某隧道洞口滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警響應(yīng)分析

李沿宗，鄒 翀，李 達(dá)

(中鐵隧道勘測設(shè)計研究院，河南 洛陽 471009)

0 引言

滑坡已成為工程建設(shè)特別是高山峽谷地區(qū)隧道洞口施工所面臨的一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，對施工期工程場區(qū)施工生產(chǎn)和人員安全是一種嚴(yán)重威脅。目前，工程研究人員對滑坡的預(yù)測預(yù)警已進(jìn)行了部分分析總結(jié)和初步研究，如白成亮等［1］對我國滑坡災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié);李旭［2］對三峽庫區(qū)四方碑滑坡預(yù)報判據(jù)進(jìn)行了研究;劉東燕等［3］就極端降雨誘發(fā)滑坡災(zāi)害危險性模糊綜合評判進(jìn)行了分析和總結(jié);文輝輝等［4］對監(jiān)控量測在隧道洞口滑坡預(yù)報中的應(yīng)用進(jìn)行了實例分析;文獻(xiàn)［5－6］就滑坡預(yù)報與預(yù)警判據(jù)進(jìn)行了初步研究;李聰?shù)龋?］基于實例推理系統(tǒng)對滑坡預(yù)警判據(jù)進(jìn)行了研究。雖然這些研究成果為特定項目的滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報預(yù)警提供了較好地指導(dǎo)，但由于各工程水文地質(zhì)環(huán)境有著較大差異，這些研究并未形成有效統(tǒng)一的可推廣成果，滑坡地質(zhì)災(zāi)害的準(zhǔn)確預(yù)測預(yù)警仍然是工程界的一項難題。某隧道洞口滑坡體由于處于峽谷地區(qū)，該區(qū)域峽谷切割極深，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，不良地質(zhì)發(fā)育，滑坡方量大，潛在危害大，一旦發(fā)生滑坡，將極大威脅工程場區(qū)人員及設(shè)備安全，因此，有必要針對該隧道洞口滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測預(yù)警進(jìn)行分析和研究，避免滑坡前因未及時預(yù)警造成的災(zāi)難后果。

1 工程概況

該隧道全長16.2 km，其地形溝谷縱橫，地形起伏大，地面高程1 600～3 255 m，洞口位于龍?zhí)翜希c龍?zhí)链髽蛳噙B，自然橫坡25～60°，局部為陡壁，植被較差，屬越嶺隧道。該隧道洞口區(qū)屬于峽谷地貌，峽谷切割極深，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖體破碎，不良地質(zhì)發(fā)育，洞口滑坡平面上呈扇形，軸線與線路平角約12°，距左線約96 m，滑坡前緣寬約210 m，滑坡厚15～35 m，約63萬m3，滑坡體平面位置及主軸剖面示意圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 隧道洞口滑坡體平面示意圖Fig.1 Plane sketch of landslide near tunnel portal

圖2 隧道洞口滑坡平行主軸剖面圖Fig.2 Profile of landslide near tunnel portal

2 滑坡預(yù)警與響應(yīng)級別的劃分

結(jié)合本工程實際情況，把本工程施工期滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警與響應(yīng)級別劃分為3級，即3級預(yù)警——警示(黃色)、2 級預(yù)警——警戒(橙色)、1 級預(yù)警——警報(紅色)。

1)3級預(yù)警(黃色):表明滑坡地質(zhì)災(zāi)害處于勻速變速階段，應(yīng)引起預(yù)警預(yù)報相關(guān)工作人員的注意;

2)2級預(yù)警(橙色):表明滑坡地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)入加速變形階段，表示滑坡變形發(fā)展很快，且累計變形或抗滑樁體內(nèi)力較大，出現(xiàn)滑坡的可能性大，應(yīng)及時對現(xiàn)場人員進(jìn)行警戒;

3)1級預(yù)警(紅色):滑坡進(jìn)入臨滑階段，各種前兆特征顯著，在數(shù)小時或數(shù)天內(nèi)發(fā)生大規(guī)模滑坡的可能性很大，應(yīng)及時撤離相關(guān)人員。

3 滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警判據(jù)的分析

3.1 滑坡預(yù)警判據(jù)的確定原則

根據(jù)本工程現(xiàn)場實際需要和工程環(huán)境，建立滑坡預(yù)警判據(jù)的基本原則。

1)簡便可操作性。建立判據(jù)的對象應(yīng)存在臨界值或極限值，使判據(jù)具有尺度和標(biāo)準(zhǔn)，并在現(xiàn)場實際操作中簡便快捷，以便能快速預(yù)警和響應(yīng)。

