隧道穿越厚層滑坡處置方案比選★

王業(yè)剛 黃永威 蔡建華 朱長安

(1.四川敘古高速公路開發(fā)有限責任公司，四川 瀘州 646500； 2.中鐵西南科學研究院有限公司，四川 成都 611731; 3.四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設計研究院，四川 成都 610041)

0 引言

隨著我國工程建設的不斷推進，公路和鐵路等線性工程建設逐步向地質環(huán)境脆弱的西南山區(qū)發(fā)展。

由于該區(qū)復雜的地質地形條件，線性工程常需要穿越滑坡等不良地質體。盡管在規(guī)劃選線階段采取了避繞方案，但由于在地質勘察階段未能有效的識別災害隱患或者對地質條件認識不夠，穿越大型深厚層滑坡體的隧道工程時有出現(xiàn)。因隧道上覆厚層巖土體以及隧道開挖臨空面的雙重影響，滑坡區(qū)隧道工程常出現(xiàn)開裂、變形等病害，嚴重影響了工程進度和運營安全[1-4]。

由于隧道和滑坡體相互耦合作用，實際工作中，應將它們作為一個有機的整體加以研究，綜合分析其變形機理和防控技術[5-7]，因此對穿越深厚層滑坡區(qū)隧道的綜合處置方案，不能僅僅針對滑坡體或者針對隧道進行工程處置，應綜合考慮兩者的相互作用關系，采取不同方案進行綜合比選分析，進而選取最佳治理方案。

1 工程概況

研究對象為四川南部山區(qū)某正交下穿滑坡體的高速公路雙線隧道。隧道位于滑坡體中后部，左右洞分別長978 m，1 029 m。滑坡體位于某傾伏向斜南翼斜坡體上，斜坡基巖產狀上陡下緩，屬于順層坡。滑坡體坡度約21°，上陡下緩，發(fā)育多級平臺和拉裂槽，坡體長度約600 m～980 m，寬度400 m～900 m，前寬后窄，坡體表面大部分為耕地和水田，其間有大量民房和學校分布。滑坡體地表上呈“W”形，可根據地形分為Ⅰ，Ⅱ兩個大區(qū)(見圖1)。Ⅰ區(qū)滑體主滑方向344°，整體地勢較高，高差大，地表坡度大(后部達26°)；Ⅱ區(qū)滑體主滑方向359°，整體地勢稍低，高差稍小，地表坡度較緩(總體17.8°)。據現(xiàn)場多次勘察，該滑坡體平均厚度35 m～40 m，最大厚度達60余米，整體方量達1 100萬m3，屬巨型深層滑坡。

隧道左右線均有部分位于滑坡體內，隧道左洞ZK12+835～ZK12+516段全斷面皆處于Ⅰ區(qū)滑坡體內，右洞K12+720～K12+506段左上側處于Ⅰ區(qū)滑坡體內，隧道穿越滑坡的段落達300 m以上。由于隧道開挖形成臨空面，引起隧道右側滑坡體中后部土體變形、地表開裂以及隧道開裂變形，嚴重影響了工程建設進度和人民的生命安全。

2 處置方案比選

2.1 線路避繞方案比選

針對滑坡體的危害性和隧道的病害情況，研究考慮雙洞繞避(方案一)、左單洞繞避(方案二)、原位處治(方案三)、左線換岸(方案四)、右線換岸(方案五)5種方案(見圖2)。從線路長度、支擋工程工作量、清方量、造價、工期、安全性和施工難度幾方面綜合比選(見表1)。經比選分析，選定坡體和隧道原位處置的治理方案。

2.2 坡體原位處置方案比選

現(xiàn)場勘察揭示的隧道右側滑坡體平均厚度為50 m，滑體在隧道左洞右側和右洞右側所產生的剩余下滑推力值過大，需在隧道左洞右側和右洞右側以及上部滑坡體設置多排抗滑樁支擋。經測算，需要設置約20排抗滑樁，總的樁的體量約47.52萬m3，再加上樁頂?shù)腻^索工程量，工程造價約9.86萬元，且抗滑樁開挖深度極大(60 m～80 m)、施工難度極大、安全風險高、施工工期長、可操作性差。因此，抗滑樁全支擋方案不可行。根據隧道和滑坡體的地質、病害情況及變形開裂特征，在原位處治的方案比選階段，共制定了4個可行方案(坡體清方+分級支擋)對該滑坡體進行原位處治[8,9]。

