隧道洞口段開挖誘發順層滑坡特征及機理分析*

樊 榮 程 強 趙海松

(1.中鐵一局集團第四工程有限公司 咸陽 712000； 2.四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司 成都 610041)

順層邊坡為層面傾向與邊坡臨空面方向基本一致的邊坡。山區道路工程在順層結構邊坡段落布線，開挖邊坡誘發邊坡變形失穩問題突出、防治難度大。研究順層開挖邊坡的失穩破壞模式和機理，是科學合理采取防治措施的基礎。順層開挖邊坡破壞類型眾多、機理復雜。李安洪等[1]總結了8種順層邊坡開挖的失穩破壞模式，認為順層滑移、滑移-拉裂等為最常見的破壞模式，提出邊坡宜先加固后開挖。馮君等[2]研究認為順層邊坡開挖可能沿坡腳整體順層滑移破壞，宜邊開挖邊支護。李得建等[3]認為階梯狀滑動順層巖質滑坡在工程中較為常見，其巖橋和節理特性對階梯狀滑動面的形成至關重要。

目前雖然對順層開挖邊坡失穩破壞模式和機理研究較多[4]，但不同開挖方式、不同巖層傾角和巖性組合順層結構邊坡失穩破壞的影響因素眾多。已有研究多是針對路塹邊坡開挖邊坡順層滑動問題，而針對隧道洞口段開挖誘發的順層邊坡問題研究較少。本研究針對沐川至馬邊高速公路石梁子隧道洞口段開挖誘發順層邊坡巖體變形失穩問題，擬分析研究隧道洞口段開挖誘發邊坡失穩破壞特征及形成機理，為類似工程設計提供參考。

1 工程地質概況

沐川至馬邊高速公路全長43.8 km，位于四川省南部山區。場地主體構造為北東向延伸的五指山背斜和利店向斜。高速公路主要沿五指山背斜的北西翼布線。沿線出露地層主要為侏羅系沙溪廟組、遂寧組等，巖性主要砂泥巖互層。層面傾角在10°～35°的順層斜坡在沿線廣泛分布。項目勘察中發現14處大型順層滑坡災害，設計中采取了大量順層邊坡加固措施，施工中仍誘發多處滑坡災害。其中石梁子隧道洞口段開挖，誘發左側邊坡巖體順層滑移。

石梁子隧道為沐川至馬邊高速公路上的雙線隧道，左線和右線長分別為978 m和1 029 m，隧道凈間距18.7 m，隧道寬13.02，10.62 m。隧道進口位于順層邊坡坡腳，邊坡區出露基巖為侏羅系沙溪廟組砂泥巖互層，層面傾角為335°∠30°，層面傾向近似垂直于隧道軸線，巖體中發育有與層面平行的軟弱夾層，石梁子滑坡地質平面圖見圖1。

隧道由進口方向向出口方向掘進，采用臺階法開挖。左洞于2018年3月15日進洞開挖，洞口樁號ZK36+662；隧道右洞于2018年3月5日進洞開挖，洞口樁號K36+705。截止2018年4月17日，左洞上臺階掌子面掘進至ZK36+701.6，下臺階開挖至 ZK36+666.8，開挖后完成初期支護；右洞上臺階掌子面掘進至K36+766.8，下臺階開挖至 K36+755.4；K36+705-K36+742.2段完成二次襯砌，其余段落完成初期支護。

研究區屬亞熱帶濕潤季風氣候，根據距離滑坡場地7.8 km的馬邊氣象站氣象資料，1980-2020年間年平均降水量為1 002.3 mm，其中最大年降水量1 296.5 mm，出現在2018年。

2 滑坡過程及特征

石梁子滑坡位于石梁子隧道左側，隧道左洞擠壓變形見圖2。

圖2 隧道左洞擠壓變形

滑坡剪出口位于左線隧道左側拱腳附近，滑坡后緣位于順層斜坡上部。滑坡縱向長170 m，橫向寬90 m，平面面積約9 800 m2。鉆探揭示滑體最大厚度24 m，估算滑坡方量約20×104m3。

2.1 滑坡過程及特征

滑坡發生于2018年4月18日，其后經歷了近1個月的漸進變形過程，滑坡區范圍不斷擴大。根據失穩過程和地形地質特征，滑坡區劃分為初始滑動區(I區)、牽引滑動區(II區)和擠壓變形區(III區)3個區。滑坡失穩過程及特征如下。