2)易于監(jiān)測。建立判據(jù)的對象應(yīng)在現(xiàn)場易于監(jiān)測，如位移、土壓力等適合作為判據(jù)建立對象，而如應(yīng)力、地震等不易監(jiān)測的因素不宜作為判據(jù)。

3.2 地表位移預(yù)警判據(jù)分析

滑坡預(yù)報的方法或手段有許多，變形監(jiān)測是其中一項重要內(nèi)容，大量滑坡實例的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明:在重力作用下，滑坡巖土體的變形演化具有3階段演化特征;第1階段——初始蠕變階段;第2階段——勻速變形階段;第3階段——加速變形階段。依據(jù)不同變形階段的資料可做出相應(yīng)的滑坡預(yù)報，并進(jìn)行相應(yīng)的工程措施。

根據(jù)以往部分滑坡案例統(tǒng)計結(jié)果，得到滑坡發(fā)生前臨界變形速率為0.1 ～1 000 mm/d，差別很大［8］。從目前該隧道洞口滑坡體地表測點監(jiān)測結(jié)果來看，最大累計水平變形為47.9 mm，變形速率最大為4.5 mm/d，且目前變形已趨于穩(wěn)定，并未發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害，因此，根據(jù)該隧道洞口邊坡地質(zhì)環(huán)境和邊坡監(jiān)測結(jié)果，結(jié)合以往的大量滑坡實例，并參考滑坡體變形的3階段演化特征，取該工程滑坡體地表位移速率5 mm/d且累計位移50 mm，作為開始進(jìn)行滑坡預(yù)警的臨界值;取累計位移的2倍作為2級預(yù)警閥值、變形速率的2倍和累計位移的3倍作為1級預(yù)警的閥值，進(jìn)而得到該隧道洞口滑坡地質(zhì)災(zāi)害地表變形預(yù)警判據(jù)，如表1所示。

表1 地表變形預(yù)警判據(jù)Table 1 Warning criterion of ground surface deformation

3.3 抗滑樁頂位移預(yù)警判據(jù)分析

抗滑樁頂位移容許值按照懸臂構(gòu)件容許的最大擾度進(jìn)行計算確定，懸臂端荷載按最大容許均布荷載來考慮，則樁頂最大容許位移計算公式為

式中:q0為抗滑樁最大容許橫向荷載;l為抗滑樁滑面線以上長度;E為抗滑樁的彈性模量;I為抗滑樁截面慣性矩。根據(jù)設(shè)計，抗滑樁身采用C35混凝土(彈性模量為31.5 kN/mm2)進(jìn)行澆筑，豎向主筋主要采用HRB335鋼筋(彈性模量為200 kN/mm2)，根據(jù)等效換算公式把鋼筋彈性模量換算到混凝土里，得出等效彈性模量計算公式為

抗滑樁最大容許均布荷載用樁體最大橫向內(nèi)力來計算，樁體最大容許橫向內(nèi)力應(yīng)小于或等于樁基礎(chǔ)的橫向容許承載力［9］，其計算公式為:

式中:Kh為在水平方向的換算系數(shù)，根據(jù)巖層構(gòu)造，可采用0.5～1;η為折減系數(shù)，根據(jù)巖層的裂縫、風(fēng)化及軟化程度，可采用0.3～0.45;Rc為巖石單軸抗壓極限強(qiáng)度，kPa。

根據(jù)現(xiàn)場預(yù)警要求，主要選擇某隧道洞口邊坡12#抗滑樁進(jìn)行樁頂位移預(yù)警，因此主要計算12#抗滑樁樁頂容許位移。根據(jù)設(shè)計資料提供的參數(shù)，通過計算得出，抗滑樁樁頂最大容許橫向位移為216 mm，相關(guān)計算參數(shù)及計算結(jié)果如表2所示。

不考慮地基對樁體容許擾度的影響，根據(jù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)懸臂構(gòu)件容許擾度要求［10］，本工程中，抗滑樁容許擾度s=(l/300)×2=(15/300)×2=0.1 m。因此，結(jié)合本工程現(xiàn)場實際情況，抗滑樁頂位移預(yù)警判據(jù)的確定如表3所示。

表2 抗滑樁樁頂容許位移計算表Table 2 Allowable displacement of top of anti-slide pile

表3 抗滑樁樁頂位移預(yù)警判據(jù)Table 3 Warning criterion of displacement of top of anti-slide pile

3.4 抗滑樁體內(nèi)力預(yù)警判據(jù)分析

抗滑樁的穩(wěn)定性主要通過橫向受力來判斷，抗滑樁滑面線以下地層為巖層時，樁的最大橫向壓應(yīng)力應(yīng)小于或等于地基的橫向容許承載力。樁為矩形截面時，地基的橫向容許承載力