表1 線路避繞方案比選表

1)全清方方案。

全清方案是將隧道頂及隧道右側后部的滑坡體全部予以清除，從左洞路基高程開始開挖清方，將左洞ZK12+512～ZK12+800段隧道改為路基通過，從左洞右側開始往上清方，右側路基坡腳設護腳墻防護。清方方向平行于左洞洞軸線，右側路基挖方邊坡坡體1∶1，第一級邊坡在14 m高度留一級4 m～11 m寬的平臺，平臺延伸至基巖面，而后沿基巖面往滑坡體中后部清方，將中后部滑坡體全部予以清除；左幅左側按1∶1.5的坡比進行清方放坡，清方方向平行于左洞洞軸線。東側邊坡清方放坡方向為270°方位角方向，從上到下的開挖坡比為1∶3(見圖3)。該方案的總清方量為258.8萬m3。

支擋方案為:在ZK12+830～ZK12+855段左洞右側9 m左右 設置一排6根抗滑樁予以支擋，長度18 m；左幅右側路基坡腳設護腳墻防護，墻高6 m，頂寬1.7 m；在清方后的右洞右側邊坡上設框架錨桿和框架錨索予以加固;在清方后的坡體中部增設一段框架錨桿和框架錨索加固區(qū); 在清方后的坡面上從上到下設置三道截水溝，將地表匯水攔截后匯入場地西側的自然沖溝內排出。

2)大清方方案。

最大清方厚度位于隧道左右洞間，最大清方厚度約30 m～37 m，在左右洞頂上設一寬約20 m的平臺，平臺往隧道右側開始清方，清方方向平行于洞軸線的方向，清方坡比1∶4，清至基巖面后，順基巖面而上將隧道右側的絕大部分變形體予以清除。平臺左側按1∶2坡比清方，每12 m高度留一級2 m寬的平臺(見圖4)。按此清方后，在右洞右側已無下滑推力，右洞右側可增設適當加固措施后，右洞可安全通行；而清方后在左右洞間尚留有一部分滑體，在左洞右側仍存在一定的下滑力，需在ZK12+595～ZK12+850段剩余滑體厚度較大的左洞右側約9 m的位置設置一排抗滑樁，從進口段開始隨著滑體厚度的增加，抗滑樁的截面尺寸逐漸增大，抗滑樁長度24 m～45 m，共設抗滑樁55根。另外，由于清方后裸露的基巖邊坡長達250 m～300 m，坡體的應力條件發(fā)生了較大改變，為防止順層邊坡在重力作用下發(fā)生彎曲—拉裂變形，擬在清方后的坡體中部增設一段框架錨桿和框架錨索加固區(qū)。該方案總的清方量為199.3萬m3。

3)中等清方方案。

最大清方厚度位于隧道左右洞間，最大清方厚度約30 m～37 m，在左右洞頂上設一寬約10 m的平臺，平臺往隧道右側開始清方，清方方向平行于洞軸線的方向，清方坡比1∶2，每12 m高度留一級平臺，清至1 026.8 m高程后留一寬大平臺至基巖面，順基巖面而上將上部的變形體予以清除。平臺左側按1∶2坡比清方，每2 m高度留一級2 m寬的平臺(見圖5)。

在右洞未進入穩(wěn)定基巖層之前需在K12+595～K12+730段設樁，樁長35 m～45 m，共設抗滑樁27根；右洞右側部分抗滑樁懸臂段過長，故設計在抗滑樁頂增加2排4根預應力錨索，錨索長30 m。在剩余滑體厚度較大的隧道左洞右側約9 m的位置設置一排抗滑樁，樁長24 m～40 m，共設抗滑樁55根。該方案總的清方量為150.1萬m3。

