西南山區某隧道斜坡變形成因分析

摘要 文章通過對西南山區某隧道現場實地踏勘調查并總結相關技術資料，首先對該隧道的地形地貌、地層巖性、水文地質條件、超前地質預報、洞口邊仰坡、隧道圍巖穩定性及巖爆與偏壓問題等進行了詳細的描述說明，然后對隧道施工過程中的工程病害及其發生的時間進行斜坡變形的成因分析，因2020年11月16日首先出現掌子面塌方，2020年12月20日至2020年12月30日發現洞口斜坡裂縫及其他隧道工程病害，結合地質情況分析得出，該山區隧道工程病害是由于其開挖工程活動破壞了斜坡巖體中原有的完整軟弱裂隙帶結構，促進了其相互貫通，從而導致了斜坡變形的發生。

關鍵詞 斜坡；隧道；變形；工程地質

中圖分類號 U455 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）24-0115-06

0 引言

近年來，我國高速公路建設里程增長顯著。截至2021年年底，全國高速公路總里程達16.91萬公里，同比增長0.8萬公里。尤其在西南地區，大量高速公路項目正如火如荼地建設，促使西南地區交通網絡的日臻完善，區域經濟發展也迎來新的機遇。然而，由于西南地區復雜多變的地質構造、特殊的巖體、活躍的地質板塊和復雜的水文情況，極易導致隧道在開挖的過程中引發山體變形，甚至出現滑坡、坍塌等地質災害，給工程建設帶來了極大的難度和安全隱患。為確保工程安全與順利進行，對隧道洞口斜坡穩定性及施工相互作用的深入研究顯得尤為關鍵，具有重要的現實意義。山田剛二[1]首先對隧道施工引起的山體滑坡進行了分析，并最早總結了產生該類工程問題的影響因素；李文軍等[2]通過總結幾種隧道變形與山體滑坡的典型案例，初步提出了隧道選線與斜坡松弛帶的關系，并表示只有充分查明松弛帶深度及斜坡穩定性，才能避免地質災害的發生；趙華宏等[3]初步斷定隧道施工是滑坡形成的主要誘發因素，同時提出了強降雨導致土體的抗剪強度變低、含水量變大等影響也不容忽視；張治國等[4]總結了以往的相關研究，提出了將隧道修建在松弛帶以外且較為完整的巖土層中，可有效防止山體滑坡災害的發生；葉浩等[5]通過研究正交體系下隧道與滑坡的相互影響關系，合理設定隧道滑動面安全距離與隧道襯砌的結構形式，有效降低了隧道工程風險；王玉龍等[6]深入分析了坡體位移與隧道施工進度之間的相互影響關系，發現隧道施工過程中的擾動會導致滑坡體發生變形和蠕動。為了有效抑制這種變形，及時采用隧道襯砌等支護結構措施，從而顯著降低滑坡體的變形程度，確保隧道施工的安全與穩定，Wang[7]通過研究隧道襯砌表面裂縫的空間分布和紋理等表觀特征，探究分析了引發襯砌變形的影響因素，為后續類似隧道病害原因的查詢提供了借鑒；吳紅剛等[8]以武罐高速韓家磨隧道為研究對象，為揭示隧道施工與坡體變形的相互作用關系，提出了“隧道-邊坡體系”概念，通過對隧道進行應力及變形影響因素的分析，提出了遵循協同分析原則的處治措施；馬惠民等[9]通過分析國內隧道施工引起邊坡變形的幾個典型案例，總結出平行、正交及斜交三種隧道受力的變形模式，完善了“隧道-滑坡體系”的理論框架，同時闡述了“隧道-滑坡體系”受力變形的周期性特征；Susilo等[10]使用Wenner-Schlumberger配置的電阻率法對Banaran地區的滑坡進行了分析研究，詳細地概括了該滑坡的滑移深度和危險等級；張浩等[11]詳細分析了鄭家垣隧道與滑坡處于斜交體系下的工程特征、演變過程、發展趨勢、滑坡形成原因、穩定性狀況及治理思路等方面，并在此基礎上，提出了滑坡體卸載、封堵裂縫、增設抗滑樁加固、取消隧洞前短路基及改善防排水體系等綜合治理措施。同時研究發現，隧道走線與滑動面的位置是判別工程風險程度大小的一個指標，隧道距離滑動面越近，則整體穩定性越差，因隧道施工引起的工程病害也就越嚴重，從空間體系上看，隧道走線穿越滑動面帶來的工程風險大于隧道走線穿越滑床。張魯新等[12]以東榮河滑坡為具體案例，綜合采用了現場勘測、滑坡實時監測及室內試驗等多種手段進行深入分析，研究結果表明，除地質條件這一基礎因素外，雨水等外界影響因素的作用，也是形成蠕動型滑坡不可忽視的重要原因；朱苦竹等[13]以云南小曼薩河隧道為研究對象，針對滑坡體內修建隧道出現的各種工程病害，結合隧道監測的實際數據，深入分析了滑坡與隧道之間相互作用、相互促進的復雜過程，通過揭示滑坡與隧道相互作用的內在機理，為此類隧道的設計和施工提供了寶貴建議。

