砂質(zhì)黃土滑坡誘發(fā)因素及變形機(jī)理分析

邢 培 剛

(蘭新鐵路甘青有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高速鐵路作為連接?xùn)|西部發(fā)展的重要橋梁，正處于快速的建設(shè)中。高速鐵路由于列車行駛速度快，因此建設(shè)過程中需要不斷架設(shè)橋梁與穿越隧道。鐵道在西部地區(qū)穿越隧道的過程中不免要穿越黃土層以及一些不良地質(zhì)體，特別是在隧道出洞洞口位置，上部仰坡穩(wěn)定性對(duì)于鐵路安全運(yùn)行具有巨大的影響，一旦上部仰坡失穩(wěn)發(fā)生滑坡，將直接影響列車運(yùn)行安全和人民生命安全。因此研究隧道出洞口仰坡穩(wěn)定性具有重要意義。

黃土體邊坡由于土質(zhì)一般較為松散，土質(zhì)的均勻性較差，容易受到降水的影響，裂隙往往也較為發(fā)育。因此，許多學(xué)者對(duì)于黃土體邊坡的穩(wěn)定性，以及隧道開挖的黃土體邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。李萍等[1]根據(jù)黃土高原的自然邊坡的特征對(duì)邊坡進(jìn)行分類，并對(duì)不同區(qū)域的邊坡破壞特征進(jìn)行歸類分析。王念秦等[2]針對(duì)太中鐵路沿線黃土高邊坡穩(wěn)定性統(tǒng)計(jì)分析,并提出了黃土邊坡防治的建議。谷天峰等[3]通過室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)，建立了黃土邊坡的動(dòng)力分析模型,分析在機(jī)車振動(dòng)荷載作用下邊坡的變形規(guī)律。黃曉虎等[4]通過建立室內(nèi)邊坡降雨沖刷物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)邊坡的破壞過程進(jìn)行了重現(xiàn)。

以上學(xué)者雖然對(duì)黃土邊坡的穩(wěn)定性特征從現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并在室內(nèi)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，但相對(duì)而言，隧道出洞部位黃土體仰坡穩(wěn)定性研究成果較少，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害事故的黃土體邊坡實(shí)例研究缺乏。本文以洪亮營(yíng)隧道出口處的滑坡地質(zhì)災(zāi)害為例，詳細(xì)的對(duì)滑坡事故的原因進(jìn)行分析，并結(jié)合數(shù)值模擬手段對(duì)仰坡滑坡的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行分析，進(jìn)而提出相應(yīng)的治理方案。本文的研究成果希望為類似地質(zhì)體的隧道出口仰坡穩(wěn)定性分析提供借鑒，并希望能減少類似事故的發(fā)生。

1 工程背景

洪亮營(yíng)隧道位于蘭州市榆中縣，地處黃土高原梁峁區(qū)。地面高程1 880 m～2 008 m，相對(duì)高差100 m～150 m，隧道起訖里程DK988+349～DK989+310，全長(zhǎng)961 m。為雙線隧道，最大埋深約120 m。出口端位于蘭州市榆中縣小康營(yíng)鄉(xiāng)洪亮營(yíng)村附近，如圖1所示。

洪亮營(yíng)隧道所屬的榆中縣屬甘肅黃土高原西部丘陵、河谷盆地區(qū)，為黃土高原經(jīng)長(zhǎng)期侵蝕、沖積、洪積形成的山、川兩大地貌，地勢(shì)南高北低，中部凹，呈馬鞍型。中部盆地屬中新生界迭置斷拗盆地，海拔1 450 m～2 100 m，是黃土地區(qū)經(jīng)長(zhǎng)期侵蝕、沖積、洪積形成的川平地，間有梁峁丘陵地貌。

