黃土地區(qū)公路工程擾動誘發(fā)次生地質(zhì)災害研究與分析

劉錦釧

（中路黃河（山西）交通科技集團有限公司，山西太原 030006）

0 引言

為了響應國家“一帶一路”的發(fā)展戰(zhàn)略，促進中西部地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，交通運輸部提出了交通網(wǎng)絡(luò)2035 發(fā)展規(guī)劃，將在中西部地區(qū)新建大量高速公路，不可避免會穿越黃土地區(qū)。而黃土的特殊工程地質(zhì)性質(zhì)會帶來諸多工程問題，尤其當黃土作為工程載體時，其問題尤為突出。此外，在山區(qū)建設(shè)高速公路，會出現(xiàn)大量隧道工程，這對于脆弱的黃土地質(zhì)條件是非常大的擾動，這種工程活動引起的次生地質(zhì)災害可能會誘發(fā)更多工程問題。

針對隧道-邊坡體系，國內(nèi)學者進行了豐富的研究。孫明磊等[1]通過建立FLAC3D 三維數(shù)值模型，研究了不同空間位置下的滑坡誘發(fā)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力及變形特征變化規(guī)律。周文皎[2]系統(tǒng)分析了滑坡-隧道體系的相互作用機制，并提出了變形控制對策。趙金等[3]研究了平行體系中隧道-洞口滑坡的力學特征及變形規(guī)律，推導了隧道內(nèi)力計算模型。高巖等[4]通過開展室內(nèi)模型試驗，對降雨條件下隧道-滑坡體系災害演進機制進行研究。李洋溢等[5]研究了大跨度隧道洞口滑坡的成因，并提出了加固措施。王永俊等[6]在對隧道洞口的滑坡進行處置后，采用長期監(jiān)測方法評價了防護的有效性。王劍非等[7]借助數(shù)值模擬手段對滑坡成因、隧道變形進行了深入的分析研究。周琪等[8]采用有限元模型對隧道開挖過程中的滑坡蠕變行為進行了研究。

目前國內(nèi)外對于工程擾動誘發(fā)滑坡，以及滑坡引起次生災害的研究較多。但是很多研究局限于數(shù)值分析和理論推導，并依托實際工程進行了監(jiān)測，但是由于研究對象不同，研究結(jié)果很難具有普適性，尤其是在隧道上方同時發(fā)育多種不同類型的滑坡時，力學與變形特征更加復雜。因此，依托實體工程，開展“滑坡-隧道”相互作用機理、監(jiān)測預警及變形控制技術(shù)研究具有重要的理論和實踐意義。

1 工程概況與方法

1.1 工程概況

該研究依托于黃土高原某處高速公路邊坡，該邊坡地貌上屬黃土丘陵區(qū)，位于隧道之上。隧道坡體及隧道結(jié)構(gòu)病害主要發(fā)生在隧道及路塹左側(cè)邊坡處，在隧道上部坡體左側(cè)還發(fā)現(xiàn)有圓弧形陡坎及張拉裂縫，在隧道部位坡體地表局部排水溝發(fā)現(xiàn)有擠壓變形現(xiàn)象。隧道上部坡體東側(cè)發(fā)現(xiàn)有圓弧形黃土斜坡陡坎，陡坎下右側(cè)平臺上地表出現(xiàn)明顯的張裂縫，裂縫方向與陡坎走向基本平行，裂縫寬度為3～5 cm，長8～15 m。隧道內(nèi)裂縫共有97 條，以水平裂縫、斜向剪切裂縫為主。裂縫大多較細小，寬度1～3 mm 為主，剪切錯動不明顯，一般不超過2 mm。部分沿隧道襯砌伸縮縫發(fā)育的垂直張裂縫，最大的張裂縫位于隧道右邊墻至拱頂，寬約23 mm，深50 cm，錯臺8 mm。在路塹左側(cè)邊坡的一級平臺到三級邊坡的中部，已經(jīng)形成不連續(xù)的近水平裂縫（裂縫寬度1～4 cm）和鼓脹現(xiàn)象、錯臺及排水溝渠壁傾斜。

