隧道正交穿越滑坡體的變形特征及控制技術探討

尹川 王劍非 周文皎 萬軍利 李知軍

1.云南建設基礎設施投資股份有限公司，昆明650011；2.云南省建設投資控股集團有限公司，昆明650011；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081

開挖、地震、降雨等因素容易誘發滑坡復活、啟動和變形破壞，使得穿越其中的隧道產生破壞，嚴重影響鐵路和公路的建設和運營。1970年以來，越來越多的研究人員關注并研究滑坡-隧道問題。山田剛二等［1］首次提出將滑坡問題和隧道問題結合起來研究的觀點，并研究了隧道滑坡病害發生的基本地質條件和誘發原因。周德培等［2］探究了蠕動型滑坡的病害誘因及其變形破壞機理，并提出了五類滑坡-隧道地質模型。馬惠民、吳紅剛等［3-7］開展了大比例室外模型試驗，并利用理論分析和數值計算反演分析研究了隧道不同穿越形式下的變形特征。魏家旭、張玉芳、周文皎、李家龍等［8-13］針對典型滑坡-隧道問題開展滑坡及隧道的變形機理研究，利用地質分析判斷、原位監測、數值模擬等方法提出了合理的控制技術，降低了工程代價，保證了線路安全通車。

以上學者針對隧道以不同角度和位置穿越滑坡的問題開展了受力特征、變形機理、整治方案等方面的研究。在隧道正交穿越、平行穿越和斜交穿越滑坡體三種情況中，最為常見和突出的問題是隧道-滑坡正交問題。這里正交指滑坡軸向與隧道軸向呈70°～90°相交。

根據隧道正交穿越滑坡體（尤其指滑帶）的空間關系可分為隧道從滑坡體內、滑帶上以及滑床內三個位置穿越，如圖1所示。其中①為隧道位于滑坡體內；②為隧道穿越滑面；③為隧道位于滑床內。當隧道-滑坡為正交關系時，隧道施工擾動可能引起滑坡體的局部蠕動變形，繼而引起其整體復活滑動，使得穿越滑坡體段的隧道產生開裂形變甚至破壞，嚴重威脅隧道安全和邊坡穩定。

圖1 隧道正交穿越滑坡體分類

現階段的研究只局限在隧道與滑坡的相對位置分類及各種穿越形式下的變形特征，并沒有明確其破壞模式，難以開展后續整治工作。因此，本文在現有分類的基礎上，基于滑坡的破壞特征及滑坡-隧道相互作用，在僅考慮單滑面的條件下，按照隧道正交穿越滑坡體的相對位置，總結提煉六種隧道變形破壞模式，命名采用“發生部位-破壞方向及受力特征”的模式，并從隧道正交通過滑坡體內、滑帶及滑床三種情形進行詳細分析，提出適宜的控制技術。

1 隧道位于滑坡體內

在隧道設計時須考慮隧道所穿越地段的工程地質條件、圍巖強度等級、隧道埋深等。在隧道穿越滑坡體內時，隧道既受到圍巖土體傳遞的壓力，又受到滑坡傳遞的推力，存在隧道從滑坡體的牽引段、主滑段和抗滑段三種位置穿越的情形。沿滑動方向，在滑坡變形過程中牽引段和主滑段向前擠壓抗滑段，滑坡上部（后緣）的滑坡推力較下部（前緣）更大。隧道的埋深、橫截面大小也是影響隧道受力的重要因素。當隧道從較薄的滑坡體中下部（主滑段下部或抗滑段）淺埋穿越時，隧道將承受并傳遞較大的滑坡推力，受滑坡推力及淺埋偏壓作用等影響，其變形較穿越較厚滑坡體的變形更嚴重。因此，綜合考慮隧道埋深、穿越位置等因素，將隧道正交穿越滑坡體內的情況分為隧道從較厚滑坡體內和從薄滑坡體內穿越兩種情況。

1.1 隧道從較厚滑坡體中穿越

當隧道從較厚滑坡體中正交穿越時（圖2），斜坡對隧道的偏壓作用不明顯。一般而言，隧道在穿越滑坡體內和滑坡側界處的受力是不同的。滑坡側界-滑坡體橫向錯斷破壞模式下的隧道受力及變形如圖3所示。

