黃土隧道洞口山體穩定性評價關鍵技術

張乾坤 謝明皆 羅龍 王秉勇 趙子傲

（1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081；2.中鐵科學研究院有限公司深圳分公司，廣東深圳 518000；3.中鐵西北科學研究院有限公司，蘭州 730000；4.中國地質大學（武漢）地理與信息工程學院，武漢 430074）

我國地域遼闊，地質條件復雜，地質災害也較為廣泛。滑坡是山區鐵路隧道最有害、最普遍的地質災害之一［1］。隨著我國高速鐵路建設的蓬勃發展，高速鐵路隧道山體滑坡越來越多。高速鐵路隧道洞口淺埋段淺層滑坡致使隧道無法正常進洞施工，會對后期運營安全造成巨大隱患。大量學者對隧道洞口山坡滑坡問題進行了許多研究。王國欣等［2］以浙江省杭千高速公路橫路頭隧道洞口為例，從地質因素、水的作用及人為因素3個方面分析了滑坡產生的機制；尉學勇等［3］針對汕昆高速公路烏沙隧道出口滑坡重點分析了仰坡滑坡和右側滑坡的相互作用關系、滑坡形成的內因和外因，采用抗滑樁、異形樁間擋板、鋼管樁等措施進行綜合治理，取得了良好的效果；劉宇平等［4］從地質條件、降雨及施工擾動的影響方面分析了滑坡發生的原因，給出了隧道洞口內外結合的綜合施工技術方案，闡述了洞內外施工工藝，通過監控量測數據結果證明了整治方案效果顯著。李曉旭［5］以大營神池高速公路溫嶺隧道滑坡為例，探討了滑坡產生的原因，提出了綜合加固治理方案，并通過有限元計算驗證了預期效果；王亞瓊等［6］分析了平阿高速公路青沙山隧道滑坡的變形原因和穩定性，提出了具有針對性的治理方案，并對滑坡體和隧道結構進行了系統監測和動態反饋。許淑珍等［7］總結了青蘭高速公路青皮塔隧道縱環向注漿聯合支護施工技術，并驗證了該方案可以有效提高黃土隧道圍巖的穩定性；楊小剛等［8］以敘大鐵路佘家坡隧道洞口滑坡為例，分析了滑坡成因及穩定性，并對采用的滑坡坡腳回填反壓、滑坡下部設置抗滑樁等綜合治理措施的效果進行了分析；楊建民［9］通過大規模現場試驗和理論分析，對以張茅隧道為代表的鄭西高速鐵路大斷面黃土隧道群建設成套技術進行了研究；賀廷西等［10］對石太客運專線南莊隧道出口段采用了圍巖預加固及輔助施工措施，并通過監控量測數據，有效地控制了大斷面黃土隧道圍巖的變形。

雖然上述研究和工程案例實踐對于隧道洞口滑坡治理取得了一些理論和經驗成果，但是由于隧道洞口滑坡自身特征、地形地質條件和周圍環境的差異性，盲目地采取工程措施進行滑坡治理，往往會造成一定的損失。本文以一客運專線黃土隧道洞口山體滑坡為例，從地形地貌、滑坡形態、施工影響、過程管理等方面對滑坡原因進行初步分析，總結關于黃土隧道洞口邊坡穩定性分析經驗和管控技術要點，研究成果可為同類黃土隧道洞口滑坡治理提供一定的參考。

1 工程概況

該客運專線隧道地處于黃土高原梁峁區，全長961 m，洞身埋深100～150 m，隧道出口位于黃土梁坡腳部位。

洞身穿過地層主要為第四系上更新統風積砂質黃土和中更新統黏質黃土，主應力σ0=150～180 kPa。出口端表層砂質黃土為松軟土，層厚15～20 m。

隧道出口端原始地貌簡單，但山坡較為陡峭，進洞措施為拱部一環?108管棚，臨時仰坡采用錨噴網防護。

1.1 進洞施工

由于仰坡原始地面較陡，施工中本著不擾動原山坡的原則沒有進行仰坡刷方，直接在原地面按設計方案進行仰坡加固和施作截排水工程。為保證進洞安全，在開挖前先行施作了10 m的防護棚洞（鋼架噴混凝土），同時在出口右側對原始地表的水坑進行了回填反壓，坡腳部位反壓土體的高度約2 m。