1)I區初始滑動(2018-04-18)。I區的順層滑動發生于2018年4月18日約04：00。寬1～3 m的拉裂縫(見圖1中①號裂縫的BC段)出現在左線隧道左側50 m，延長約36.4 m。滑坡的滑動導致左線隧道洞口擠壓成倒“V”形，見圖2。I區平面面積約1 905 m2，估算失穩方量約1.8×104m3。滑體呈整體順層滑動的特征，坡面植被和噴射混凝土保存完好。

2)II區漸進式變形(2018-04-19～2018-05-16)。I區滑動后，II區觀察到6條細微裂縫(見圖1中裂縫②～⑦)，隨后裂縫不斷增多和擴大，呈漸進式破壞特征。2018年4月19日裂縫③和⑥分別擴展到③-1和⑥-1。2018年5月14日，坡面出現裂縫裂⑧和⑨，裂縫③、③-1和⑥-1寬度增大，并在裂縫⑦附近出現多條羽狀裂縫。

滑坡發生后在滑坡區布置了6個地表變形監測點，采用全站儀觀測。地表變形監測點時間-位移曲線及降雨量見圖3。

圖3 地表變形監測點時間-位移曲線及降雨量

監測點的時間-位移曲線較好說明了滑坡區變形的不斷發展過程。監測期間M1、M2、M3和M4監測點的變形量分別為430，317，328和288 mm，表明滑坡地表變形量由前向后逐漸減小。在2018年4月19-5月12日，監測點變形線性增長，隨后在2018年5月12-14日期間變形加速，2018年5月15日變形速率突然快速增大。

III區為II區滑動產生的側向擠壓變形區。在2018年5月14日的18：30在隧道右洞二次襯砌出現寬0.5～5 mm的裂縫，表明II區巖體較大的滑動變形擠壓III區巖體產生一定的變形，從而導致右洞隧道二次襯砌開裂。

3)II區巖體順層滑動(2018-05-17)。II區巖體在2018年5月17日的00：00產生滑動，滑坡左側的裂縫③、③-1、④和⑨加寬并貫通；延伸長度約80 m、寬0.2～0.9 m的裂縫⑩出現在滑坡右側邊界，表明II區巖體加速滑動變形。2018年5月17日晨，右洞二次襯砌中裂縫擴大到0.5～10 mm，且裂縫數量和范圍擴大，表明II區巖體的加速滑動變形進一步擠壓III區巖體產生變形。

4)應急加固(2018-05-17～2018-09-07)。2018年5月17日后采取了前緣反壓、左線和右線隧道之間設置1排抗滑樁的方式進行應急搶先加固(見圖1)。應急搶先加固工程在2018年9月7日完成，之后滑坡區趨于穩定。

2.2 滑體結構及滑動面

滑坡發生后，在滑坡區布置了9個鉆孔(見圖1)。鉆孔采用雙管單動取芯工藝，采取的原狀巖芯樣品能夠清晰揭示滑坡體的特征。通過對鉆孔巖芯的現場鑒別，確定滑動帶的位置，繪制滑坡地質縱剖面圖見圖4。典型滑體及基巖照片見圖5。

圖4 滑坡橫剖面圖

圖5 典型滑體及基巖原狀巖芯照片

通過詳細的編錄和分析得出滑體、滑帶和基巖特征如下。

1)整體滑動的滑體。石梁子隧道為基巖順層滑坡，呈現巖體整體滑動特征。鉆探揭示滑體呈“假基巖”特征，滑體層狀原巖結構清晰，滑體較基巖更為破碎，巖芯中見滑坡滑動而產生的拉裂縫和微裂隙，見圖5a)。滑體在靠近滑動面的部位受剪切錯動的影響更加破碎。

2)滑動帶。勘探鉆孔中有8個鉆孔揭示了2～10 cm厚的滑帶。滑帶可見多層滑動面，在滑動面附近可見薄的泥化層，滑帶之間為透鏡狀碎裂巖體、砂泥巖角礫等，表明了滑體滑動時滑帶的剪切錯動特征。

3)基巖。滑動面以下為砂泥巖互層的基巖，巖體完整性明顯好于滑體，見圖5b)。受滑動面剪切錯動影響，多個鉆孔在滑動面下方見最大厚度約30 cm的剪切錯動帶。

3 滑坡形成機理分析及處治

3.1 滑坡形成機理分析

分析石梁子隧道進洞開挖誘發滑坡及持續漸進性變形的原因，主要為如下方面。

1)不利的地質結構。順層結構邊坡是最容易產生滑坡災害的地質結構，層面往往成為邊坡巖體失穩變形的邊界面。石梁子隧道左側邊坡為順層結構邊坡，且巖體中發育有軟弱結構面。巖體中軟弱結構面抗剪強度低、浸水后易軟化，對邊坡巖體穩定極為不利。

