某在建隧道上覆滑坡體處治方案研究

宋曉雷，劉慶華

（山西省交通規(guī)劃勘察設計院，山西 太原 030012）

1 概述

某在建山區(qū)高速公路，地形地貌為黃土覆蓋丘陵區(qū)，丘陵上部被第四系中上更新統(tǒng)黃土（Q2pl、Q3eol）覆蓋，其形態(tài)為黃土梁峁狀。谷底和谷坡下部基巖出露，巖性為二疊系砂巖夾泥巖，基巖頂部和黃土之間夾有第三系紅黏土及半膠結的礫巖。線位以隧道形式通過黃土峁，線位左側臨空，右側為黃土峁。隧道底板最大埋深102～107 m。隧道穿越黃土峁，圍巖巖性主要為N2棕紅色粉質(zhì)黏土，土體含水量高（w：19.4%～22.6%），呈硬 - 可塑狀（Il：0.12～0.38），圍巖全部為Ⅴ級。

隧道施工正逢雨季，且當年降水量為歷年最大。隧道施工過程中，由于山體地表、隧道仰拱和二襯出現(xiàn)多條裂縫，緊急停止施工，停止施工時隧道進度為：左洞掘進125 m，仰拱施工93.5 m，二襯施工63.1 m；右洞掘進73.8 m，仰拱施工48.1 m，二襯施工25.4 m。

地表裂縫：分布于線位左右兩側，最遠處裂縫位于線位右側（靠山側）近30 m的地方，該條裂縫長140 m，其余4條長度在22～32 m，裂縫寬度2～12 cm，垂直落差2～9 cm。停止施工后對裂縫進行了灰土回填和夯實，但隨后發(fā)現(xiàn)裂縫仍有擴張趨勢。

洞內(nèi)裂縫：停止施工時，隧道左右線洞體仰拱均有3條裂縫，二襯僅左洞有輕微裂縫。

裂縫均與隧道走向大體一致。仰拱裂縫分布于仰拱中部和左右兩側各一道，裂縫始于洞口向內(nèi)15 m，止于仰拱施工停止處，而從仰拱施工停止處至掌子面，未發(fā)現(xiàn)有裂縫，洞口處裂縫寬0.5 cm，里側最大寬度達到2.5 cm。二襯裂縫分布于左洞靠近洞頂右側，裂縫寬度0.1～0.2 mm，長度與仰拱裂縫基本一致。

隨后對隧道內(nèi)裂縫布設多個觀察點，通過近兩個月的觀測隧道內(nèi)仰拱上的裂縫未明顯變化，另外粘貼在洞頂二襯裂縫上的黃紙一直沒有被撕開。而冬季進入洞體內(nèi)未做二襯段，發(fā)現(xiàn)落洞頂?shù)嗡诘孛嫘纬珊芏啾恢貌灰?guī)則分布，間距1～2 m，冰柱直徑約4 cm，高約0.3～0.8 m。

2 病害產(chǎn)生原因分析

2.1 地形地貌

隧道及隧道所在山體產(chǎn)生裂縫后，根據(jù)裂縫對應關系，初步判斷山體可能朝著臨空方向滑動或蠕動。并在平面上根據(jù)裂縫的走向和位置，選定了兩個具有代表性的截面，進行鉆探和挖探。

隧址區(qū)出露及鉆探揭露的地層由老至新依次有：二疊系上統(tǒng)上石盒子組（P2S）、上第三系上新統(tǒng)（N2al+pl）、第四系中更新統(tǒng)離石組黃土（Q2pl）和上更新統(tǒng)馬蘭組黃土（Q3eol）。

2.1.1 二疊系上統(tǒng)上石盒子組（P2S）

巖性主要為砂巖夾泥巖。砂巖灰白色，強風化—中風化，節(jié)理裂隙發(fā)育；泥巖紫紅色，強風化—中風化，較濕軟。巖層產(chǎn)狀大體為350°∠7°，傾向坡面臨空方向。從勘探揭露情況看，本組共夾有5層泥巖，泥巖較薄，每層厚度在0.5～3.5 m之間，靠近土石界面附近的泥巖夾層含水量最大，較濕軟。

