某隧道洞口邊坡穩(wěn)定性分析及治理建議

金兆鑫 賈存鵬 唐智勇

（1蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730060；2甘肅公航旅工程咨詢(xún)有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 前言

近年來(lái)，隨著我國(guó)中西部山區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的隧道工程用于山區(qū)鐵路和高等級(jí)公路的建設(shè)。而由于工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及人類(lèi)活動(dòng)等因素的影響，隧道在施工過(guò)程中容易出現(xiàn)各種各樣的地質(zhì)災(zāi)害，其中隧道進(jìn)出口的坡體在隧道施工過(guò)程中發(fā)生失穩(wěn)滑塌是常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害之一。邊坡失穩(wěn)滑塌會(huì)造成一系列工程及社會(huì)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。輕則堵塞道路，阻礙交通，重則摧毀房屋建筑，掩埋村莊，造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。因此，隧道的進(jìn)出口邊坡穩(wěn)定性分析及加固治理就顯得尤為重要。很多學(xué)者對(duì)隧道進(jìn)出口邊坡的穩(wěn)定性及治理措施進(jìn)行了研究。

韓會(huì)勛對(duì)某鐵路隧道出口高邊坡在工程地質(zhì)調(diào)查和分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用CSMR法對(duì)鐵路隧道出口6處高邊坡關(guān)鍵病害區(qū)的整體穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)[1]。邢軍等以松多隧道為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬得出隧道施工、暴雨和地震活動(dòng)將導(dǎo)致隧道洞口邊坡由穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展成欠穩(wěn)定狀態(tài)[2]。熊文林利用FLAC3D軟件計(jì)算了山區(qū)隧道洞口邊坡在自然狀況、坡腳開(kāi)挖＋坡面削坡以及坡腳開(kāi)挖＋坡面削坡＋隧道開(kāi)挖三種工況下的穩(wěn)定性系數(shù)，驗(yàn)證了邊坡削坡卸載方案在隧道施工中的安全性[3]。吳二林等通過(guò)對(duì)某公路隧道洞口滑坡進(jìn)行治理及穩(wěn)定性計(jì)算分析，得出削方減載可以有效治理隧道洞口影響范圍內(nèi)的滑坡[4]。王亞瓊等結(jié)合青藏高原東部某隧道洞口的地質(zhì)概況及滑坡特征，對(duì)滑坡體進(jìn)行分區(qū)并對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)價(jià)，得出隧道洞口的開(kāi)挖會(huì)降低邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，設(shè)置抗滑樁對(duì)坡體的治理效果良好[5]。侯利國(guó)等分析了任胡嶺隧道口邊坡的變形破壞特征和機(jī)制，提出采用治水與抗滑工程相結(jié)合的方法治理滑坡，有效遏制了滑坡的變形破壞[6]。張鵬元、楊小剛等通過(guò)對(duì)隧道洞口滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，得出采用回填反壓、抗滑樁等綜合治理措施，可以很好地對(duì)滑坡進(jìn)行治理[7-8]。

本文通過(guò)對(duì)某隧道西出口邊坡進(jìn)行地質(zhì)勘察，在綜合分析滑坡形成條件、產(chǎn)生機(jī)理及運(yùn)動(dòng)模式的基礎(chǔ)上，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行定性和定量分析，并預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)和危害程度，提出治理措施，為隧道進(jìn)出口端邊坡的穩(wěn)定性分析及治理提供參考。

1 工程概況

該隧道西出口區(qū)為一西傾黃土斜坡地帶，呈弧形圈椅狀，斜坡坡度為12°～30°，相對(duì)高差較大，可見(jiàn)黃土陷穴。南側(cè)斜坡下半部發(fā)育有黃土陡坎。隧道出口仰坡上部分布有地表裂縫，為弧形張性裂縫。裂縫長(zhǎng)約400m，寬30～40cm，每年雨季時(shí)裂縫呈現(xiàn)出進(jìn)一步張開(kāi)趨勢(shì)，即使是冬春季雪融化，裂縫仍有繼續(xù)發(fā)展趨勢(shì)。該裂縫距離隧道洞門(mén)仰坡坡口60～110m，洞門(mén)仰坡高，對(duì)洞口的穩(wěn)定和安全存在很大的潛在威脅。隧道出口端邊坡平面圖見(jiàn)圖1。