1 工程概況

1.1 地形地貌

該文所選隧道位于我國西南地區，該地重巒疊嶂，溝壑縱橫，山脈多以北東—南西走向，與區域的整體構造線方向一致，同時與隧道的走向近乎垂直。整體上，隧址區的地勢呈現南西高北東低的形狀，地面海拔在850.5～1 011.5 m之間波動，極值高度差達到約161 m。山體的自然傾斜度介于25°～35°之間，多覆蓋第四紀的殘余坡積層。隧道的進出口段處于山間溝谷，進出口段山澗溝谷發育，隧道洞口斜坡山體上分布著四條走向相似的沖溝。這些沖溝的走向大致在0°～25°之間，與隧道近似正交。沖溝的深度在2～10 m之間，寬度則介于5～15 m之間，多呈現“V”形，坡度陡峭。在地表未見明顯的徑流，沖溝主要是大氣降水匯聚后形成的地面流水沖刷而成。在斜坡的山前部分，發育一條與隧道走向近似平行的沖溝，山脊位置有明顯的山嘴突出，其走向在280°～290°之間，形狀類似于“U”形。沖溝的寬度變化在85～132 m之間，坡度相對較為平緩。溝內流淌著一條自西向東蜿蜒的小溪，溪溝的寬度在1.5～2.0 m之間，深度介于0.8～1.2 m之間，水流湍急。山體上的植被茂盛，斜坡的中下部及山前的沖溝內主要種植著茶樹、橘樹等經濟林木，而斜坡的中上部則以雜草和橘樹為主。沿著山脊的走向，村民們已經開挖了一條存在10年之久的土溝，主要目的是防止牛羊穿越。這條土溝從山頂沿著山脊線一直延伸到山體的中部，寬度在1.5～2.0 m之間，深度則介于1.2～1.6 m之間[15]。圖1為現場航拍圖。

1.2 地層巖性與巖土體性質

經過物探、鉆探及工程地質測繪的綜合分析，隧道區域地層主要由第四系人工堆積層（Qml）、第四系沖洪積層（Qal+pl）、第四系殘坡積層（Qel+dl）和三疊系中統蘭木組（T2l）共同構成的復合地層。

（1）第四系人工堆積層（Qml）。坡腳反壓填土層，黃褐色為主、底部淺灰色，松散～稍密狀，主要由粉質黏土混碎石、塊石組成，碎石、塊石含量約35%～45%，粒徑2～10 cm，母巖成分主要為砂巖。

（2）第四系沖洪積層（Qal+pl）。淤泥質黏土，灰黑色，上部為褐黃色，地表0～0.5 m為粉質黏土硬殼層，呈可塑～硬塑狀，下部0.5～3.0 m為可塑狀淤泥質黏土，含有機質，稍具臭味，稍有光澤，無搖震反應，孔隙比大，壓縮性高，主要分布在坡腳沖溝區域，在坡腳反壓清表時發現。如圖2所示：

（3）第四系殘坡積層。主要由粉質黏土（Qel+dl）構成，呈灰黃色，硬塑狀態，主要由黏粉粒組成，并含有少量角礫，具有中等的干強度和韌性，且無搖震反應。此層在進口段碎石含量相對較高，廣泛分布于山體的表層，特別在隧道的出口段，其厚度范圍在0.50～2.40 m之間。