圖2 隧道從較厚滑坡體中穿越示意

圖3 滑坡側界-滑坡體橫向錯斷破壞模式下隧道受力及變形

在滑坡體左右界處，由于周圍穩定巖體的摩阻力形成左右側兩對力偶，對穿越其中的隧道產生剪切作用。滑坡蠕動變形時，其剪切力將逐漸產生并增大。如果滑坡側界的剪切力大于襯砌結構的抗剪強度，那么隧道將產生剪切裂縫甚至破壞。

由圖3（b）可知，滑坡體內的隧道主要承受上覆巖土的擠壓力P、隧道山側傳來的滑坡推力F以及隧道河側承受的巖土抗力K。在這些力的共同作用下，隧道整體向河側變形偏移。由于滑坡體內沿滑坡主軸向兩側的滑動速度逐漸減小，因此不同滑動速度引起的變形導致不同位置的隧道產生不同破壞程度的橫向變形，表現為相互錯動的橫向破壞。隧道穿越滑坡體內部的長度較長時，橫向變形會表現為彎曲變形，這種破壞模式稱為滑坡側界-滑坡體橫向錯斷破壞。

成昆（成都—昆明）鐵路林場隧道［14-16］位于四川省青杠至沙壩段內，在隧道選線和建造時就發現該處隧道正交穿越一古滑坡（圖4）。設計時采用了適宜的整治方案，使得該段線路在建成后的24年（1969—1991年）內一直處于安全運營的狀態。但1991年7—9月連續強降雨使得地表短時間內匯水并下滲，增加了滑坡體自重，同時也使得滑坡體的滑動帶向更深部牽引至基巖（玄武巖）頂部的風化帶處，加之坡腳常年受河流沖刷下切，致使古滑坡復活，后緣裂縫逐漸張開，隧道內出現20余條橫向裂縫及錯臺，整體向河側變形偏移約540 mm，沉降約100 mm。

圖4 成昆鐵路林場隧道滑坡平面示意

該隧道病害與隧道開挖并無直接關系，主要是受河流長期沖刷下切的影響，短時間強降雨導致古滑坡體復活。隧道整體均處在滑坡體內（隧道全長75 m，滑坡寬320 m），因此，隧道整體向河側偏移，沒有受到側界的剪切作用。該隧道的病害整治采用了大量的抗滑工程，整治費用較高。

1.2 隧道從較薄滑坡體中穿越

隧道正交穿越抗滑段或主滑段前部時，滑坡體抗滑段及主滑段厚度較小，屬于淺埋隧道，抗滑段幾乎被隧道占據，絕大部分滑坡推力由隧道承受和傳遞，隧道圍巖承擔較少。隧道施工時抗滑段的抗滑力被快速、大量地移除，使得抗滑力幾乎為0，引發上部巖體向隧道開挖處變形和擠壓，開挖處地表隆起鼓脹。同時，后緣裂縫張開貫通，雨水下滲軟化滑面，進一步加劇隧道變形破壞。在隧道山側邊墻和山側拱肩處受壓較嚴重，且沿著隧道軸向有縱向裂縫展布，其變形破壞的發展周期及破壞程度較滑坡側界-隧道橫向錯斷破壞更嚴重。這種從較薄滑坡體內穿越的破壞模式稱為薄滑坡體-隧道縱向擠壓破壞。

南昆（南寧—昆明）鐵路尾組一號隧道［17］位于八渡站至文佃站區間。斜坡賦存一古滑坡體，巖層順傾172°∠33°，該隧道以NW34°從斜坡體中下部穿越，如圖5所示。2017年9月連續強降雨（降水量191.7 mm），致使隧道仰坡產生明顯的變形，隧道內出現長約4～7 m的橫向貫通裂縫，裂縫滲水明顯，在滑坡右側界處有環向貫通剪切裂縫展布，錯開約10 mm。

圖5 尾組一號隧道滑坡全貌

該隧道病害是強降雨導致的古滑坡體整體復活。受滑坡影響，隧道向河側偏移，有明顯錯動。采用了布設抗滑樁等支護形式進行整治，費用較高。

2 隧道位于滑面（帶）上

隧道正交穿越滑坡體的滑面（帶）時，隧道受到上覆巖土壓力P、隧道山側傳來的滑坡推力F及隧道河側承受的巖土抗力K，如圖6所示。此時，隧道類似一個位于土體中的薄壁空心圓筒，抗剪截面積不大，抗剪能力較弱，受滑帶蠕動變形時在滑面附近易產生剪切破壞。使其產生變形開裂或破壞失效的因素主要為隧道開挖施工和降雨。一方面隧道的開挖使得滑面被切割，隧道結構承擔并傳遞滑坡推力，由于隧道襯砌結構只能承受小變形，與土體相比其抗力較小，極易被剪斷破壞。另一方面，受隧道開挖卸荷的影響，隧道周邊形成一定的松動圈，圍巖松動形成較大的空隙，引起地表水或者地下水向隧道方向（尤其是滑面位置）的聚集和流動，軟化滑面巖土，導致滑坡體沿著滑面向下蠕動變形，進一步誘發隧道的失穩開裂。隧道從滑面位置穿越的破壞模式稱為滑面-隧道縱向剪切破壞。