圖1 隧道出口端邊坡平面圖

1.1 工程地質(zhì)條件

1.1.1 巖土特征

通過(guò)本次勘察，隧道西出口區(qū)揭露的地層巖性從上到下依次為：一般新黃土（Q3eol），飽和黃土（Q3eol）和泥巖（E）。該區(qū)黃土層較厚（探井揭露厚18m），呈淺黃色，土質(zhì)較均勻，大孔隙發(fā)育，具垂直節(jié)理和濕陷性，多蟲(chóng)孔及植物根系。上部黃土呈硬塑狀，泥巖層之上黃土飽水，成分不均勻，含大量泥，泥巖頂板已吸水軟化。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)黃土及黃土和泥巖接觸部位共取原狀土樣22組，通過(guò)試驗(yàn)分析后得出滑體土物理力學(xué)指標(biāo)的平均值分別為天然重度γ=16.76kN/m3，飽和重度γsat=18.72kN/m3，粘聚力C=16.3kPa，內(nèi)摩擦角φ=24.7°。

1.1.2 地質(zhì)構(gòu)造與地震

地應(yīng)力在該區(qū)主要表現(xiàn)為北東-南西向的擠壓。由于本區(qū)黃土覆蓋層較厚，老的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)路線(xiàn)影響很小，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為垂直運(yùn)動(dòng)。第四系河流階地發(fā)育，最多可達(dá)四級(jí)，相對(duì)于河床高差大，一般在100m左右，且“V”字型溝發(fā)育，沖溝有下切趨勢(shì)。

根據(jù)既有資料分析和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，按《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306-2015 劃分，該區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.20g（相當(dāng)于地震基本烈度Ⅷ度），地震動(dòng)反應(yīng)譜周期為0.45s。

1.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察資料得出，隧道出口區(qū)地下水含水層以地表覆蓋層為主，水位線(xiàn)不連續(xù)，無(wú)穩(wěn)定地下水位。按巖性、地下水出露情況、富水性推測(cè)地下水類(lèi)型以孔隙、裂隙性潛水為主，主要接受大氣降水的入滲補(bǔ)給，水位受季節(jié)影響，動(dòng)態(tài)變化大。地表植被不發(fā)育，斜坡相對(duì)較陡，沖溝較發(fā)育。泥巖為該區(qū)相對(duì)隔水層，在泥巖頂板有大量地下水滲出，對(duì)隧道洞口段的工程地質(zhì)條件影響很大。

2 滑坡成因分析

該黃土斜坡有多處弧形負(fù)地形，而且自高向低有多級(jí)水平梯田臺(tái)地，在黃土和泥巖接觸帶存在飽和黃土，同時(shí)該區(qū)存在一古裂縫帶，土體結(jié)構(gòu)已被部分破壞，土體處于天然臨界穩(wěn)定狀態(tài)；另一方面由于在該處坡前大面積的隧道施工開(kāi)挖取土，致使前緣邊坡土體易發(fā)生崩塌，最終易導(dǎo)致上部土體失去阻擋支撐，使之沿裂縫、基巖面發(fā)生滑動(dòng)。

3 滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 定性分析評(píng)價(jià)

隧道出口上部斜坡前緣因施工開(kāi)挖產(chǎn)生臨空，上部土體失去阻擋支撐，在重力作用下，隧道洞口中上部土體易沿飽和土體（軟弱面）向下滑動(dòng)。

3.2 定量分析評(píng)價(jià)

滑坡定量評(píng)價(jià)主要是用莫爾強(qiáng)度理論和土體斜坡運(yùn)動(dòng)力學(xué)理論，應(yīng)用剩余推力法進(jìn)行剩余推力計(jì)算和滑坡穩(wěn)定性分析。

3.2.1 滑坡體C、φ值的確定

該滑坡由于施工開(kāi)挖，上部土體已部分失穩(wěn)，可視其為極限平衡體，反求該邊坡的C、φ 值。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)繪及勘查表明，斜坡形態(tài)比較復(fù)雜，為保證計(jì)算的準(zhǔn)確性、計(jì)算剖面更具有代表性，選擇A-A'、C-C'兩條工程地質(zhì)剖面，通過(guò)多次模擬計(jì)算可能存在的滑動(dòng)界限，建立條塊剖分模型進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算，最后在兩條剖面上分別選取兩個(gè)層面計(jì)A-A'－1（2）、C-C'－1（2）。以A－A'-2斷面建立極限平衡方程求解，計(jì)算滑動(dòng)帶剪出位置為飽和黃土與泥巖的接觸帶，公式中所需其余參數(shù)均來(lái)自實(shí)測(cè)和試驗(yàn)結(jié)果，建立極限平衡方程的基本公式為常用的計(jì)算滑坡推力的公式：