洪亮營(yíng)隧道出口于2013年10月17日開始洞口邊仰坡防護(hù)、施做導(dǎo)向墻、接長(zhǎng)護(hù)拱及超前大管棚施工。2013年11月17日進(jìn)洞施工，施工過程中按設(shè)計(jì)工法采用機(jī)械開挖，人工修邊，未采用爆破，邊開挖邊支護(hù)并及時(shí)施做二次襯砌，超欠挖控制及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)保護(hù)良好，對(duì)圍巖擾動(dòng)很小。出口端分別于2013年12月8日和2014年1月10日完成第一模仰拱和二次襯砌澆筑。2014年8月16日零時(shí)15分，隧道出口左側(cè)山體斜坡突然失穩(wěn)，先發(fā)生了整體下錯(cuò)，后左右兩側(cè)又發(fā)生淺層滑動(dòng)，滑落土體掩埋隧道洞口的地質(zhì)災(zāi)害，如圖2所示。

該滑坡體后緣頂部高程為1 998 m，前緣地面高程為1 882 m，高約116 m；滑坡體具有明顯的后緣，錯(cuò)臺(tái)高約20 m，上緣寬約50 m，下緣寬約150 m，主軸長(zhǎng)約130 m，高約116 m，主錯(cuò)方向?yàn)镹55°W，錯(cuò)動(dòng)面坡度較陡后緣為50°～65°滑坡體厚度約10 m～20 m，預(yù)估塌方量約15萬m3～20萬m3?；麦w主要物質(zhì)為砂質(zhì)黃土，中部土體下錯(cuò)后仍保持原有結(jié)構(gòu)，但節(jié)理裂隙擴(kuò)張，兩側(cè)下部后期或同時(shí)又發(fā)生滑動(dòng)，土體疏松，滑坡體前緣堆積在原有堆積臺(tái)地上。錯(cuò)落體及后緣仍不穩(wěn)定，在外界因素作用下仍有活動(dòng)的可能性。因此盡快分析滑坡的誘發(fā)因素，搞清滑坡的破壞機(jī)理，具有重要的工程意義。

2 滑坡機(jī)理分析

2.1 滑坡主要因素分析

由于滑坡的發(fā)生較為突然，并且造成的損失較為巨大，因此必須先對(duì)滑坡的因素進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)滑坡機(jī)理進(jìn)行研究。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘察以及研究，可以發(fā)現(xiàn)滑坡的誘發(fā)因素主要有以下幾點(diǎn):

1)地形條件。

該滑坡體的坡體較陡，平均坡度在40°～50°之間，下部局部近于直立。這種后緣高陡，下緣開闊的地形特點(diǎn)，為滑坡的形成提供了良好的臨空條件。

2)巖土性質(zhì)及結(jié)構(gòu)。

斜坡地層巖性為馬蘭黃土，風(fēng)積成因，具有強(qiáng)濕陷性，節(jié)理裂隙發(fā)育，屬于易滑地層。并且由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)至少發(fā)育四組裂隙，同時(shí)由于斜坡具備坡腳開挖造成斜坡應(yīng)力重分布，從而可能形成潛在的卸荷裂隙。因此，巖土體結(jié)構(gòu)類型對(duì)斜坡穩(wěn)定性具有一定不利影響。

3)振動(dòng)影響。

近年來周邊地區(qū)發(fā)生了較多的強(qiáng)震，如汶川地震、岷縣地震等都對(duì)該區(qū)有所影響。另外由于在現(xiàn)場(chǎng)施工的過程中，在隧道口采用打樁機(jī)對(duì)鐵路地基進(jìn)行強(qiáng)夯，連續(xù)施工產(chǎn)生的震動(dòng)對(duì)斜坡的穩(wěn)定性有一定不利影響。

4)降水作用。

滑坡發(fā)生當(dāng)年蘭州市的降雨較為頻繁，降雨滲入土體導(dǎo)致斜坡自重增大，對(duì)斜坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

綜上所述，該滑坡具備了地形、巖土結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)條件，滑坡的發(fā)生是由于前期開挖形成高陡臨空面導(dǎo)致坡腳應(yīng)力集中，在機(jī)械振動(dòng)，降水作用的綜合影響下，坡體產(chǎn)生累進(jìn)性破壞。

