某隧道洞口段斜穿復合型滑坡體的綜合治理及評價

張可能,李 斌,張洪亮，戚玉祿,張云毅

(1. 中南大學 有色金屬成礦預測與地質環境監測教育部重點實驗室，湖南 長沙 410083；2.中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083；3.湖南建工交通建設有限公司，湖南 長沙 410004)

0 引言

因為山嶺地區地質條件的復雜性和城市道路選線的局限性，常采用隧道的形式穿越山體，而在隧道施工中，容易引發洞口段的山體滑坡，或使已經穩定的古滑坡復活等災害。而因選線已確定，只得繼續隧道施工，此時山體的穩定性與隧道能否順利施工以及安全運營密切相關，此類結合隧道施工的滑坡災害治理已然成為工程界的難題。

針對滑坡失穩地段的隧道破壞機制、滑坡-隧道相互作用機理和滑坡體綜合治理措施等內容，國內外學者做了許多研究，并取得一定成果。馬惠民、吳紅剛等[1-7]系統地論述了滑坡-隧道變形類型、坡體失穩段地質結構模型以及相互作用機理；陶志平、周德培等[8-11]確立了滑坡-隧道相互作用關系的4類地質力學模型；王永剛等[12]通過有限元等方法探究了穿越滑坡段的隧道開挖的加固效應。N.Shimizu[13]通過監測隧道附近的坡體變形及穩定性，分析并評價隧道與坡體穩定性的相互作用機制。已有的大部分研究主要針對沿河傍山修建公路或鐵路時遇到的隧道方向正交或大角度相交滑坡主滑方向的情況，且對隧道洞口段穿越滑坡體的治理措施與監測數據分析的研究較少。本研究以郴州市某隧道出口段滑坡搶險治理工程為依托，探討滑坡-隧道斜交體系下隧道施工對滑坡穩定的影響，提出滑坡體和隧道洞門施工的綜合整治方案，并結合監測數據和數值模擬分析治理效果及隧道與滑坡在施工中的相互作用機制，望對今后類似工程的治理與研究提供參考和借鑒。

1 工程概況

依托工程的隧道由左右兩條單向三車道隧道組成，總長1 265 m，軸向NW284°。單洞開挖寬度約為12.1 m，開挖高度約9.8 m，最大埋深為83 m，隧道斷面開挖面積達114.36m2。

隧道洞口段為斜坡邊緣，坡面上陡下緩，周邊地形起伏，環境復雜，坡頂有數棟4層高村民自建房屋及一條行車公路。

為加快施工進度，隧道施工選擇雙向施工。但因隧道施工挖方坡腳時，山體出現蠕動變形，坡頂道路沉降開裂，坡面出現數處張拉裂縫，且變形仍在持續發展，最終發展為上部推移下部牽引的復合型中型巖土混合滑坡，滑坡主滑向為SE136°。滑坡與隧道的位置及滑坡范圍如圖1、圖2所示。

圖1 平面位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of plane position

圖2 A-A′典型剖面隧道與滑體位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of relative positions of landslide mass and tunnel in typical section A-A′

2 滑坡穩定性分析

2.1 整體穩定性分析

結合現場調查及滑坡發展過程分析，在坡腳挖方前，坡體因坡頂修建房屋和道路，形成局部堆載，并改變原山坡坡面自然散排體系，已出現局部推移式蠕動變形。加之隧道施工時的坡腳切方，加劇原有坡體變形，在滑動面貫通后，形成大范圍山體滑坡，阻礙隧道施工。

該滑坡的滑體地層主要為粉質黏土、填土和炭質頁巖，滑帶土為軟弱煤系土。通過現場取樣進行室內試驗并綜合考慮區域經驗數值，對治理加固前的滑坡進行穩定性計算。由試驗得知，滑帶土天然狀態下：重度為γ=19.7 kN/m3，c=14～17 kPa，φ=123°；飽和狀態下為γ=20.1 kN/m3；c=13～15 kPa，φ=9.6°。選取滑坡主滑斷面進行穩定性計算，結果顯示，在自重+暴雨不利工況下，該滑坡斷面的穩定系數為0.934，剩余下滑力為468.529 kN/m[14]。

