某隧道邊坡穩定性分析評價

茹杉杉 俞尚宇

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

邊坡穩定性問題是鐵路工程、管道工程及水利水電工程經常遇到的，直接關系到附近人員的生命安全及工程建筑物的安全、經濟和正常使用。在某隧道施工過程中，由于連續暴雨，隧道進口右側山體出現地表變形開裂，并分布有明顯裂縫，存在滑坡跡象，對當地村民的生命和財產有一定的安全隱患。發現問題后，有關單位立即組織專業技術人員進行現場踏勘，并開展相關工作。

1 自然地理概況

場地位于貴州省普安縣境內，隧道距普安縣城約10 km，有鄉間土路和施工便道相通。

場地屬亞熱帶高原季風氣候區，垂直方向差異較大，立體氣候明顯，降雨具有連續集中的特點，雨季多暴雨。降雨受地勢及季風氣候影響，在空間上分布不均勻。據普安縣氣象局資料，普安縣年平均降水量1 439 mm，最大年降雨量1 675 mm，最小年降雨量1 332 mm，多集中于五至十月份。災害性氣候主要為春旱、冰雹和暴雨。

2 滑坡區綜合勘察結果

2.1 滑坡范圍

評價范圍內的滑坡體位于隧道進口右側山體斜坡上，與隧道線位不相交，高程分布范圍為1 500～1 580 m。地貌屬剝蝕低中山—中山區，斜坡地形起伏較大，自然坡度一般為35°～40°，局部稍陡，坡向229°。根據野外調查訪問和勘探結果，該滑坡體滑坡周界以巖土體是否產生變形破壞為界，滑坡后緣位于施工便道上方，房子2的后右上方，滑坡前緣剪出口為施工便道邊緣;兩側以微地貌中自然形成的沖溝及陡坎為邊界。

滑坡體前緣橫寬45～50 m，縱長95 m，坡體平均坡度35°，主滑方向 229°，平均厚度約15 m，總體積約55 000 m3，屬于中型滑坡。據鉆探揭示，滑坡物質主要為堆積、坡積碎石土、角礫土，堆積厚度不均，屬于松散堆積體滑坡。

2.2 空間形態分布

根據現場調查踏勘，測繪地形，隧道進口右側滑坡的空間形態分布如圖1所示，山體上分布有明顯裂縫。滑坡整體呈長舌狀，滑坡體邊界明顯。前緣以施工便道內側為界，兩側以已滑塌范圍為界，后緣以滑塌形成的裂縫為界。

圖1 滑坡全貌及裂縫分布

2.3 坡體物質組成及結構特征

通過地表地質調繪及勘探資料分析，滑坡體物質組成主要為松散碎石土及角礫土。

(1)滑體

滑體物質組成主要為第四系松散殘坡積層，主要巖性為碎石土、粉質黏土，黃褐色，稍濕，呈松散狀。滑坡體物質結構較松散，透水性好，抗剪強度低，厚度不均，分布不均。局部滑坡體為滑塌變形后堆積物，主要為碎石土，夾強風化泥質砂巖和砂質泥巖，平均厚度約15 m，鉆探揭示最厚處可達21.4 m。下伏基巖為三疊系下統飛仙關組泥質砂巖和砂質泥巖，灰紫紅色，弱風化，節理裂隙發育，巖體較破碎。

(2)滑面

按照鉆探揭示情況，該滑坡體滑動面為松散堆積層與下伏基巖的巖性接觸面，呈折線形。滑床與滑體的接觸關系主要以下部風化基巖面為標志面。在滑體下部主要為含碎石粉質黏土、碎石土與中風化的泥質砂巖、砂質泥巖直接接觸。碎石土松散，透水性強，碎石土中的黏性土遇水易軟化。下部風化基巖工程性質較好，透水性差。勘察時，滑坡體內未見地下水，地下水主要該基巖面向下流動，在地下水作用下，滑坡體軟化，沿風化基巖層面下滑。