4)最少清方方案。

最大清方厚度仍位于隧道左右洞間，最大清方厚度約20 m～26 m，在左右洞頂上設一寬約10 m的平臺，平臺往隧道右側開始清方，清方方向平行于洞軸線的方向，清方坡比1∶2，每12 m高度留一級平臺，清至1 026.8 m高程后留一寬大平臺至基巖面，順基巖面而上將上部的變形體予以清除。平臺左側按1∶2坡比清方，每12 m高度留一級2 m寬的平臺(見圖6)。

擬設樁位置與中等清方方案相同，樁頂預留10 m厚滑體。右洞右側抗滑樁開挖深度為50 m～58 m，共設抗滑樁27根；左洞右側抗滑樁開挖深度34 m～55 m，共設抗滑樁55根。抗滑樁開挖深度極大，存在施工風險，可操作性差。該方案總的清方量為126.5萬m3。

5)方案比選。

針對隧道右側滑坡體的地質特征和變形現(xiàn)狀，共提出了四個“清方+支擋”的處治方案：方案一(全清方方案)、方案二(大清方方案)、方案三(中等清方方案)、方案四(最少清方方案)。對這4個方案進行論證比選和深入分析(見表2)，從保護環(huán)境和坡體穩(wěn)定性角度，并結合現(xiàn)場地形地質條件，應控制清方規(guī)模，采用分級清方、分級支擋措施，即推薦原位處治的中等清方方案(方案三)。

表2 原位處置方案綜合比選表

2.3 棄土場方案比選

根據滑坡體處治推薦方案，清方約150.1萬m3；并根據對現(xiàn)場地形、地質的調查情況，棄土場位置選定于K12+900隧道左側480 m的河谷中。棄土場起點距離某鐵路斜井洞口285 m，終點距離下游鐵路橋730 m，以利于對滑坡體Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的坡腳進行完全反壓。棄土場起點壩頂設計標高均低于鐵路斜井洞口標高3.5 m，并根據原道路標高對棄土場平臺標高進行控制。在棄土場進行分級加固護坡的基礎上，設計通過泄水隧洞、鋼波紋管、明溝三種泄水方案進行排水比選；三種方案均埋設2 m鋼波紋管解決枯水期河道臨時過水。

1)泄水隧洞方案。泄水洞洞身全長1 160 m，進口位于某鐵路斜井施工場地下游約70 m左岸，出口位于ZK13+805對岸陡崖下方，泄水洞寬7 m，高8 m，進口段轉角42°，洞身為直線，泄水隧洞縱坡為-4.57%，溢洪道縱坡為-29%。洞身處巖性以泥質粉砂質、砂巖互層為主，圍巖級別主要為洞口段Ⅴ級、洞身段Ⅳ級。泄水洞按100年一遇洪水設計，設計洪峰流量為300 m3/s，流速為21 m/s。泄水洞工程主要由三大部分組成：進口攔水壩和防滲墻等防護工程、隧洞主體工程、出口梯級消能結構，見圖7，圖8。

2)鋼波紋管方案。方案采用8 m鋼波紋管引水，鋼波紋管縱坡不大于5%，出口接泄槽與原溝順接。方案中以1 m～8 m鋼波紋管來解決棄土場永久排水問題，棄土場建成后以該涵洞作為主泄洪通道，但鋼波紋管對施工工藝要求較高。鋼波紋管出口接泄槽，泄槽尺寸采用8 m×4.5 m。泄槽段對基礎填筑渣料要求粘粒含量小于10%,分層填筑,級配良好,并經壓實處理(壓實度大于93%)，見圖9，圖10。

3)明溝方案。方案采用明溝引水，不同縱坡段采用不同尺寸，縱坡0.3%采用8 m×5 m，縱坡10%,20%采用8 m×4.5 m。明溝基礎填筑渣料要求粘粒含量小于10%,分層填筑,級配良好,并經壓實處理(壓實度大于93%)，為了防止棄土場邊坡掉塊、滾石及失穩(wěn)，對非特別壓實區(qū)的壓實度要求不大于80%，見圖11。

