yàn)證斜交隧道洞口段滑坡治理方案的效果。

圖11 滑坡主滑斷面變形云圖(單位：m)Fig.11 Deformation nephograms of main slide section of landslide (unit: m)

(1)滑坡最終位移量對比分析

在滑坡未支護(hù)、滑坡支護(hù)隧道未開挖，以及滑坡支護(hù)且隧道貫穿滑動面3個工況下，選取滑坡主滑斷面的變形云圖進(jìn)行比對分析。

如圖11所示，當(dāng)滑坡處于天然未支護(hù)狀態(tài)時，滑坡失穩(wěn)滑動，變形劇烈，最大位移量約為2.32 m；而在隧道開挖前的滑坡防治工程中，如前述方案，設(shè)置抗滑支擋結(jié)構(gòu)后，滑坡整體位移減緩，斷面的位移量急劇減小，最大位移量僅為4.78×10-5m，滑坡整體趨于穩(wěn)定；在隧道穿越滑帶進(jìn)入滑床后，滑坡體未見明顯變形，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖12 滑坡平面變形云圖(單位：m)Fig.12 Deformation nephogram of landslide section(unit: m)

如圖12所示，滑坡區(qū)域整體穩(wěn)定，變形值均在可控和工程要求范圍內(nèi)，其中隧道洞身部位及周邊巖土體變形雖相對較大，但位移量也較小。

由上述數(shù)值模擬結(jié)果可知，針對此類斜交隧道洞口段的滑坡防治工程所提出的綜合治理方案可行，在滑坡治理、隧道開挖及隧道貫通等全過程中坡體處于穩(wěn)定安全裝填，滑坡治理效果良好。

6 結(jié)論

(1)針對滑坡-隧道斜交時隧道洞口段滑坡治理，提出以“工字型”抗滑樁為主體的綜合治理方案,并在原隧道設(shè)計的基礎(chǔ)上，對超前管棚和初期支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)。施工后，拱頂沉降和坡體深部位移的變化趨勢表明隧道結(jié)構(gòu)和坡體均處于安全狀態(tài)，治理結(jié)果良好。

(2)結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果分析，在隧道結(jié)構(gòu)穿過滑體后，隧道洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)與“工字型”抗滑樁形成組合抗滑結(jié)構(gòu)體，共同抵抗滑坡推力，從而進(jìn)一步提高運(yùn)營期間的坡體穩(wěn)定性。

(3)通過分析隧道拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，可知滑坡段隧道收斂明顯，且愈趨近滑帶，隧道沉降變形愈大。鑒于此特點(diǎn)，建議此后類似工程在滑坡段隧道施工中預(yù)留較大的變形空間。

(4)在滑坡-隧道斜交體系中，滑坡段隧道在地形偏壓和滑坡推力的影響下，隧道坡頂沉降劇烈，且隧道滑坡主滑段一側(cè)的圍巖壓力強(qiáng)烈，為保證隧道施工安全，有必要設(shè)置一排與隧道軸向相平行的抗滑樁以抵抗下滑力和圍巖壓力。