由于處于極限平衡狀態(tài)，此時(shí)滑坡的穩(wěn)定系數(shù)Ks=1，最后一塊滑體剩余下滑力En=0，根據(jù)上述原則建立方程為：

ψi-傳遞系數(shù)；

Wi、Wn-第i塊、最終塊段所受的重力；

αi、αn-第i塊、最終塊滑動(dòng)面傾角；

Li、Ln-第i塊、最終塊滑動(dòng)面長(zhǎng)度；

C、φ-所反算滑坡滑帶土的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

滑坡的穩(wěn)定性對(duì)粘聚力C 值的敏感性較低，對(duì)內(nèi)摩擦角φ 值的敏感性較高，因此在此計(jì)算中給定粘聚力C，求內(nèi)摩擦角φ。根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》C 值的經(jīng)驗(yàn)值結(jié)合試驗(yàn)值取C=16.3kPa。

代入方程求得：φ=16.1°。

3.2.2 剩余推力計(jì)算

為求得隧道建成后，上覆土體的剩余下滑力，假定滑面在與隧道相交后沿隧道頂面水平剪出。剩余推力計(jì)算公式：

式中：Ks-安全系數(shù)，考慮地下水影響及地震力，取1.2；其余符號(hào)意義同上述穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式。

3.2.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)反算結(jié)果，粘聚力C=16.3kPa，內(nèi)摩擦角φ=16.1°，分別計(jì)算4個(gè)層面的剩余下滑力，四個(gè)層面的極限分析條分計(jì)算圖如圖2-圖5所示，計(jì)算結(jié)果如下：

A-A'－1該滑坡體的后緣為已知地裂縫，層面剩余下滑力Ei =137.82kN。

A-A'－2 該滑坡體的中部為已知地裂縫，裂縫以上的土體C、φ值取原狀土試驗(yàn)平均值C=16.3KPa，φ=24.7°，裂縫以下土體取C=16.3KPa，φ=16.1°，層面剩余下滑力Ei=3339.19kN。

C-C'－1該滑坡體的后緣為已知地裂縫，層面剩余下滑力Ei =306.87kN。

C-C'－2該滑坡體的中部為已知地裂縫，裂縫以上的滑體C、φ值取原狀土試驗(yàn)平均值C=16.3KPa，φ=24.7°，裂縫以下土體取C=16.3KPa，φ=16.1°，層面剩余下滑力Ei=－101.59kN。處于穩(wěn)定狀態(tài)。

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析可得：考慮地震力影響，當(dāng)安全系數(shù)K取1.2時(shí)，斷面A-A'－2的剩余下滑力最大，為3339.19kN，最不穩(wěn)定、最有可能發(fā)生滑動(dòng)。

4 滑坡治理措施建議

1）由于在洞口以上坡面較長(zhǎng)且地形坡度逐漸變陡，再次開(kāi)挖易形成新的滑塌，不易采取減重棄方的方法，建議隧道出口端延長(zhǎng)明洞，并在洞頂回填反壓，完成后，再繼續(xù)洞內(nèi)施工。因?yàn)锳-A'－2層面的剩余下滑力最大，因此按此進(jìn)行回填反壓土的計(jì)算。隧道頂部回填反壓土為隧址區(qū)的一般新黃土。

2）建議洞頂?shù)乇砹芽p以上設(shè)截水溝，杜絕坡面降水入滲，保護(hù)上部土體不受影響，避免上部土體發(fā)生滑塌，同時(shí)在坡體上多種植植被。

圖2 A-A'-1斷面計(jì)算圖

圖3 A-A'-2計(jì)算圖

圖4 C-C'-1計(jì)算圖

圖5 C-C'-2計(jì)算圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)隧道出口端邊坡進(jìn)行勘察及穩(wěn)定性計(jì)算分析，得出下列結(jié)論。

1）隧道出口端斜坡地帶發(fā)育有古裂縫，斜坡前緣隧道施工開(kāi)挖取土，易造成斜坡前緣發(fā)生滑塌或滑坡。

2）通過(guò)計(jì)算得土體最大剩余下滑力Ei=3339.19kN。最容易產(chǎn)生下滑的方向?yàn)锳－A'方向，最不穩(wěn)定的下滑斷面為A－A'－2。

3）建議通過(guò)加長(zhǎng)隧道出口端明洞，增加明洞回填反壓，以及洞頂?shù)乇砹芽p以上設(shè)截水溝等措施進(jìn)行邊坡治理。