4)棄土場方案比選。在棄土場分級支護方案一致的前提下，本文從工程造價、施工難度、環(huán)境影響、安全風險和施工周期五方面對棄土場排水處置的泄水洞方案、鋼波紋管方案、明溝方案三個方案進行綜合比選(見表3)，最終選取泄水洞方案。

2.4 隧道處置方案比選

對應于滑坡體原位處治(清方+支擋)的四個方案，從隧道處治措施的角度可以分為2個大類的處治方案進行考慮。

表3 棄土場方案綜合比選

1)全清方方案的隧道處置方案(方案一)。

該方案的處置措施為：徹底清除隧道頂及右側后部的變形體；將左洞ZK12+512～ZK12+800段隧道改為路基通過；清方右洞周邊巖土體厚度；ZK12+800～ZK12+840段二次襯砌裂縫處治及襯砌補強；左側支擋防護+右側錨桿(錨索)抵抗順層偏壓。

2)局部清方方案的隧道處置方案(方案二)。

該方案處置措施為：清除應急搶險期間臨時反壓回填洞渣；初期支護變形侵限的段落進行換拱處理；穿越變形體段進行仰拱加固處理；ZK12+800～ZK12+840二次襯砌裂縫處治及襯砌補強。

方案比選：對應于全清方方案的隧道處治方案(方案一)工程造價比對應于局部清方方案的隧道處置方案(方案二)工程造價低，但坡體全清方對生態(tài)環(huán)境破壞大，隧洞局部改路基以及邊仰坡的支護存在施工風險，結合坡體原位處置方案，綜合選取局部清方方案的隧道處置方案(方案二)。

2.5 綜合處置方案選擇

該隧道穿越滑坡體治理工程包括原位處治(清方+支擋)工程、棄土場工程、隧洞處置工程三部分。從工程造價、施工難度、環(huán)境影響、安全風險、施工進度等角度考慮，經綜合分析比選，該隧道穿越滑坡體綜合治理方案為：坡體部分清方方案和分級支擋、棄土場泄水隧洞排水和分級支護、隧道原位處置修復。

3 治理效果評價

推薦方案治理工程效果的好壞需要進行評價檢驗[10,11]，現(xiàn)場在該滑坡體的Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的主滑斷面布設了5臺GNSS自動化監(jiān)測設備，開展了3年的持續(xù)監(jiān)測，其監(jiān)測設備布置平面圖見圖12，典型監(jiān)測點的位移監(jiān)測曲線見圖13，圖14，各監(jiān)測點的累計位移統(tǒng)計數(shù)據見表4。

從圖13和表4可知，位于滑坡體Ⅰ區(qū)主滑斷面的監(jiān)測點G1，G2，G3，在2018年—2020年3年時間內，測點最大累計水平位移為15.6 mm，最大累計垂直位移在-18.9 mm，屬于正常變動范圍。從圖14和表4可知，位于滑坡體的Ⅱ區(qū)主滑斷面的監(jiān)測點G4，G5，從2018年到2020年，最大累計水平位移變化范圍在31.7 mm，最大累計垂直位移在14.5 mm區(qū)間內變化，G4點水位位移有微小變化，但屬于正常范圍內。綜合以上各監(jiān)測曲線和監(jiān)測統(tǒng)計表，可知：從2018年到2020年，該滑坡體處于正常變形范圍，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，也從側面說明了比選推薦方案治理工程的合理性和有效性。

表4 各監(jiān)測點累計位移統(tǒng)計表(截止到2021.1.1)

4 結語

1)通過對4種線路避繞方案、坡體和隧道原位處置方案進行綜合比選分析，選取了坡體清方和分級支擋相結合的原位處置方式進行工程治理。

2)分別從坡體原位處置、棄土場處置、隧道處置出發(fā)，綜合考慮工程造價、安全風險、工程進度、環(huán)境影響、施工難度等因素，經綜合比選分析，選取坡體部分清方方案、棄土場泄水隧洞方案、隧道原位處置方案相結合的綜合處置方案。

3)對選取的綜合處置方案進行治理效果評價，經評價校驗，推薦治理工程實施后坡體整體穩(wěn)定，隧道無變形開裂現(xiàn)象，驗證了治理方案的合理性和有效性。