某高速公路隧道洞口錯(cuò)落體變形原因與治理措施分析

張乾翼，賴(lài)國(guó)泉

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

錯(cuò)落是斜坡變形的一種類(lèi)型，它是指被陡傾角的構(gòu)造面與后山完整巖體分開(kāi)的風(fēng)化破碎的巖體，因坡腳受沖刷或人工開(kāi)挖而被壓縮，引起的坡體以垂直下錯(cuò)為主的變形現(xiàn)象[1]。

某隧道出口位于一錯(cuò)落體上，隧道施工期間在穿越錯(cuò)落體時(shí)由于圍巖比較破碎，自穩(wěn)能力差，隧道出現(xiàn)多次冒頂。其中較大的一次冒頂?shù)乇硇纬梢粋€(gè)面積約175 m2的陷坑，隧道開(kāi)挖后在初支之后加上護(hù)拱，變形還是比較嚴(yán)重，經(jīng)測(cè)量洞內(nèi)初支變形個(gè)別斷面已經(jīng)達(dá)到70 cm，特別是洞口導(dǎo)拱變形比較嚴(yán)重，隨時(shí)有垮塌可能(圖1)。對(duì)此，設(shè)計(jì)單位根據(jù)地勘資料及錯(cuò)落體的特征，提出了對(duì)隧道仰坡采用抗滑樁+刷方+截排水綜合治理措施，經(jīng)過(guò)一系列的工程措施后，隧道最終成功貫通。

圖1 左線(xiàn)隧道受擠壓變形Fig.1 The deformation of on the left tunnel, caused by extrusion

本文主要以該錯(cuò)落體為例，分析了該錯(cuò)落體形成的機(jī)理，并提出了具體治理措施，為業(yè)內(nèi)類(lèi)似工程提供參考。

1 古錯(cuò)落體[2-3]

1.1 地質(zhì)背景

該錯(cuò)落體所在地形呈半個(gè)饅頭狀。錯(cuò)落體前部為一自然“U”型沖溝，沖溝左岸附近為一人工開(kāi)挖的施工便道，其高程約605 m。靠近山體為錯(cuò)落壁，其南部為該錯(cuò)落體，其坡度上緩下陡，錯(cuò)落體頂部坡度約20°～25°，坡面坡度約45°，錯(cuò)落體前后高差約60～75 m，左側(cè)為基巖陡坎，右側(cè)為自然斜坡。

圖2 古錯(cuò)落地質(zhì)斷面圖Fig.2 Geological cross-section of an ancient slump

1.2 變形機(jī)理

該區(qū)內(nèi)的巖層坡體結(jié)構(gòu)為上硬下軟的基座式結(jié)構(gòu)，即頂部為中厚層的泥灰?guī)r、下部為薄層易風(fēng)化的泥灰?guī)r，抗風(fēng)化能力較弱。由于地質(zhì)構(gòu)造等作用，坡體內(nèi)形成近東西向，傾角近乎直立的節(jié)理切割完整和破碎巖石。加之，薄層泥灰?guī)r巖層傾向臨空面，在形成長(zhǎng)期風(fēng)化剝蝕、地下水浸潤(rùn)、老溝槽水流的沖刷等作用后發(fā)生錯(cuò)落，形成目前的地貌形態(tài)。

1.3 目前變形

古錯(cuò)落體的底界位于左線(xiàn)隧道開(kāi)挖范圍內(nèi)，當(dāng)左線(xiàn)隧道開(kāi)挖至錯(cuò)落體底界與隧道拱頂相交位置后，隧道出現(xiàn)冒頂。隨后，坡體地表變形加劇，其中主要裂縫：①走向NE85°，寬20 cm，下錯(cuò)25 cm，延伸長(zhǎng)約8 m，近直線(xiàn)分布，向山體內(nèi)側(cè)方向下錯(cuò)；②走向NE10°，寬15 cm，延伸長(zhǎng)約5 m；③走向NE20°，寬20 cm，下錯(cuò)30 cm，呈弧形分布，向山體外側(cè)下錯(cuò)；④走向NE20°，寬15 cm，下錯(cuò)20 cm，延伸長(zhǎng)約2 m，近直線(xiàn)分布，向山體外側(cè)下錯(cuò)。坡體其余變形跡象均有不同程度加劇。

2 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

在坡體產(chǎn)生變形后，施工單位在坡體上布設(shè)了多個(gè)地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，根據(jù)監(jiān)測(cè)資料來(lái)看，坡體在9月底10月初有較大的變形(圖3)。隨后變形趨于穩(wěn)定，至12月中旬變形再次加劇，直至2013年1月18日變形仍在發(fā)展。從監(jiān)測(cè)資料分析：2012年年底至2013年年初的變形量明顯增大，變形量最大的10#監(jiān)測(cè)點(diǎn)累積垂直位移已達(dá)605 mm，變形方向則明顯偏向坡體臨空方向，即與坡面傾向接近，約NW22°。