1.2 現(xiàn)場監(jiān)測方法

通過監(jiān)測邊坡及隧道結(jié)構(gòu)變形，評估邊坡體的穩(wěn)定狀態(tài)，預測邊坡變形發(fā)展趨勢，對因滑坡造成的隧道病害演化規(guī)律的研究提供依據(jù)。

監(jiān)測的主要任務(wù)是對邊坡和隧道結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)測，掌握控制邊坡穩(wěn)定性的各種參數(shù)和因素隨時間和空間上的變化過程，為后續(xù)養(yǎng)護方案提供數(shù)據(jù)支撐。采用地表GNSS 對邊坡表層的變形特征進行監(jiān)測。共設(shè)置了4 處監(jiān)測點，分別為D-01、D-02、D-03、D-04，位于斜坡的4 個方位，如圖1所示。

1.3 數(shù)值模擬

通過現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，在隧道洞口段，災害發(fā)育明顯，在結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了明顯的裂隙，因此，為了明確該區(qū)域的發(fā)育特征，開展了數(shù)值模擬研究。數(shù)值模型如圖2所示，在墻體與土體接觸帶設(shè)置A、B、C 三個觀測點分別監(jiān)測墻體不同位置的變形情況。

圖2 滑坡-洞門模型數(shù)值分析網(wǎng)格圖

該次計算的參數(shù)取值如表1所示，其中支擋結(jié)構(gòu)及襯砌采用混凝土，墻后土體采用高含水量土體，其余土體采用正常狀態(tài)。

表1 強度參數(shù)取值

2 研究結(jié)果

2.1 隧道洞口段變形特征

整體變形集中于墻與土體接觸部位，墻體受到土體的側(cè)向土壓力，發(fā)生水平方向的推移以及豎直方向的剪切變形（圖3）。

圖3 整體剪應變速率

墻體受到土體壓力，有向外變形的趨勢，由于兩端受到側(cè)向約束，導致力會傳遞到中間位置，由此形成較大曲率的變形，由中心向兩側(cè)變形量逐漸變小（圖4）。整體受到拉張應力，由此造成墻體縱向開裂和垮塌。在洞頂處，結(jié)構(gòu)薄弱，容易造成應力集中，并且在施工過程中采用拼接式方法，更容易在該位置發(fā)生開裂。

圖4 墻-土接觸帶受力特征

2.2 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

D-01 監(jiān)測點位于隧頂排水溝東側(cè)舊院落北側(cè)坡頂，從圖5 中可看出：高程方向由于精度比平面方向低，所以波動幅度較平面大。X方向位移量約8 mm；Y方向位移量約36 mm，方向向西；高程方向幾乎不變。

圖5 D-01監(jiān)測點變形結(jié)果

D-02 監(jiān)測點和D-03 監(jiān)測點位于隧道加固段上方坡體。從圖6 和圖7 可看出，兩測點X方向和高程方向位移無明顯增大趨勢，僅Y方向位移有增大趨勢。監(jiān)測點D-02 位移量達到38 mm，監(jiān)測點D-03 位移量達到30 mm。

圖6 D-02監(jiān)測點變形結(jié)果

圖7 D-03監(jiān)測點變形結(jié)果

D-04 監(jiān)測點位于隧道端洞門西北角。從圖8 可看出，測點X方向有一向北緩慢增大趨勢，位移量達到約10 mm；高程方向位移無明顯增大趨勢；Y方向位移有增大趨勢，位移量達到25 mm。