2.2 滑坡支護前穩定性分析

為監測坡體表面位移，共設置56個觀測點，選取其中32個重點監測點分析，其點位布置如圖3所示。

圖3 滑坡體監測點及支護布置Fig.3 Layout of monitoring points of landslide mass and support

坡面位移監測點延滑動方向排列布置，將坡面位移監測點的水平位移變化呈現在一張圖中，各測點的位移變化情況如圖4所示。[15]

圖4 坡體地表監測點水平位移變化曲線Fig.4 Curves of horizontal displacements at monitoring points on slope surface

由圖4可知：在坡腳施工挖方(30 d)前，邊坡處于緩慢蠕變狀態，監測點位移量較小。隨著坡腳挖方施工，加之區域短時降雨量增大，坡體出現明顯位移，且這種變化伴隨著施工的全過程。此后，隨著抗滑樁等支護措施的施工，滑坡位移速率逐漸降低，并趨于平穩。

3 綜合治理方案

綜合考慮滑坡特點及形成的影響因素，必須對已成型滑坡進行綜合整治，在消除滑坡隱患后，繼續隧道結構施工。治理特點如下：

(1)滑坡治理方案應結合隧道施工方案綜合設計；

(2)滑坡治理和隧道設計需考慮到隧道施工階段隧道與滑坡的相互影響；

(3)坡頂及周邊有房屋、道路分布，住戶眾多，因此為保障房屋和民眾的安全，需嚴格控制施工及工后的位移變形。

3.1 滑坡整體治理方案

依據工程詳勘資料，針對滑坡形成機制和影響因素，結合隧道選線布置及后續施工，擬定“錨索抗滑樁+錨桿框格梁支擋”的治理方案。

隧道出口處中型滑坡體的具體治理措施：抗滑措施主要采用錨索抗滑樁，針對復合型滑坡發育特征，在滑體中上部并垂直于主滑方向設置一排拱形錨索抗滑樁，保護坡頂已建房屋建筑，減小滑坡推力；考慮到隧道施工，結合隧道洞門端墻，在緊貼洞門后壁(滑體下部)處布置錨索抗滑樁，為洞門施工開挖樁前土提供支擋力的同時，貼合隧道洞門端墻，保護擬建隧道洞門結構；在擬建隧道左洞軸線外設置一排平行于軸線方向的抗滑樁，并與前后兩排抗滑樁相連形成“工字型”結構整體；在抗滑樁結構達到設計要求強度后，對前后排樁之間的滑坡體進行卸載，減小滑體自身重力，并保護表層坡體穩定；修筑排截水邊溝，防治地表水下滲。抗滑樁樁徑1.8 m，樁長平均27 m，根據實際地層，以穿過滑動面1/3樁長控制。支護結構布置圖如圖3所示。

3.2 隧道設計施工方案

洞口段圍巖主要為粉質黏土和炭質頁巖，該段圍巖承載力低、穩定性差，加之隧道施工穿過滑體，因此除滑坡支護治理外，加固圍巖并消除滑坡推力和洞頂偏壓對施工中圍巖穩定的影響也至關重要。

隧道支護在考慮滑體支護的基礎上強化超前管棚和初期圍巖支護結構。進口處使用套拱進洞，并利用I20a鋼拱架工字鋼，將I20a工字鋼一起澆注在60 cm厚C25混凝土中以進行內膜搭制,在澆注前預埋Φ108 mm×40的鋼管作為定位導向套管。選擇上下斷面正臺階法開挖Ⅳ級圍巖段，而V級圍巖段則使用保留核心土環形開挖法。洞口超前管棚施工采用平行鉆機鉆孔，人機協同配合插入Φ89鋼管并注漿。

4 綜合治理效果分析

為確保隧道安全穿越出口段滑坡，在滑坡區設置深部位移和地表位移監測點，實時掌握變形情況(圖3)，并在隧道開挖過程中設置監控量測斷面，監控圍巖變形和圍巖壓力(圖5)。