圖3 典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降—時(shí)間曲線(xiàn)Fig.3 The cumulative settlement-time curveof typical monitoring points

2.2 有限元數(shù)值模擬分析

(1)參數(shù)定義模型建立

模型參照典型1-1斷面，采用二維有限元軟midas-GTS進(jìn)行分析。在屬性定義中巖土采用平面單元，隧道初支采用梁?jiǎn)卧瑤r土體物理力學(xué)參數(shù)選取參考地勘報(bào)告及本地區(qū)經(jīng)驗(yàn)值綜合確定[4-5](表1)。目前開(kāi)挖后進(jìn)行初支狀態(tài)下模型圖(圖4)。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil

圖4 數(shù)值模型圖Fig.4 The numerical model figure

(2)模擬工況

模擬工況主要用施工階段模擬隧道開(kāi)挖的詳細(xì)過(guò)程，通過(guò)模擬隧道洞身核心土開(kāi)挖、初期支護(hù)和施加護(hù)拱的全過(guò)程，查看隧道開(kāi)挖引起的塑性區(qū)，為隧道冒頂支護(hù)加固提供依據(jù)。

(3)計(jì)算結(jié)果分析

圖5 垂直沉降變形云圖Fig.5 The vertical displacement deformation figure

由圖5分析可知，該隧道開(kāi)挖引起的主要變形區(qū)域在隧道頂及靠近錯(cuò)落壁的地表范圍，2012年年底至2013年年初為隧道穿越錯(cuò)落體時(shí)間段，變形量明顯增大，累積垂直位移最大605 mm，計(jì)算結(jié)果中最大垂直位移達(dá)608 mm，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)變形情況相吻合。若繼續(xù)開(kāi)挖隧道，對(duì)隧道不進(jìn)行強(qiáng)有力的支撐，隧道的變形將持續(xù)增大，可能導(dǎo)致計(jì)算模型中出現(xiàn)的情況，整個(gè)隧道頂出現(xiàn)整體下錯(cuò)的破壞。

3 變形原因

隧道開(kāi)挖引起錯(cuò)落體變形原因是多方面的[6-7]，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與分析，并結(jié)合數(shù)值模擬與坡體巖層結(jié)構(gòu)特征分析得出主要有以下三個(gè)方面的原因。

(1)該段地層主要為薄層泥灰?guī)r和中厚層泥灰?guī)r組成，坡體結(jié)構(gòu)為下軟(底部薄層泥灰?guī)r)上硬(中厚層泥灰?guī)r)基座式結(jié)構(gòu)，底部薄層泥灰?guī)r長(zhǎng)期風(fēng)化剝蝕后，頂部中厚層泥灰?guī)r在層理、節(jié)理等優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的影響下整體下錯(cuò)，形成較大的錯(cuò)落體，這為坡體的變形提供了物質(zhì)來(lái)源。

(2)氣象環(huán)境因素：錯(cuò)落區(qū)降雨量較大，大氣降雨、地表徑流及坡體上部雨水的下滲，使坡體含水量較高，降低了土體力學(xué)指標(biāo)，為錯(cuò)落的變形創(chuàng)造了不可或缺的條件。

(3)人類(lèi)工程活動(dòng)的影響：隧道左洞開(kāi)挖后，切斷了老錯(cuò)落體底界，破壞錯(cuò)落體原有的力學(xué)平衡，導(dǎo)致隧道出現(xiàn)塌陷、冒頂，從而松散的塊石土向左洞方向出現(xiàn)擠壓后，坡面出現(xiàn)拉張裂縫，使得錯(cuò)落體老裂縫重新顯現(xiàn)出來(lái)。由于坡體沉降變形的逐步加劇，使得上次陷穴附近的結(jié)構(gòu)物破壞，拱頂以上的土體塌至洞內(nèi)，拱頂以上形成較高的臨空面，致使坡體向臨空方向產(chǎn)生了側(cè)向滑動(dòng)變形。

4 治理措施

4.1 治理難點(diǎn)

坡體變形造成坡面產(chǎn)生巨大陷坑，拱頂以上土體塌至洞內(nèi)造成隧道洞口堵塞，繼續(xù)在隧道內(nèi)加設(shè)支撐空間狹小，難以操作；另外，坡面變形嚴(yán)重，坡面坡度較陡，抗滑樁等工程施工沒(méi)有操作空間，難度較大。

4.2 治理措施

考慮到錯(cuò)落體變形特點(diǎn)及上述治理難點(diǎn)，該錯(cuò)落體病害采用抗滑樁+刷方+截排水進(jìn)行綜合治理[8-9]，見(jiàn)圖6工程布置平面圖。