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(3)滑床

滑床為基巖，由中風化泥質砂巖、砂質泥巖組成，節理裂隙較發育，為軟質巖組。巖層產狀20°∠52°，走向與滑向呈交切關系。

2.4 滑坡變形破壞模式

分為牽引式滑坡和推移式滑坡［1］。

牽引式滑坡其變形特征一般表現為土體向臨空方向的剪切蠕動，坡體上產生自地表向深部的拉裂，進一步明顯變形產生貫通良好的拉裂縫，然后剪切進一步貫通，地表裂縫增多，伴有局部崩滑、掉塊產生，最終滑動面產生坍塌。

重力推移式滑坡其變形特征一般表現為土體向臨空方向迅速剪切滑動，剪切面已有軟弱結構面控制，其變形是由深部潛在剪切面逐步向地表發展，滑坡體后緣與剪出口位于地形變化轉折部位［2］。

綜合上述變形特征，結合滑坡發展過程和現場調查資料，該滑坡體形成的主要原因是連續暴雨狀況下，滑體內土體重度增加，滑面抗剪強度減小。同時，也受到施工便道開挖后形成臨空面以及坡體上部房屋荷載影響。因此，按照滑坡受力狀態，滑坡應屬于重力推移式滑坡。

3 邊坡穩定性分析

3.1 滑坡參數確定

根據勘察及地質調繪分析，該滑坡體的物質組成主要為碎石土，滑面的物質組成主要為含碎石粉質黏土。本次計算，主要考慮對該坡體進行穩定性評價，結合鉆探、調繪成果，分析該山體潛在滑動面為折線型。在勘察階段，根據鉆探、地質調繪等資料綜合確定，選取了該山體的剖面Ⅰ－Ⅰ'作為本次穩定性計算的典型剖面。

計算參數的選取結合目前的滑坡體穩定狀態，以及同類工程經驗類比的基礎上，對該滑坡體采用綜合取值法進行確定。隧道進口右側滑體主要以第四系殘坡積碎石土、角礫土為主，結合勘察試驗和同類工程的經驗確定滑體的重度參數。計算中，滑體天然重度取21.00 kN/m3、飽和重度取21.50 kN/m3。本次設計采用經驗值與參數反演結果綜合取值進行驗算，選取天然狀態和飽和狀態的邊坡巖土體內聚力(C)和內摩擦角(φ)，如表1所示。

表1 滑帶土(巖)抗剪強度參數采用值

3.2 穩定性分析計算

為保證勘察工作的有效性，以及保證治理設計工程的安全可靠行，結合該滑坡的實際情況，采用傳遞系數法［3］和理正軟件模型進行計算。同時，根據《巖土工程勘察規范》(GB50021—2001)2009年版，設計了兩種計算工況。

工況一:天然工況(自重);

工況二:暴雨工況(自重+50年一遇暴雨)。

(1)傳遞系數法

結合勘察、地質調繪的分析，本次滑坡穩定性計算采用傳遞系數法作為計算方法。勘探過程中，滑坡體內未見地下水，所以計算時不考慮浮托力和動水壓力。

式中:Fs—穩定系數;θi—第i塊段滑動面與水平面的夾角/(°);Ni—第i塊段滑動面的法向分力/(kN/m);Ri—作用于第i塊段的抗滑力/(kN/m);Ti—作用于第i塊段滑面上的滑動分力/(kN/m);Qi—第i條塊自重標準值與相應附加荷載之和/(kN/m);Ci—第i條塊滑面粘聚力標準值/kPa;Li—第i條塊滑面長度/m;φi—第i條塊滑面內摩擦角標準值/(°);ψj—第i塊段的剩余下滑力傳遞至第i+1塊時的傳遞系數(j=i時)。