圖6 滑面（帶）-隧道縱向剪切破壞模式下的隧道受力

隧道穿過滑面（帶）不同位置時的變形特征不同。①當隧道正交通過滑坡體牽引段滑面（帶）時，受后緣張開下錯的影響，隧道會沿著滑面附近產生水平拉伸破壞并逐漸產生豎直方向的下錯擠壓破壞；②當隧道正交通過滑坡體主滑段滑面（帶）時，在隧道穿越滑動面附近產生平行于滑面（帶）的斜向剪切裂縫，嚴重時產生剪切錯斷；③當隧道從滑坡體抗滑段滑面正交穿越時，隧道沿滑動面除產生剪切破壞外，還受到滑坡推力而引起擠壓變形。

成昆鐵路毛頭馬1#隧道、汕湛（汕頭—湛江）高速公路水墩隧道、廣樂（廣州—樂昌）高速公路大源1號隧道等的破壞均屬于滑面-隧道縱向剪切破壞。其中較為典型的是水墩隧道，其以近正交形式從老滑坡體的滑帶處穿越，現場揭露的地層主要為上覆的滑坡堆積層和下伏的砂巖、花崗巖；斜坡中分布較多的馬刀樹；隧道開挖前地表多處裂縫展布貫通，裂縫最大寬度約20 cm。

受隧道開挖和長期降雨影響，圍巖穩定性下降，加之隧道開挖切割滑帶，導致隧道承擔并傳遞了較大的滑坡推力作用，在滑帶附近的隧道產生較多的裂縫，使得隧道襯砌產生變形破壞及洞頂塌方病害，地表塌陷。隧道的病害不僅引起了周圍巖土體變形，地下水向該區域富集，還導致老滑坡體的局部變形和復活（圖7）。

圖7 水墩隧道滑坡-隧道病害斷面

3 隧道位于滑床內

滑床在滑坡失穩變形期間一般不發生變形，但滑面以下一定距離內的巖土體仍會受滑坡滑動影響，使靠近滑面處的部分滑床巖土體可能發生變形，當隧道從這些位置穿越時可能產生變形甚至破壞。根據滑床的形態，隧道可能從滑坡的后緣后部、前緣前部及滑面下部的巖土體三個位置穿越。這三種情況下隧道的受力機理和變形特征差異很大。

3.1 隧道從滑面以下巖土體內穿越

隧道在滑面（帶）以下開挖，受力來自巖土壓力P和滑坡產生的擾動力Q（圖8），主要表現為隧道頂部滑坡滑動引起的巖體松弛堆塌，局部可能產生坍塌或擠壓變形。隧道開挖形成的松動圈（擾動范圍）使得隧道與滑面（帶）之間原有的隔水層產生空隙，引起不平衡的地下水壓，致使承壓水向隧道位置不斷補給，同時滑面不斷軟化，加劇松動圈圍巖松動，易出現擠壓或者堆塌破壞。這類破壞模式稱為滑床-隧道縱向坍塌破壞。這種情形多發生在隧道開挖位置位于古滑坡堆積體或巖堆體下部，受隧道開挖巖體松弛、地下水下滲等影響，隧道發生塌方冒頂，多數情況會牽引地表產生塌陷，且地表出現明顯的滑坡裂縫。此時滑坡局部穩定性下降，如不進行及時整治可能會牽引滑坡整體發生變形蠕動。

圖8 滑床-隧道縱向坍塌破壞模式下的隧道受力及變形

這種破壞模式下對于隧道與滑面之間的最小安全距離（擾動半徑）有不同的計算方法和研究觀點，一般認為最小安全距離集中在5～12 m。從受力上分析，隧道除受圍壓作用外，還受到滑坡擠壓作用。這些力的傳遞均與圍巖等級、坡體結構等因素有關。此外，施工工藝所引起的擾動影響也是不可避免的。因此，對于最小安全距離的計算有較大的差異，應明確不同圍巖等級下的安全距離。