（4）三疊系中統蘭木組（T2l）層。在地質調查和鉆探揭示下，主要表現為砂巖與泥巖的交替出現。泥巖多以夾層或互層的形式賦存在砂巖層中，具有泥質結構，巖質非常軟，且遇水后易于軟化，若長時間暴露于日光下則容易發生崩解。相對而言，砂巖展現出粉砂狀結構及薄層狀構造，巖質較硬。依據巖石風化程度的不同，該組地層可進一步細分為強風化層和中風化層。強風化層中的砂巖主要呈黃灰色，巖質較軟，風化作用顯著，裂隙發育廣泛，裂隙面有明顯的鐵錳質浸染現象，在送水鉆進時進度快，所取得的巖芯多呈現為碎塊狀、半柱狀或短柱狀。該風化層廣泛分布于山體的淺部區域，在所有鉆孔中均有揭示，其厚度在9.30～12.80 m之間，構成了隧道圍巖的主要巖體。而中風化層則由砂巖夾泥巖組成，整體呈深灰色，巖質相對較軟，巖石的裂隙同樣發育，巖體相對破碎，所取得的巖芯多為碎塊狀或短柱狀。

1.3 隧址區水文地質條件

經過現場勘察，隧道進口處的地表水情況得以明確。隧址處可見溝谷溪水分布，其流量在勘察期間約為0.10～0.30 l/s。隧址區洞口段未發現大量的地表水體，主要是受大氣降雨影響形成的短期地表徑流。地表徑流主要表現為季節性，受季節降雨變化而變化，表現為雨季時水流明顯，而冬季則基本斷流。

在地下水方面，場地內的地下水主要包括賦存在第四系覆蓋層中的孔隙水和基巖中的基巖裂隙水。通過施工期間的調查測得，地下水的穩定水位標高約為864 m。

1.4 涌水量預測

根據地勘與物勘結果的分析，預測隧道施工過程中突水涌水的流量不大，隧道線路部位的地下水出水狀態主要表現為慢慢滲出，在隧道局部含水量大的特殊區域可能出現溪流狀出水，不會出現大規模的出水情況。然而，在特定路段如ZK141+900至ZK141+940（對應YK141+900至YK141+940）、ZK141+960至ZK142+000（對應YK141+966至YK142+007），以及ZK142+050至ZK142+140（對應YK142+060至YK142+140）等區域內，由于巖石裂隙發育明顯且巖體破碎，這些區域被認定為地下水富集地帶。在這些特定區域內，水量相對較為豐富，因此存在小規模涌水現象的可能性。

1.5 超前地質預報情況

由圖3可知，隧道周邊圍巖特征表現出一定的變化規律，依次是黏土、強風化砂巖、中風化砂巖。黏土位于地表層，巖層縱波速Vp=380～460 m/s，主要為灰黃色，硬塑，黏粉粒為主，其巖體強度較低，韌性較差，且分布較多的碎石；往深層表現為強風化砂巖，巖層縱波速Vp=1 000～1 200 m/s，呈黃灰色，巖質軟，巖石風化強烈，裂隙很發育，裂隙面鐵錳質浸染，送水鉆進快，巖芯多呈碎塊狀、半柱狀、短柱狀，該層分布于山體淺部；再往深層則為中風化砂巖夾泥巖，巖層縱波速

Vp=3 200～3 510 m/s，呈深灰色，巖質較軟，巖石裂隙發育，巖體較破碎，巖芯呈碎塊狀、短柱狀。同時，隧道周邊圍巖土體中夾雜部分軟弱帶，從隧道走線上來看，分別在K142+100至K142+140、K141+910至K142+940區域有所分布。

1.6 隧道圍巖分級

根據隧道所處地區圍巖的硬度與完整性這兩個核心要素的定性評估，以及巖體基礎質量指數BQ的量化數據，進一步結合水文狀況、節理裂隙發育分布情況及圍巖應力狀態等多方面因素對圍巖穩定性的影響，將該文所選隧道周邊的圍巖等級綜合劃分為Ⅳ～Ⅴ級圍巖[14]。根據統計數據分析，隧道左洞中Ⅳ級圍巖約占其總長的43%，而Ⅴ級圍巖則占約57%；相較之下，右洞的Ⅳ級圍巖約占其總長的52%，Ⅴ級圍巖則占約48%。