圖6 工程布置平面圖Fig.6 The plan of project layout

為防止隧道仰坡產(chǎn)生大面積的坍塌變形，在錯(cuò)落體前部坡體設(shè)置一排抗滑樁(編號(hào)A、B和C型)，抗滑樁截面2 m×3 m，樁長(zhǎng)29～31 m。見(jiàn)圖7、圖8治理工程1-1′、2-2′斷面圖。

圖7 治理工程1-1′斷面圖Fig.7 Cross-section 1-1′ of treatment works

圖8 治理工程2-2′斷面圖Fig.8 Cross-section 2-2′ of treatment works

左線(xiàn)右側(cè)擠壓變形明顯，主要原因?yàn)樽缶€(xiàn)開(kāi)挖形成臨空面后，坡體向臨空方向產(chǎn)生變形，加上坡體巖層較為破碎，隧道埋深較淺，土壓力不均勻使得隧道產(chǎn)生偏壓破壞，因此在左線(xiàn)右側(cè)設(shè)置一排D型抗滑樁進(jìn)行防護(hù)，阻止坡體繼續(xù)向左洞變形，確保隧道的安全。D型抗滑樁截面2 m×3 m，樁長(zhǎng)30 m。見(jiàn)圖6工程布置平面圖。

由于坡體變形嚴(yán)重，對(duì)施工安全造成極大威脅，且抗滑樁施工沒(méi)有操作空間，難度較大，因此，對(duì)隧道頂錯(cuò)落體進(jìn)行刷方。一、二級(jí)邊坡按1∶1坡率刷方，高12 m，坡腳留6 m、4 m平臺(tái)；三級(jí)邊坡按照1∶5坡率刷方，高7～8 m。對(duì)刷方后坡面采用掛網(wǎng)噴砼和植草防護(hù)。見(jiàn)圖8治理工程2-2′斷面圖。

為防止地表水入滲進(jìn)入坡體，對(duì)錯(cuò)落體地表裂縫采用黏土夯填、水泥砂漿封閉的措施，在刷方后錯(cuò)落體后部、一級(jí)平臺(tái)及二級(jí)平臺(tái)各設(shè)置一道截排水溝。

施工方較好地執(zhí)行了設(shè)計(jì)方案，截止2013年6月，隧道出口穿越錯(cuò)落體段已順利完工，且通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)，表明設(shè)計(jì)方案合理可行見(jiàn)圖9。

圖9 治理后隧道出口外貌Fig.9 The tunnel portal after treatment

5 結(jié)論

本文結(jié)合工程實(shí)例，重點(diǎn)分析了隧道開(kāi)挖引起錯(cuò)落體變形的原因，并通過(guò)合理的治理措施最終根治了該錯(cuò)落體病害，主要結(jié)論如下：

(1)坡體巖層結(jié)構(gòu)為上硬(中厚層的泥灰?guī)r)下軟(薄層易風(fēng)化的泥灰?guī)r)的基座式結(jié)構(gòu)時(shí)，在地質(zhì)構(gòu)造及近乎直立的節(jié)理切割作用下，薄層泥灰?guī)r巖層傾向臨空面，在長(zhǎng)期風(fēng)化剝蝕、地下水浸潤(rùn)、老溝槽水流的沖刷等作用后會(huì)發(fā)生錯(cuò)落。

(2)重視預(yù)加固措施，在隧道開(kāi)挖之前，應(yīng)查明洞口坡體的地質(zhì)情況，隧道開(kāi)挖容易引起坡體松弛變形，開(kāi)挖前應(yīng)做好預(yù)加固措施，即加強(qiáng)超前導(dǎo)管及注漿，必要時(shí)增加抗滑樁進(jìn)行預(yù)加固，確保施工及運(yùn)營(yíng)安全。

(3)防止錯(cuò)落體病害向其他形式災(zāi)害轉(zhuǎn)化，該錯(cuò)落體變形的主要原因是隧道左洞開(kāi)挖后，切斷了古錯(cuò)落體底界，破壞錯(cuò)落體原有的力學(xué)平衡，導(dǎo)致拱頂以上土體塌至洞內(nèi)，形成新的較高的臨空面，若不對(duì)其進(jìn)行加固處理，坡體將向新的臨空方向產(chǎn)生側(cè)向滑動(dòng)，從而發(fā)生滑坡災(zāi)害。

(4)錯(cuò)落體變形時(shí)主要推力來(lái)自上部，故治理中應(yīng)先對(duì)上部坡體進(jìn)行刷方減載，下部采用抗滑樁進(jìn)行支擋，另外要結(jié)合綜合排水措施，防止地表水滲入坡體加劇變形。