1.2 山體滑坡情況

隧道出口端進洞掘進523 m時，于某日凌晨整個仰坡發生大面積滑動，坍體掩埋洞口，所幸救援得力，被封洞內5人成功獲救。

根據該黃土隧道仰坡滑動后的現場調查，通過必要的邊坡穩定性分析，結合國內部分隧道仰坡發生失穩的案例，論述仰坡穩定性分析的關鍵環節和相關的處置方法。

2 原因分析

2.1 地形地貌

該客運專線隧道出口位于黃土梁西面坡的坡腳處，該坡坡面完整，但相對較陡峭，沒有陷穴及明顯的沖溝，由此表明該山坡歷史上未曾出現過類似地質災害。出口處地面為洪亮營河洪積平原，緊鄰洞口的洪亮營河河床在干旱季節可見大小不一的水洼，洞口處黃土山體坡腳受到地下水的作用和冬春之交的凍融作用影響［1］。另外，當地村民在隧道出口右側坡腳曾設一個磚廠，而洞口右側較遠處山體為磚廠取土場，施工早期已經對坡腳切削，洞口位置的切削比較輕微，破壞了黃土邊坡的自然穩定狀態，影響了邊坡穩定性。整體形貌見圖1。

圖1 隧道出口地形

隧道進洞前未擾動原始邊坡，只做了截水溝和表面防護，鑒于該處邊坡陡峭，也對洞口處積水坑和坡腳進行了回填反壓。從整體山坡看，隧道縱斷面顯示的仰坡部位綜合坡度約為51°（約1∶0.8），但是自然山坡的最陡方向與線路方向的夾角約30°（圖1滑坡主軸方向），實際自然坡度接近60°。半坡以上至坡頂段山坡逐漸變緩，坡度約為45°。經施工前坡腳處外露土層調查發現，土層節理發育，傾向西的節理面傾角約為70°，符合黃土地層垂直節理發育的外部特征［5］，為山坡失穩提供了先天條件。

2.2 滑坡后基本形態

災害發生后，經過現場調查發現，整個山坡屬于沿一組節理面的整體滑動，從滑坡后壁看整個滑動面沿著約70°的斜面下錯，屬于錯落型滑坡（見圖2）。

圖2 滑坡全貌

從山坡整體滑塌的形態（圖2）判斷是隧道出口右側山坡首先整體失穩，發生滑動后帶動了洞口頂部山坡發生了二次滑塌。由于洞口段已經完成隧道的二次襯砌，巨大的下滑力導致洞口段二次襯砌也發生了多條縱向開裂，結構幾近毀壞，也直接說明結構瞬間承受了巨大荷載。

2.3 山坡穩定性分析

針對該山坡，分別取沿隧道軸線縱斷面和滑坡主斷面2個典型斷面進行山體原始狀態穩定性分析。坡體土體物理力學參數見表1。

表1 坡體土體物理力學參數

本次計算采用剛體極限平衡方法（Morgensten&Price法）并利用邊坡工程專業軟件Geo?Slope的Slope/W軟件包進行山體穩定性計算。計算簡圖見圖3。

通過計算得出，該山坡沿隧道軸線縱斷面穩定性系數Fs=0.814，沿滑坡主斷面穩定性系數Fs=0.570，根據路塹邊坡穩定性檢算，穩定性系數應不小于1.25，故該山坡屬于完全不穩定狀態。根據GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術規范》相關規定，確定該山體沿隧道主軸方向和坡體主方向也處于不穩定狀態。

圖3 穩定性計算簡圖

2.4 人類活動

1）隧道進洞前調查發現，坡腳部位明顯被人為切削而不是設計勘察階段所見到的原始地表。從后期勘察階段的衛星圖片可以看出，洞口處的原始地貌特別是洞口右側山坡坡腳較原始設計圖已經發生很大的變化。正是由于切削坡腳造成山坡累計變形增大，在其他因素的誘發下發生滑坡，而施工單位對此現象沒有引起足夠的重視，沒有對山坡進行施工前的穩定性評價。

2）由于隧道掘進作業的影響，不可避免地造成坡腳部位地層的松動，加快了坡腳部位土體內力的重分布也是誘發山體滑動的因素之一。

3）由于坡面陡峭，施工單位在施工過程中也疏于對山坡裂縫的詳細監控，以至于發展成為突發性地質災害。

3 滑坡治理

滑坡發生后，設計單位為了對該山坡病害徹底整治，進行了詳細的現場調查，結合地形特點，最終提出了大清方并反壓隧道右側不穩定山坡的綜合治理方案。治理方案主斷面如圖4所示。