1.7 隧道進出洞口邊坡、仰坡

隧道進出口均坐落于斜坡上，其山體自然坡度介于30°～40°之間。坡體主要由殘坡積粉質黏土、碎石及強風化的泥砂夾砂巖構成。考慮這種土質邊坡的特性，其自然穩定性相對較弱。特別是在暴雨季節，當地表水滲透及受施工干擾等觸發因素時，坡體存在發生滑動的潛在風險。隧道的走向為310°，其巖層產狀傾向與隧道軸線的夾角為86°，呈現出逆坡向的特點，這種地質結構對隧道左側邊坡和仰坡的穩定性影響較小。然而，隧道右側邊坡的巖層層理為順坡向，這種結構將對邊坡的穩定性產生不利影響。隧道區的巖體節理較為發育，節理之間相互切割，形成了多種不穩定的巖體結構，如刃口向上的楔形體、尖端向上的錐形體、長軸豎直的柱體和棱體等。

1.8 巖爆及偏壓問題

隧道的最大埋深達到76 m，因此在此深度下，并不存在極高應力或高應力的狀況。然而，考慮洞身圍巖主要由砂巖夾泥巖構成，其中泥巖部分具有顯著的吸水性和較軟的巖質，一旦脫水便容易崩解，為確保施工安全，必須加強對隧道的支護措施。此外，隧道穿越的山脊地形呈現南高北低的特征，進口段的橫向山坡坡度介于35°～45°之間，而出口段的橫向山坡坡度則約為35°。根據對洞頂地形橫向坡度與隧道埋深的綜合分析，可以判斷隧道存在偏壓現象。

2 隧道洞口段斜坡變形成因分析

2.1 掌子面塌方

2020年11月16日，隧道左洞ZK142+140處掌子面在開挖過程中出現小型塌方，主要集中在采用CD法施工的隧道左側洞上方，塌方量約為200 m3，涌出物為風化嚴重且含泥量大的破碎巖體，頂部形成塌腔，如圖4所示：

2.2 初期支護破壞

在2020年11月16日至2021年1月17日期間，隧道左洞ZK142+120至ZK142+140段的拱頂和拱腰部位出現了初期支護的剝皮開裂現象。與此同時，右洞K142+100至K142+120段的拱頂和拱腰部位也出現了類似的初期支護剝皮開裂現象。這些現象的發生表明隧道的穩定性和安全性受到了影響，如圖5～8所示：

2.3 二次襯砌破壞

在2021年1月17日的現場檢查中，在已完成二次襯砌施工的隧道左洞發現病害，樁號ZK142+168和ZK142+192

的仰拱及邊墻處分別出現一道裂縫，其中ZK142+168處的仰拱裂縫縱向延伸長度約為3 m，而左洞該段的二次襯砌是在2020年11月澆筑完成的，如圖9～10所示：

2.4 隧道洞口段后緣斜坡體變形破壞情況

在2020年12月20日，經過現場踏勘發現，距隧道出口段約45～70 m的后側山體位置出現了一道明顯的裂縫LF1，該裂縫的長度約為25 m，寬度在3～6 cm之間，可見深度達到20～30 cm，但并未觀察到明顯的錯臺現象，如圖11所示。約10 d后，即2020年12月30日，在隧址區現場踏勘時，該隧道出口段的斜坡后緣山體山脊附近又發現一道更長的裂縫LF2，其長度約為90 m，寬度在2～10 cm之間不等，最大寬度甚至達到了15 cm，可見深度為30～50 cm，如圖12所示。與裂縫LF1相似，LF2也未出現明顯的錯臺，這條裂縫主要沿著山脊靠近大樁號的一側分布。值得注意的是，裂縫距離左洞掌子面約90 m，而距離右洞掌子面則為56 m。在裂縫的小樁號側，有一條由村民開挖的土溝，這條土溝已經存在了10年之久，主要用于防止牛羊穿越。土溝的寬度在1.5～2.0 m之間，深度為1.2～1.6 m。此外，在進行隧道中軸線復測時，發現其已向斜坡的外側偏移了約2 cm。觀測結果表明，斜坡體正在發生變形，對隧道的穩定性和安全性構成了威脅。