根據已確定的滑坡體參數，根據上述公式進行傳遞系數法計算，得出該山體潛在滑坡典型剖面的安全系數如表2和表3所示，圖2為滑坡坡面條分情況，圖3為滑坡分段力系分解圖。

表2 隧道右側山體滑坡Ⅰ－Ⅰ'天然狀況下穩定性計算

表3 隧道右側山體滑坡Ⅰ－Ⅰ'暴雨工況下穩定性計算

圖2 傳遞系數法計算坡面條分

(2)理正軟件分析結果

圖3 滑坡分段力系分解

利用理正邊坡分析軟件，選擇復雜土層土坡穩定計算，選擇并輸入相關數據后得到分析結果。對于指定折線滑動面問題，軟件提供了簡化畢肖普、簡化簡布和摩根斯頓－普賴斯三種極限平衡計算方法［4］。

簡化畢肖普法適用于一般土層且滑動面為圓弧情況，該方法考慮了條間的水平力，以整體力矩平衡和各條垂直力平衡條件為基礎進行求解。由于沒有考慮條間垂直向力，因此存在2%～7%的誤差。簡化簡布適于任意土層任意滑動面情況，考慮條間的水平力的同時指定水平力作用點，以整體力矩平衡、各條力矩平衡、各條垂直力力平衡和各條水平力平衡為基礎進行求解，但求解精度較難確定。

摩根斯頓－普賴斯適用于有軟弱夾層、薄心墻及任何壩型的壩坡穩定分析，它是一種滿足力和力矩平衡的計算方法，其計算滑動面為非圓弧滑動面，適用范圍較為廣泛。滑坡體條分情況如圖4所示，天然工況及暴雨工況下的計算結果如表4所示。圖5和6為兩種計算工況情況下的摩根斯頓－普賴斯計算曲線［5］。

圖4 理正軟件計算坡面條分

表4 理正軟件邊坡穩定性計算結果

圖5 天然工況下摩根斯頓－普賴斯計算結果

4 結論

上述計算及分析表明，理論分析結果與理正軟件計算結果雖然存在一定偏差，但總體上較為接近。因考慮條件及計算條件的不同，三種方法的軟件計算結果存在一定差異，簡化簡布法得出的計算結果偏于保守。

總體來看，該邊坡在天然工況下能處于穩定狀態，但安全系數不高，處于較危險狀態。在暴雨工況作用下安全系數小于1，表明會發生滑動破壞，而且暴雨工況并沒有考慮地下滲流力，計算過程沒有考慮隧道爆破施工的影響。因此，與計算結果相比，實際情況下該邊坡可能更易產生滑動破壞。對隧道邊坡進行綜合勘查及穩定性分析后，提出以下治理建議:

①建議在滑坡體范圍內及周界外側，建立完善的排水系統，并做好防滲漏措施，確保降雨、地表水及時暢通排泄;對滑坡體出現的裂縫及時進行回填夯實處理，防止地表水沿裂縫灌入影響坡體穩定;堅決杜絕生活用水、污水、灌溉水等隨意排放。

②建議結合實際情況可采用排水法、支擋法與注漿加固法和避讓法等方法，設計時應綜合考慮以上方法，進行技術經濟比較，采用經濟合理的方法。

③對滑坡、道路和房屋要定員做好巡視檢查(包括經常性檢查、定期檢查和特別檢查)，如發現隱情，及時預警，疏散周邊村民，鄉村道路禁止通行。

④設計時應慎重考慮邊坡設置問題，可適當采取放緩邊坡和加強邊坡支護的方法處理。

⑤房屋已發生開裂變形，安全隱患大，建議拆遷，對施工便道兩側應設置警示牌，在通過前首先一看二查三注意，快速通過，不應停留在坡體上。

圖6 暴雨工況下摩根斯頓－普賴斯計算結果

［1］劉文平，鄭穎人，等．邊坡穩定性理論及其局限性［J］．后勤工程學院學報，2005(1)

［2］曾斌，余宏明．條分理論及其在下川島某巖石邊坡分析中的應用［D］．武漢:中國地質大學，2005

［3］王新珂．土質邊坡的穩定分析研究［D］．合肥:合肥工業大學，2007

［4］夏元友，李海．邊坡穩定性研究及發展趨勢［J］．巖石力學及工程學報，2002，21(7)

［5］蘇利軍．基于極限平衡法和有限元法的土質邊坡穩定分析研究［D］．成都:西華大學，2012