式中，各符號意義如前所述。參考該隧道洞口滑坡設(shè)計勘察資料，該處滑坡體下基巖主要為千枚巖、碳質(zhì)千枚巖，巖石單軸抗壓極限強(qiáng)度為450 kPa，該處滑坡體上的抗滑樁樁體內(nèi)力按地基的橫向容許承載力來計算。根據(jù)前文計算結(jié)果，該處抗滑樁樁體最大橫向容許應(yīng)力約為162 kPa，由于目前尚無以抗滑樁體內(nèi)力來進(jìn)行預(yù)警的先例，因此，本文把抗滑樁樁體最大橫向容許應(yīng)力162 kPa作為抗滑樁臨滑判據(jù)，以樁體最大橫向容許應(yīng)力的50%作為3級預(yù)警判據(jù)，樁體最大橫向容許應(yīng)力的80%作為2級預(yù)警判據(jù)，如表4所示。

表4 抗滑樁體內(nèi)力預(yù)警判據(jù)Table 4 Warning criterion of stress of anti-slide pile body

3.5 降雨量預(yù)警判據(jù)分析

降雨量預(yù)警判據(jù)主要是指一定地區(qū)突然降大暴雨或持續(xù)降大雨，降雨量達(dá)到一定閥值使?jié)撛谖ｋU的邊坡巖(土)體發(fā)生失穩(wěn)和快速滑動，它屬于外施的臨界影響誘發(fā)判據(jù)，不同地方的斜坡結(jié)構(gòu)和地質(zhì)環(huán)境條件有較大差異，因此，誘發(fā)滑坡的臨界降雨量也有較大差別，故難以形成統(tǒng)一的通用判據(jù)，根據(jù)本工程實際地質(zhì)環(huán)境以及工程所在區(qū)域歷史降雨量，結(jié)合2012年7月4日項目部發(fā)生泥石流洪災(zāi)時的降雨量(61.6 mm)，確定滑坡臨界降雨量為一次累計60 mm作為1級預(yù)警，臨界降雨量80%作為2級預(yù)警，臨界降雨量50%作為3級預(yù)警，如表5所示。

表5 降雨量預(yù)警判據(jù)Table 5 Warning criteria of rainfall

4 滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警與響應(yīng)級別的綜合確定

據(jù)前文分析結(jié)果，該隧道洞口滑坡地質(zhì)災(zāi)害主要通過地表變形、抗滑樁頂水平位移、抗滑樁體橫向應(yīng)力以及降雨量來綜合預(yù)警，預(yù)警與響應(yīng)級別如表6所示。

表6 某隧道洞口滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警與響應(yīng)級別Table 6 Early warning and response levels in case of landslide near tunnel portal

5 結(jié)論與討論

該隧道洞口施工場區(qū)地形起伏大，溝谷縱橫，地質(zhì)條件復(fù)雜，工程場區(qū)內(nèi)存在滑坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險，通過對該隧道洞口施工期工程場區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測預(yù)報的分析與研究，得出如下主要結(jié)論:

1)工程場區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害對施工場區(qū)人員的生產(chǎn)生活以及生命有著較大的威脅，因此，滑坡地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測預(yù)警極為重要，而滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警判據(jù)的合理確定則是準(zhǔn)確預(yù)報的關(guān)鍵;

2)結(jié)合工程實際情況，建立了滑坡地質(zhì)災(zāi)害3級預(yù)警與響應(yīng)體系，確定了該隧道洞口滑坡地質(zhì)災(zāi)害主要通過地表變形、抗滑樁頂水平位移、抗滑樁體橫向應(yīng)力以及降雨量來進(jìn)行綜合預(yù)警的方案，并從定性和定量2方面分析提出了滑坡地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警判據(jù)，為地質(zhì)災(zāi)害的有效和合理預(yù)警提供了依據(jù);

3)通過理論分析和現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，并參考以往工程經(jīng)驗，確定了該隧道洞口滑坡地質(zhì)災(zāi)害臨滑判據(jù)值為:地表變形監(jiān)測位移速率10 mm/d，地表累計變形值為150 mm，抗滑樁頂累計水平位移216 mm，樁體最大橫向應(yīng)力大于162 kPa，一次累計降雨量大于60 mm(降雨為中雨及以上);

4)由于工程場區(qū)存在地質(zhì)條件的復(fù)雜性和地質(zhì)災(zāi)害的不確定性，本文中滑坡地質(zhì)災(zāi)害的臨滑判據(jù)值僅作為工程應(yīng)用的初步數(shù)據(jù)，該臨滑判據(jù)還應(yīng)在后續(xù)施工中根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)不斷進(jìn)行優(yōu)化，以期能更加準(zhǔn)確地對滑坡地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警與響應(yīng)。

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