香麗高速公路古那灣1號隧道［18］從一古滑坡堆積體下方正交穿越。松散堆積體厚度約15～20 m，多為第四系殘積相碎石土，成分較雜，斜坡下伏地層主要為三疊系板巖和灰巖。在隧道開挖過程中，受地下水活動、施工擾動卸荷等影響，隧道出現了塌方冒頂。受坍塌影響地表192 m×136 m范圍內產生變形，整體似鴨梨狀。在隧道洞頂的地表處形成了一個直徑63 m的塌坑，并且沿塌坑周圍形成4條長大貫通裂縫，分布在塌坑的兩側及山側。

古那灣1號隧道的塌方冒頂是受隧道開挖和長期降雨影響，圍巖穩定性下降，加之隧道開挖引起上覆松散體松動形成較大的空隙，加劇地下水向該位置的富集，使隧道襯砌產生變形破壞及洞頂塌方病害，地表塌陷。隧道的塌方冒頂不但使得圍巖體變形失穩，也一定程度上誘發了古滑坡體的局部復活，如不及時處置可能牽引古滑坡體整體失穩。

3.2 隧道從滑坡體后緣后部穿越

當隧道從滑坡體后緣后部穿越時，如果隧道邊墻距離后緣位置較近，可能由于滑坡滑動導致滑坡體結構應力調整而引起隧道受偏壓作用，在隧道山側和河側襯砌上產生縱向拉張裂縫或者彎曲外移，這樣的變形特征類似于滑坡側界-滑坡體橫向錯斷破壞模式中滑坡體橫向錯斷破壞的情形，但其變形程度較小，破壞程度有限。這種破壞模式稱為滑坡后部-隧道縱向牽引偏壓破壞。

3.3 隧道從滑坡體前緣前部穿越

當隧道從滑坡體前緣前部穿越時，如果隧道距離滑坡體前緣位置較近，那么隧道開挖可能引起前緣處巖體松弛，強度降低，進而可能引起滑坡產生深層滑面，前緣剪出口可能向河側更遠的位置偏移，前緣可能穿越隧道從而破壞隧道穩定。或者因滑坡體在大滑動固結后，在前緣處形成堆積，加大隧道的上覆土壓力。因此，在隧道設計或施工時須考慮增加前緣堆積體的上覆土壓力。這種破壞模式稱為滑坡前部-隧道縱向偏壓破壞。

4 隧道正交穿越滑坡控制技術

由于隧道與滑坡體內的空間關系存在差異，其受力特點和破壞模式也不盡相同，控制技術也應根據實際情況選擇。對于解決隧道-滑坡相互作用的問題，應首先明確控制技術的理念和原則。

4.1 控制技術的原則

隧道穿越滑坡地段時，開挖隧道會加劇滑坡體的不穩定，促使滑坡向變形破壞方向發展，也會使隧道產生變形，隧道的進一步變形破壞也會加劇滑坡的失穩破壞。因此，提出的控制對策既要保證解決隧道變形問題，又能整治滑坡失穩。

滑坡體的巖體強度是影響滑坡穩定的重要因素，滑坡的產生、變形及最終破壞的全過程是一個巖體強度不斷被剝蝕減少的復雜力學過程［19-20］。一般將滑坡體視為一個剛體結構，采用強度控制的方法和原則來解決滑坡穩定問題。廣泛用于滑坡加固的抗滑樁作為一種強支擋的工程措施，其適宜的尺寸和位置可保證滑坡安全和長期穩定。隧道也可視為一個剛體結構，由于須長期抵抗圍巖壓力并保持安全使用狀態，其結構只能承受小變形，在滑坡推力的作用下將無法承受較大的擠壓力而發生裂損。因此，考慮隧道穿越滑坡問題時須遵循一定的原則。

1）保證滑坡穩定的原則

當隧道通過滑坡體時，不管是哪種通過方式，一旦滑坡變形失穩，一定會引起隧道的裂損和破壞。所以解決該類問題時，首先應保證滑坡處于穩定狀態。

2）限制隧道（側向）變形的原則

在保證滑坡穩定的前提下，雖然滑坡整體穩定，但隧道是承受小變形的結構，滑坡體仍然存在局部變形，可能以致引起隧道偏位或變形破壞。所以須采取限制隧道變形的措施。

3）控制隧道局部受力的原則

隧道的設計一般不考慮滑坡的影響，僅僅考慮圍巖等級。在滑坡推力作用下隧道要承擔并傳遞部分滑坡推力的作用，導致隧道出現開裂變形甚至失效破壞。因此，應盡可能減少滑坡體直接作用于隧道結構上，有效控制隧道局部受力不均的情況。