3 斜坡變形病害成因分析

洞口斜坡變形的發展由內而外。在2020年11月16日，隧道左洞ZK142+140處掌子面開挖過程中出現了小型塌方，如圖4所示。同時，洞內監測的洞周收斂與拱頂沉降數據也出現了異常突變，如圖13～14所示。經參建各方現場踏勘決定進行混凝土灌注填充塌腔，在填充施工過程中，掌子面上方巖土體再次塌方，且這次面積更大，高度更高。這一階段隧道其他部分區域并未發現其他明顯的工程病害，表明隧道洞內的塌方病害是首先出現，即由巖體內部的軟弱裂隙帶導致。因此，可以推斷隧道掌子面的塌方并非導致斜坡山體產生后緣裂縫病害的主要原因。隨著時間的推移，病害逐漸由洞內向洞外發展，2020年12月20日在隧道洞口段后緣山體地表出現了長約25 m的裂縫LF1，如圖11所示。此時，洞內監測的拱頂沉降數據也出現了異常突變，如圖14所示。該隧道洞內的初期支護也出現了剝皮開裂的現象，這表明塌方區域的土體正在加劇變形，并對地表裂縫的發展起到了促進作用，且已經明顯影響了隧道結構，如圖5～8所示。到2020年12月30日，隧道出口段的斜坡山體出現了明顯的變形破壞，沿山脊附近又發現了一道長約90 m的裂縫，如圖12所示。此時，隧道塌方區域的初支并未出現嚴重變形破壞，而是隧道洞口區域的二次襯砌發生了破壞，表明洞口區域發生了明顯變形，如圖9～10所示，左洞仰拱及邊墻各出現了一處裂縫，這表明隧道的變形發展并不是誘發斜坡后緣山脊裂縫產生的主控因素，而是對斜坡的變形起到了加劇作用。自2020年11月16日發現掌子面坍塌至2020年12月30日發現后緣體90 m裂縫這段時間內，隧道左右洞繼續開挖施工，左右洞已經分別掘進至ZK142+094和K142+060處，左右洞掌子面距塌方區域已有46 m和80 m距離，已經挖通隧道圍巖體中的軟弱裂隙帶，所以伴隨隧道施工的不斷進行、裂隙帶的逐漸貫通，導致斜坡體變形逐漸加重。因此，斜坡體巖體中的軟弱裂隙帶對斜坡的穩定性起到了控制性作用，而地下水的影響則可能進一步促進了斜坡的變形。所以，可以推斷隧道開挖工程活動破壞了斜坡巖體中原有的完整軟弱裂隙帶結構，促進了其相互貫通，加速導致了土體的位移變形，導致該隧道工程病害的產生。

綜上可知，該隧道開挖過程中的工程擾動對洞口斜坡穩定性產生了顯著影響，導致后緣山體沿山脊出現了兩道合計總長約115 m的裂縫。根據現場勘探、監控量測、鉆探取樣及物探數據分析可知，這一病害的形成原因主要有三個階段：首先，隧道開挖引起的掌子面塌方造成洞口斜坡發生變形，進而牽引后緣坡體產生接近貫通的圓椅狀裂縫；其次，隧道的變形帶動斜坡產生位移變化，從而形成山脊裂縫；最后，隧道開挖促使斜坡基巖中的軟弱裂隙帶貫通，誘發斜坡滑動變形，進一步加劇隧洞掌子面的塌方和隧道的變形，二者相互促進發展。

4 結語

（1）由地質情況分析可知，該文所選隧道走線經過的K142+100至K142+140、K141+910至K142+940區域裂隙密集發育，在隧道開挖此段時應特別注意，做好超前支護，降低爆破強度，及時施作襯砌支護等施工措施，提高隧道圍巖穩定性。隧道周邊圍巖局部區域（該文1.4節中的特定路段）含水量較大，在施工過程中應特別關注，并采取相應的防水措施以確保施工安全。

（2）隧道開挖工程活動破壞了斜坡巖體中的軟弱裂隙帶，并促使其相互貫通，誘發了斜坡體的蠕動變形和隧道掌子面的塌方。掌子面的塌方進一步加劇了斜坡體的變形積累和軟弱裂隙帶的貫通，二者相互促進發展，最終形成了由斜坡體前緣帶動后緣的位移變形，逐漸發展成范圍規模更大的圈椅狀蠕動變形地質災害。因此，可以得出結論：隧道開挖工程活動促進斜坡巖體中軟弱裂隙帶的貫通是誘發斜坡蠕動變形的主控因素，而掌子面的塌方則是斜坡體蠕動變形的具體表現，隧道的變形對斜坡體的蠕動起到了加劇作用。

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