圖5 隧道圍巖位移監測點布置Fig.5 Layout of monitoring points for displacement of surrounding rock of tunnel

分析監測數據時，需明確治理過程中的幾個重要時間節點：(1)坡腳開挖(2016-10-15)；(2)進行滑坡治理施工(2017-2-23)；(3)主體錨索抗滑樁完成施工，并達到設計強度(2017-6-10)；(4)完成超前管棚加固，開挖隧道左洞(2017-7-19)；(5)隧道穿越滑體，開挖至滑床，并完成初期支護(2017-11-25)。

4.1 滑坡變形監測分析

為分析在隧道施工和滑坡推力作用下，滑體變形沉降規律，選取滑坡主要滑動面中的深部位移監測點A002進行分析。

A002深部位移監測點位于滑坡體中部，距左線隧道軸線約15 m，觀測深度22.5 m。初始值為布設孔位第2 d的觀測值，每隔2 d觀測一次，篩選其中典型日期數據，取得監測結果如圖6所示。

圖6 A002量監測點深度-位移曲線Fig.6 Curves of depth-displacement at monitoring point A002

從深度-位移曲線可知，在8～10 m深度范圍出現了明顯的突變，結合鉆孔柱狀圖，可確定此處為一厚度約為2 m的滑動帶。

由圖7可知，滑帶位移過程經歷3個明顯的階段：第1階段(45 d之前)，累計位移量為3.08 mm，最大變形速率為0.1 mm/d，速率緩慢并趨于穩定，屬小變形階段；第2階段(45～223 d內)，期間位移量急劇增加，最大變形速率為1.3 mm/d，位移最大值達到22.58 mm，為變形劇烈階段[16]；第3階段(223 d之后)，變形速率減緩但不斷波動，最大位移量為1.5 mm。在整個監測期內，變形主要集中在第2階段，而此階段主要為坡腳開挖造成滑坡失穩滑動和滑坡治理施工，之后逐漸趨于穩定，表明錨索抗滑樁支擋結構產生作用，抑制了滑體進一步變形；之后一次明顯的波動，主要是因為左線隧道階段，當隧道穿越滑坡體后，變形保持在一個穩定狀態，并有收斂穩定的趨勢。

圖7 A002監測點9 m處位移曲線Fig.7 Curve of depth-displacement at 9 m of monitoring point A002

為進一步分析隧道施工中，隧道上部地表沉降規律滑體穩定性影響，左線隧道滑坡段上部道路沉降監測點E1～E5進行分析，監測結果如圖8所示。

注：圖中監測以隧道開挖日期為起始時間，并將此前各測點的沉降清零。圖8 左線滑坡段隧道上部地表沉降曲線Fig.8 Curves of surface settlement of left landslide section at upper part of tunnel

由圖8可知：隨著隧道的開挖，地表監測點的沉降變形量逐漸增大，當掌子面到達滑帶附近時，各測點的沉降速率達到最大；當掌子面通過滑帶、初期支護完成后，各測點沉降量則逐漸趨于穩定。

4.2 隧道圍巖變形監測分析

因隧道左側在主滑坡側，處于滑坡段的結構體長，受滑坡體影響最大，同時施工時亦對滑坡穩定性影響最大。本研究取隧道穿越滑帶前的兩個斷面進行分析-ZK0+810和ZK0+830斷面，其拱頂沉降量如圖9所示。

圖9 隧道左線斷面拱頂典型沉降曲線Fig.9 Typical settlement curves of tunnel vault in left section

左線ZK0+810斷面距離滑帶約20 m。由圖9可知：隧道拱頂變形受到滑坡推力和洞頂地形偏壓的共同影響，在ZK0+840斷面隧道上臺階開挖后，直到開挖面推進約20 m前，拱頂下沉速率較大，其間下沉量占總沉降量的64.19%，當支護結構產生作用以及圍巖應力重新分布，拱頂沉降逐漸趨于穩定，總下沉量約125.24 mm。相比于ZK0+840斷面，ZK0+810斷面拱頂在隧道繼續開挖后，下沉速率更大，加速變形期的下沉量更大，為前者的1.59倍，而區域穩定后的總下沉量為前者的1.35倍[17]。由此可知，在滑坡-隧道斜交的隧道建設中，越接近滑動帶的隧道斷面變形越劇烈，拱頂沉降量也越大；而最終沉降量都減緩并收斂，表明此治理措施在滑坡段隧道施工中取得實際成效。