圖8 D-04監(jiān)測點變形結(jié)果

從圖8 可看出，邊坡水平方向位移量比高程方向波動稍大，同GNSS 水平方向監(jiān)測精度5 mm±1 ppm 精度吻合。邊坡高程方向位移量值比水平方向大，這與GNSS 高程方向監(jiān)測精度10 mm±1 ppm 精度吻合。邊坡高程方向無明顯增大趨勢。邊坡Y方向（垂直于坡面方向）有增大趨勢，位移量達到25～38 mm，但經(jīng)對基站的IGS 解算，發(fā)現(xiàn)基站有一沿Y方向（與監(jiān)測點相反），且量值約40 mm 左右的位移量。

綜上所述，監(jiān)測邊坡坡表變形暫處于穩(wěn)定狀態(tài)。

為了進一步驗證數(shù)值模擬的有效性，將監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進行了對比。由于本文重點關(guān)注的是洞口段的變形特征，所以僅對比D-04 號監(jiān)測點的X方向表層變形特征。由圖9 可知，監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值計算的結(jié)果匹配度較高，并且整體分為3 個階段：累計變形階段、穩(wěn)定變形階段，以及加速變形階段。根據(jù)結(jié)果可以判定表層變形閾值，對預測災害發(fā)生具有一定的指導意義。

圖9 監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果對比（X方向）

3 討論

基于上述研究，該處滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，而出口段有小變形，因此需對隧道出口擋墻以及鄰近結(jié)構(gòu)進行處置。擬采用W 型鋼帶+鋼管樁對隧道進出口段進行加固處理。為了驗證這種辦法的可行性，采用數(shù)值模擬方法對加固前后的隧道變形進行了分析對比。

鋼管樁呈梅花型布置，樁間距1 m，鋼管樁鋼管采用外徑121 mm、壁厚3 mm、內(nèi)徑115 mm 鋼管，管內(nèi)及管側(cè)注入1∶1純水泥漿封閉。鋼管樁成孔直徑150 mm，成孔長度6.1 m，樁長6.0 m。最外側(cè)加設(shè)一根與水平方向呈60°角的相同參數(shù)的鋼管樁。鋼管樁采用梁單元模擬，材料參數(shù)采用按鋼管和水泥漿液所占面積進行權(quán)重等效計算后得到，彈性模量為35.7 GPa，密度為2 696.1 kg∕m3，泊松比0.21，計算結(jié)果見圖10。

圖10 隧道結(jié)構(gòu)變形計算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果（圖10）可知，加固前隧道結(jié)構(gòu)最大變形出現(xiàn)在頂部，為2.01 cm。在本文中，超過1.7 cm的變形區(qū)域定義為大變形區(qū)域，加固前的大變形區(qū)域占比超過17%，加固后最大變形約為2 cm，但是大變形區(qū)域相較降低了8%，并且仰拱底部的變形量有明顯的降低。總之，通過加固可以有效地將高應力區(qū)進行分散，并且可以有效控制仰拱變形，對隧道穩(wěn)定性有一定控制作用。

4 結(jié)論

通過對黃土地區(qū)公路邊坡-隧道結(jié)構(gòu)進行分析與研究，得到了以下結(jié)論：

a）墻體受到土體壓力，有向外變形的趨勢，由于兩端受到側(cè)向約束，導致力會傳遞到中間位置，由此形成較大曲率的變形，由中心向兩側(cè)變形量逐漸變小。整體受到拉張應力，由此造成墻體縱向開裂和垮塌。在洞頂處，結(jié)構(gòu)薄弱，容易造成應力集中，并且在施工過程中采用拼接式方法，更容易在該位置發(fā)生開裂。

b）將滑坡和隧道兩者相互作用作為一個整體進行考慮，并采用數(shù)值模擬方法和變形識別方法對監(jiān)測方法進行雙重驗證，可大大提高監(jiān)測方法的可信度和可靠性。

c）采用W 鋼帶+鋼管樁的處治方案，可以分散隧道應力，降低地基不均勻沉降的影響，對控制隧道變形有一定的作用。