圖1 典型剖面地質(zhì)圖

2.1.2 第三系上新統(tǒng)（N2）

巖性主要為棕紅色粉質(zhì)黏土，含黑色鐵錳質(zhì)薄膜及結核，夾鈣質(zhì)結核，呈可塑-硬塑狀，局部底部為鈣質(zhì)膠結的砂礫巖。

2.1.3 第四系中更新統(tǒng)離石組（Q2pl）

巖性為褐黃色粉質(zhì)黏土，可塑－硬塑狀態(tài)，含零星鈣質(zhì)結核，發(fā)育垂直節(jié)理，夾古土壤層。

2.1.4 第四系上更新統(tǒng)馬蘭組黃土（Q3eol）

巖性為淺黃色粉土、粉質(zhì)黏土，發(fā)育垂直節(jié)理，大孔隙，常含蝸牛殼碎片和植物根莖，土質(zhì)較疏松，堅硬－可塑狀態(tài)。

2.2 原因分析

滑坡產(chǎn)生的原因可以從內(nèi)因和外因兩個方面進行分析。

2.2.1 內(nèi)因

2.2.1.1 地層巖性特征

地層由第四系上、中更新（Q3、Q2）黃土、上第三系（N2）棕紅色粉質(zhì)黏土以及二疊系上石盒子組（P2S）砂巖夾泥巖組成，其中黃土分布在邊坡上部，厚度約26～56 m，垂直節(jié)理發(fā)育，在地表形成較多落水洞，且黃土與紅黏土界面傾向臨空方向；棕紅色粉質(zhì)黏土分布在黃土和基巖之間，具有弱膨脹性，自由膨脹率為35%，且土體內(nèi)裂縫較發(fā)育，厚度約25～50 m；基巖由上石盒子組（P2S）砂巖夾泥巖組成，位于棕紅色粉質(zhì)黏土之下，巖層產(chǎn)狀，傾向臨空方向。

2.2.1.2 水文地質(zhì)特征

隧址區(qū)地層中含有兩個隔水界面，一個為黃土與N2粉質(zhì)黏土界面，另一個為土石界面附近的砂巖與泥巖界面，這兩個界面易將土體中的水滯留形成軟弱帶。

2.2.2 外因

a）隧道在開挖施工過程中，破壞坡體應力平衡，引起土體應力重新分布，坡體向開挖方向產(chǎn)生收斂變形，從而形成裂縫，同時使土體中原有節(jié)理裂隙局部貫通，形成滲水通道。

b）山體落水洞發(fā)育，加之節(jié)理貫通，同時，施工季節(jié)降雨集中，雨量較大，沿裂隙滲入土體深部，降低了巖土體抗剪強度，從而導致邊坡穩(wěn)定程度降低，造成坡體蠕變，裂縫發(fā)展。

c）施工便道的開挖。施工便道分布于隧道左側山體坡腳處，便道的開挖減小了前緣抗滑段的抗滑阻力，從而降低邊坡穩(wěn)定程度。

綜上所述，在內(nèi)因和外因的綜合作用下，導致邊坡穩(wěn)定程度降低，處于暫時穩(wěn)定-變形狀態(tài)。

3 滑坡原因分析及推力計算

整體上形態(tài)呈“簸箕”形，滑坡后緣高程為975 m，前緣高程為870 m，高差約105 m；滑體橫寬約為240 m，沿主滑方向長約350 m，滑體最大厚度約為50 m，體積約158.5×104m3，屬于巨型滑坡。滑動方向與路線走向夾角為126°。

隧址區(qū)地層中含有兩個隔水界面，一個為黃土與N2粉質(zhì)黏土界面，另一個為土石界面附近的砂巖與泥巖界面，這兩個界面易將土體中的水滯留形成軟弱帶。

根據(jù)滑坡與隧道的空間關系，滑坡的進一步滑移將會引起隧道的開裂、變形，對整個隧道工程安全構成影響，故需采用支擋措施。

a）滑坡沿黃土與紅黏土界面的滑動（1號滑體），由于該段滑坡在20世紀50年代層發(fā)生過沿黃土與紅黏土界面的滑動，因此假定在降雨等極端不良工況下，該段坡體的穩(wěn)定安全系數(shù)為0.98，據(jù)此采用《公路路基設計規(guī)范》JTG D30—2004中要求采用的不平衡推力傳遞系數(shù)法反演，可得到黃土與紅黏土界面滑動時的土體強度參數(shù)。

b）滑坡沿泥巖夾層界面的滑動（2號滑體）目前坡體處于暫時穩(wěn)定-變形狀態(tài)，因此確定穩(wěn)定安全系數(shù)為1.05，據(jù)此反演，計算結果為：黃土強度指標C=32 kPa，φ=15.3°；紅黏土強度指標C=41.8 kPa，φ=20.6°；泥巖強度指標 C=26 kPa，φ=10.3°。