圖4 治理方案主斷面（單位：m）

4 滑坡原因分析

隧道工程的仰坡已經發生過各種類型的災害，從高陽寨到洪亮營，不論是巖質山坡還是土質山坡，一旦邊坡失穩則后果都是災難性的，有些隧道在施工階段仰坡就失穩，有些是運營階段才失穩。如果洪亮營的仰坡是運營階段發生滑坡，盡管首先滑動是線外部分，但影響的是線內，其后果也是不堪設想。為此，從勘察、設計到施工，必須要對仰坡給予足夠的重視，并進行嚴格的穩定性評價并采取切實可行的工程措施。

4.1 勘察設計

勘察設計階段如果充分論證了隧道仰坡的整體穩定問題，則有了充分的保障。如果勘查階段對該隧道的仰坡以及相鄰邊坡進行全面復核，應該會發現穩定性方面存在的不足。對邊坡的穩定性評價不能僅針對縱斷面，而要對整個山坡進行最危險斷面的全面評價。同時在設計文件中要明確提出要求，施工前必須復核地形，若與設計出入較大必須報告相關部門進行處理。

鑒于設計單位專業分工方面的問題，建議設計單位將隧道工程的仰坡部分由路基人員作專項的穩定性評價。

4.2 施工階段

已有文獻對于隧道仰坡的描述都比較簡單。趙勇等［11］論述了黃土及黃土隧道修建技術的各個方面，但論述的重點明顯偏重于洞內支護設計、開挖工法、變形控制等方面，而沒有對黃土隧道的進洞與地形地貌、山坡穩定等的關系進行更深入的論述，同時對仰坡的穩定性分析也側重于人工仰坡的穩定分析以及邊坡的防護措施。Q/CR 9511—2014《鐵路黃土隧道技術規范》較全面地提出了黃土隧道洞門選擇的注意事項，但是針對具體地形地貌操作性并不強。

施工前應作好隧道工程進洞前審核和仰坡穩定性評價工作，一方面認真核對地形、地貌等地質資料，制定詳細的施工方案；另一方面，復核原地形構建有限元模型進行邊坡穩定性評價。鑒于有限元模擬結果與量測結果相近，具有較高的可靠性，可考慮以有限元模擬計算數據為依據，結合TB 10601—2009《高速鐵路工程測量規范》編制有針對性的邊坡穩定性監測方案。在施工過程中作好監測數據分析及穩定性評價，為現場安全施工提供參考，降低黃土隧道洞口施工安全風險。此外，審圖要細致，有疑問時要提出來，比如一客運專線的古城嶺隧道出口，近60 m高的仰坡設計是1∶1一坡到頂，土質為泥巖和黃土，施工階段提出疑義后設計單位及時進行了變更處理；而另一條客運專線的國慶山隧道進口的仰坡太高，直到通車后工務部門提出疑問才進行變更，此階段施工則存在較大的安全風險。

施工監理在施工準備階段也要認真分析，深刻領會設計意圖，仔細審核施工方案，全面研究各重點環節，對仰坡安全性評價也要放到關鍵環節來進行控制。

4.3 施工質量

盡管該隧道仰坡失穩與洞內施工質量及臨時加固質量沒有直接的關系，但作為一個統一體，必須重視質量控制，特別是坡腳部位的洞身開挖及支護措施至關重要。應盡量控制開挖變形以有效控制坡腳的松弛，進而確保仰坡的整體穩定性。

5 結語

1）勘察、設計、施工全過程應全面重視隧道仰坡的長期穩定性，徹底清除所有隱患。

2）勘查階段不僅要評價仰坡部位的山體穩定性，而且要全面考查洞口周邊地形地貌并評價其穩定性以及一旦失穩后對線路可能造成的危害。

3）施工進洞前要全面核查地形、地貌，對仰坡以及周邊邊坡再進行一次全面的穩定性評價，以消除所有影響施工和運營安全的不穩定因素，并且將此過程作為施工方案的一部分列入施工組織設計中。

4）嚴格執行設計要求，進洞前不亂挖坡腳、不盲目刷坡，及時施作防護及預加固措施，一切準備工作完成后才能正式進洞施工。掘進期間加強對仰坡的變形監測及現場巡查。