2.2 滑坡機(jī)理的數(shù)值模擬研究

為了進(jìn)一步對(duì)滑坡機(jī)理進(jìn)行研究，采用UDEC數(shù)值模擬軟件對(duì)滑坡體的滑坡機(jī)理以及滑坡后仰坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。數(shù)值計(jì)算模型如圖3所示。計(jì)算模型的左右邊界以及底部邊界均約束法向方向的位移。計(jì)算采用強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如圖4所示，從圖4a)中邊坡的剪應(yīng)變?cè)茍D可以看出，邊坡的剪應(yīng)變主要集中在距離邊坡面較近的地方，剪應(yīng)變較大的區(qū)域一直由邊坡的頂部貫通至仰坡下部坡度較大的坡面部位。邊坡頂部的剪應(yīng)變較大部位與滑坡后緣的位置基本一致。從圖4中也可以看出，剪應(yīng)變較大的部位也集中在邊坡中部偏下的位置，這與現(xiàn)場(chǎng)中下部出現(xiàn)次級(jí)滑坡的位置也較為接近，這一現(xiàn)象從數(shù)值模擬結(jié)果來看主要考慮是受到兩種不同黃土分界面的影響。此時(shí)邊坡的安全系數(shù)為0.76，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

對(duì)滑坡后的仰坡進(jìn)行計(jì)算，如圖4b)所示，從計(jì)算結(jié)果來看，剪應(yīng)變較大的部位距離邊坡表面較近，剪應(yīng)變沿著滑坡后的邊坡后緣一直向下貫通至邊坡的底部，在這種情況下，邊坡的穩(wěn)定性依然較差。此時(shí)邊坡的安全系數(shù)為0.92，仰坡仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)，很有可能產(chǎn)生二次滑坡，這對(duì)于隧道的后續(xù)施工以及后期列車的安全運(yùn)行極為不利，因此需要對(duì)邊坡進(jìn)行及時(shí)的治理。

3 邊坡治理方案

由于仰坡滑坡后仍有繼續(xù)滑坡的可能性，因此需要對(duì)仰坡進(jìn)行合理的加固，以此來確保隧道后續(xù)的施工安全。該邊坡整治綜合考慮邊坡高度、隧道洞口處理措施等綜合因素，采用以下處理方案:

1)清方范圍沿錯(cuò)動(dòng)面清方至隧道洞頂附近后設(shè)置平臺(tái)，標(biāo)高1 905以上清除滑坡錯(cuò)落體，邊坡按每級(jí)10 m高度，坡率按照1∶1，每三級(jí)設(shè)置一處大平臺(tái)，平臺(tái)以下保留坡腳已堆積的土體，堆積土體不足部分回填清方土體進(jìn)行反壓，反壓土體邊坡采用種植草灌植物進(jìn)行防護(hù)，并在坡腳設(shè)置矮擋墻。

2)清方露出的邊坡從平臺(tái)頂面向上設(shè)置階梯型邊坡，坡面采用帶截水槽的骨架進(jìn)行防護(hù)，骨架內(nèi)種植綠色植物，每級(jí)邊坡頂部設(shè)置平臺(tái)截水溝，邊坡頂部以外設(shè)置排水溝。

4 結(jié)語

本文根據(jù)洪亮營(yíng)隧道出口處的砂質(zhì)黃土滑坡為例，對(duì)該邊坡的失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了分析，可以得到如下結(jié)論：

1)該砂質(zhì)黃土仰坡滑坡的主要誘發(fā)因素是受到地形條件、巖土性質(zhì)及結(jié)構(gòu)、振動(dòng)影響以及降水的影響所導(dǎo)致。

2)通過數(shù)值模擬研究可以發(fā)現(xiàn)，隧道出口處仰坡的穩(wěn)定性較差，邊坡的剪應(yīng)變集中部位距離邊坡表面位置較近，并且貫通整個(gè)邊坡。滑坡后的邊坡仍然處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要進(jìn)一步加固處理。

3)對(duì)邊坡的治理主要采取清方與壓腳的措施，并且設(shè)置截水與排水的結(jié)構(gòu)。本文根據(jù)黃土滑坡的實(shí)例分析其失穩(wěn)因素與機(jī)理，并提出了相應(yīng)的治理方案，希望為今后類似的地質(zhì)體邊坡隧道施工提供借鑒，減少類似滑坡事故發(fā)生。