2)工程開挖。石梁子隧道左洞在順層結構邊坡坡腳開挖進洞，雖然隧道開挖形成的臨空面較小(寬13.02 m，高10.62 m)。但左洞進口段屬淺埋偏壓段，尤其是發生滑坡的LK36+662-LK36+710段洞頂最大埋深僅10 m。隧道進口段開挖易于在洞身左側和拱頂產生較大的圍巖變形，為邊坡巖體的滑移創造了條件。

3)降雨的作用。根據馬邊氣象站降雨資料，自左洞進洞開挖至I區滑動(2018-03-15～2018-04-17)的33 d內累計降雨量78.1 mm，I區滑動前10 d的累計降雨量3.9 mm，顯然降雨不是觸發I區滑體滑動的因素。而II區滑動前6 d內無降雨，其變形不斷發展直至滑動的30 d內(2018-04-17～2018-05-17)累計降雨量44.7 mm。因此降雨對II區滑坡變形漸進性發展有一定促進作用，但不是直接觸發因素。

4)軟弱夾層應變軟化的力學特性。如上分析可見，石梁子滑坡經歷了長時間的持續漸進性變形過程(見圖3)。分析滑坡漸進性破壞的原因，主要在于滑坡中軟弱夾層的應變軟化力學特性。

研究表明軟弱夾層具有明顯的應變軟化特征[5]，應變軟化即材料達到峰值抗剪強度后，變形持續增加而應力逐漸降低的現象，應變軟化模型見圖6。

圖6 應變軟化模型

由圖6可見，在I區滑體滑動后，II區滑體即產生拉裂變形現象，表明巖體中的軟弱面(潛在滑動面)剪應力接近其峰值抗剪強度，在隨后的長期剪應力作用下，軟弱夾層材料軟化，強度逐步降低，導致變形不斷發展，最終破壞。

3.2 滑坡處治與反思

滑坡發生后，根據滑坡機理分析結合場地條件，先后進行如下應急工程處治和永久工程處治。

1)應急工程處治。隧道左洞工程開挖是誘發順層結構坡體滑動的直接誘因，為快速穩定滑坡體，在滑坡前緣采取反壓堆載以穩定滑坡體。同時為保障右洞安全，在左、右洞之間增設抗滑樁(圖1中支擋(1))。應急加固后監測表明滑坡區監測點變形不再發展，滑坡區趨于穩定。

2)永久處治措施。應急加固后滑坡區雖然穩定，但隧道左洞恢復施工依然會對順層坡腳進行開挖。因此在左洞左側增設1排抗滑樁(圖1中支擋(2))，以保障左洞施工開挖過程中滑坡體的穩定。同時采取了右洞接長40 m明洞、設置完善坡面截排水措施等，以保障滑坡體的穩定。滑坡處治工程施工完成后，再恢復左洞施工。滑坡綜合處治完成后，隧道順利貫通，2020年底已通車，運營過程中滑坡穩定。

石梁子隧道案例分析表明洞口淺埋段隧道工程開挖同樣會誘發順層結構邊坡巖體的滑移變形。因軟弱夾層具有應變軟化特性，順層邊坡開挖后會產生漸進式失穩變形。若在石梁子隧道工程開挖前采取預加固措施，則支擋結構抗力只需考慮I區滑體部分，軟弱層面抗剪強度可采用峰值強度。而在工程開挖誘發I區和II區巖體滑動后，軟弱夾層滑動變形導致抗剪強度參數大幅度降低，極大增加了作用在支擋結構上的下滑力，從而增大了防治結構工程量。因此順層結構邊坡開挖前，采取預加固措施，即能保障工程安全，又能大幅節約加固工程量和工程造價。

4 結語

1)石梁子滑坡可劃分為I區、II區和III區。I區滑體由石梁子隧道左洞進口段開挖誘發；II區為I區滑體的牽引變形區，呈漸進式破壞的特征；III區為II區滑體滑動的擠壓變形區。

2)砂泥巖互層結構順層結構邊坡巖體中發育由軟弱結構面，具有應變軟化特征，開挖邊坡往往具有漸進式破壞特征。順層邊坡施工開挖采取預加固結構，潛在失穩巖體范圍較小且軟弱結構面可采用峰值抗剪強度；而發生漸進式破壞的邊坡加固結構需考慮更大失穩區巖體的支擋，且軟弱結構面需采用軟化后較低的抗剪強度參數。因此順層結構邊坡隧道工程偏壓進洞宜采取預加固措施。