4）避免地下水影響的原則

在滑坡變形或者隧道開挖過程中均可能破壞原有地下水平衡，改變地下水排泄路徑，加劇地下水向隧道洞室或滑面位置富集和補給，惡化滑坡穩定條件，影響隧道穩定。因此，須采用避免地下水影響隧道穩定和滑坡穩定的方法。

須指出的是，由于自然環境的變化，滑坡的形態、范圍和穩定性仍可能不斷變化。比如成昆鐵路林場隧道等工程，在選線和建設初期已經采用適宜的方法規避了滑坡的影響，但是自然環境的改變可能依舊威脅隧道的安全。所以，在解決滑坡-隧道的問題時要秉承對其采用控制的原則，而非一勞永逸的治理思路。控制的原則是對當下或未來可能產生滑坡及隧道所處環境中不利的因素進行改變和扭轉，以滿足實際工程需要。這種控制技術使滑坡及隧道在一定期限內是穩定的，但不排除由于新的外界因素影響而出現的新變化。

4.2 控制技術的提出

通常采用強支擋工程加固邊坡的方式解決滑坡-隧道問題，但是這種方式只考慮滑坡的穩定，并沒有真正解決隧道的變形問題。因此，在保證穩定滑坡的基礎上，提出了一種基于隧道上方地表注漿的綜合控制技術。這不是單純的某一種加固方式或加固方案，而是從控制滑坡穩定和限制隧道變形兩方面進行加固手段的融合。

1）控制滑坡穩定的方法有剛性支擋（如抗滑樁、抗滑擋墻等）、柔性支擋（如錨索、錨桿等），或者二者的組合結構（如錨索抗滑樁）。這些研究成果相對成熟，應用廣泛。

2）限制隧道變形可采用地表分段多次控制注漿技術。這種技術可對隧道圍巖的裂隙、空洞等進行注漿加固填補，改善圍巖體的強度和穩定性，減少其孔隙率，提升其整體性。注漿體對裂隙、空洞的填補還可阻隔地下水向滑帶或隧道洞室的補給通道，抑制地下水向施工范圍移動，使得隧道圍巖形成一個“無水”區，提高隧道兩側及拱頂位置巖體強度和抗滲性。注漿的主要載體鋼花管也可作為一種樁體，與周圍巖層一起組合成一個整體，在隧道周圍形成群樁地下連續墻的形式，相當于把隧道套在一個相對穩定的剛體內。這種剛體結構既滿足控制隧道變形的要求，又一定程度上滿足傳遞和承擔滑坡推力的作用，減少隧道傳遞滑坡推力，有效遏制滑坡體的滑動。該技術可有效解決施工安全性低、施工周期長等問題，具有快速施工、高效整治滑坡穩定和隧道變形的特點，起到了既整治滑坡穩定問題又限制隧道變形的雙重作用。

通過采用這種綜合控制技術，廣樂高速公路大源1號隧道、汕湛高速公路水墩隧道等的滑坡-隧道病害均得到了良好的治理，長期監測發現，整治后隧道滿足正常使用要求，邊坡也沒有發生新的變形。

5 結論

1）隧道正交穿越滑坡體時，基于隧道穿越滑體、滑面和滑床三種位置關系，存在六種隧道-滑坡相互作用下隧道破壞模式，即滑坡側界-滑坡體橫向錯斷破壞、薄滑坡體-隧道縱向擠壓破壞、滑面-隧道縱向剪切破壞、滑床-隧道縱向坍塌破壞、滑坡后部-隧道縱向偏壓破壞、滑坡前部-隧道縱向偏壓破壞。

2）在解決滑坡-隧道的問題時，要同時考慮滑坡整體穩定性和控制隧道的變形問題（尤指側向變形），遵循原則：保證穩定滑坡、限制隧道變形、控制隧道局部受力和抑制地下水作用。

3）基于洞頂鋼花管控制注漿技術的滑坡-隧道相互作用控制技術能夠快速施工，高效治理滑坡失穩定和隧道變形，起到了既解決滑坡穩定問題，又限制隧道變形的雙重作用，建議優先采用。