5 數值模擬分析

5.1 模型概況

為驗證監測數據分析的準確性和方案的支護效果，采用有限差分數值模擬方法建立三維模型如圖10所示。模型為184 m×226 m×130 m等比例建模。模型主要有6個部分，即滑坡體、滑床、滑帶、抗滑樁、錨索、襯砌。滑床和滑體采用摩爾-庫倫模型，滑帶通過殼單元實現，襯砌采用襯砌單元實現，抗滑樁采用樁單元實現，預應力錨索通過錨索單元Cable實現。模型參數通過詳勘報告參數及相似比轉化而來。模型的分析工況分3種：滑坡支護前工況、滑坡支護隧道未開挖工況和隧道開挖后工況[18-19]。

圖10 數值模型Fig.10 Numerical models

5.2 數值模擬結果對比分析

選取不同分析工況下的滑坡位移變形進行分析，以驗證斜交隧道洞口段滑坡治理方案的效果。

圖11 滑坡主滑斷面變形云圖(單位：m)Fig.11 Deformation nephograms of main slide section of landslide (unit: m)

(1)滑坡最終位移量對比分析

在滑坡未支護、滑坡支護隧道未開挖，以及滑坡支護且隧道貫穿滑動面3個工況下，選取滑坡主滑斷面的變形云圖進行比對分析。

如圖11所示，當滑坡處于天然未支護狀態時，滑坡失穩滑動，變形劇烈，最大位移量約為2.32 m；而在隧道開挖前的滑坡防治工程中，如前述方案，設置抗滑支擋結構后，滑坡整體位移減緩，斷面的位移量急劇減小，最大位移量僅為4.78×10-5m，滑坡整體趨于穩定；在隧道穿越滑帶進入滑床后，滑坡體未見明顯變形，整體處于穩定狀態。

圖12 滑坡平面變形云圖(單位：m)Fig.12 Deformation nephogram of landslide section(unit: m)

如圖12所示，滑坡區域整體穩定，變形值均在可控和工程要求范圍內，其中隧道洞身部位及周邊巖土體變形雖相對較大，但位移量也較小。

由上述數值模擬結果可知，針對此類斜交隧道洞口段的滑坡防治工程所提出的綜合治理方案可行，在滑坡治理、隧道開挖及隧道貫通等全過程中坡體處于穩定安全裝填，滑坡治理效果良好。

6 結論

(1)針對滑坡-隧道斜交時隧道洞口段滑坡治理，提出以“工字型”抗滑樁為主體的綜合治理方案,并在原隧道設計的基礎上，對超前管棚和初期支護進行加強。施工后，拱頂沉降和坡體深部位移的變化趨勢表明隧道結構和坡體均處于安全狀態，治理結果良好。

(2)結合監測數據和模擬結果分析，在隧道結構穿過滑體后，隧道洞身支護結構與“工字型”抗滑樁形成組合抗滑結構體，共同抵抗滑坡推力，從而進一步提高運營期間的坡體穩定性。

(3)通過分析隧道拱頂沉降監測數據，可知滑坡段隧道收斂明顯，且愈趨近滑帶，隧道沉降變形愈大。鑒于此特點，建議此后類似工程在滑坡段隧道施工中預留較大的變形空間。

(4)在滑坡-隧道斜交體系中，滑坡段隧道在地形偏壓和滑坡推力的影響下，隧道坡頂沉降劇烈，且隧道滑坡主滑段一側的圍巖壓力強烈，為保證隧道施工安全，有必要設置一排與隧道軸向相平行的抗滑樁以抵抗下滑力和圍巖壓力。