根據(jù)上面用不平衡傳遞系數(shù)法反演獲得的計算參數(shù)，依然采用不平衡推力傳遞系數(shù)法，運用理正5.2巖土計算軟件計算滑坡推力。

圖2 ①號滑體計算簡圖

表1 剖面①號滑體各條塊剩余下滑力計算結果表（卸載前） kN

圖3 ②號滑體計算簡圖

表2 ②號滑體各條塊剩余下滑力計算結果表（卸載前） kN

由以上滑坡推力計算可知，如果抗滑樁擬設位置為13條塊處，則按1.2的安全系數(shù)設防時抗滑樁受到來自第12塊的剩余滑坡推力為7 671 kN，剩余段落的抗滑力為3 011 kN，樁后土體的被動土壓力為:

因此，按1.2安全系數(shù)（此時坡體穩(wěn)定）考慮時，在13條塊處設抗滑樁時，應能承受5 112 kN的合力。

4 滑坡處治

線位由滑坡后緣通過，由于該滑坡的變形發(fā)生在隧道施工期間，且隧道已經(jīng)掘進125 m，在深挖方案和對滑坡處治后繼續(xù)維持隧道方案進行比選。

a）深挖方案 該處治方法較為簡單，尤其滑坡中后緣基本處在路槽內(nèi)，邊坡形成后，滑體基本被清除，因此滑體穩(wěn)定性大大提高，故工程條件下滑坡無需再做處治。但若是采取該深挖方案，路線兩側將形成近100 m的高邊坡，且根據(jù)鉆探的地質(zhì)資料，恐將形成新的地質(zhì)災害，且已經(jīng)掘進125 m的隧道將被廢除，反而造成的經(jīng)濟損失較為巨大。

b）抗滑樁方案 根據(jù)滑坡推力計算結果，最適宜設置抗滑樁處，抗滑樁應能承受5 112 kN的合力，滑坡推力較大，單獨設置抗滑樁的方法難以滿足工程安全。

c）卸載+抗滑樁方案 綜合考慮以上兩種方案，采取對滑體進行適當卸載，卸載原則上保留隧道周圍30 m土體厚度，即盡量減小對隧道施工的擾動，同時設置抗滑樁。

按照第3種方案的原則，兼顧工程安全和盡可能方便恢復耕地的原則，采取了寬平臺、陡邊坡的卸載方案。為防止雨水沿裂隙滲入土體深部，降低了巖土體抗剪強度，從而導致邊坡穩(wěn)定程度降低，造成坡體蠕變，裂縫發(fā)展的危害，對卸載后每級平臺進行夯實，恢復綠化后并設置一定的排水設施。

施工順序：

滑坡后緣及中上部清方卸載—邊坡夯實及排水系統(tǒng)施作—裂縫、陷穴、落水洞回填、夯實—下一級邊坡的開挖和排水系統(tǒng)施作—抗滑樁施工。

5 結語

隧道及隧道所在山體產(chǎn)生裂縫后，隧道內(nèi)監(jiān)控量測結果表明隧道呈張拉變形狀態(tài)，與正常工況下隧道變形不同。而后對隧道裂縫位置和山體裂縫位置進行了細致的觀察，根據(jù)山體裂縫和隧道裂縫的關聯(lián)性，進行大量的挖探和鉆探工作，確定了裂縫是由滑坡滑動或蠕動造成。

通過對滑坡處治方法的比選，最終采取卸載+抗滑樁方案，從后期處治效果看，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示隧道內(nèi)變形趨于穩(wěn)定，且隧道內(nèi)裂縫無擴張，通過換拱后，隧道未再出現(xiàn)類似病害。山體裂縫通過卸載后基本消除，無新裂縫產(chǎn)生，地表植被也較易恢復。