张花高速公路楠木溪隧道滑坡处治

郑 浩

(湖南省张花高速公路建设开发有限公司,湖南张家界 427000)

1 工程概况及存在的问题

张花高速公路楠木溪隧道为一座分离式隧道,隧道右线全长为307m,里程范围为Yk13+950～Yk14+275;隧道左线全长305m,里程范围为Zk13+945～Zk14+250。隧道围岩主要为坡积体、强-中风化页岩,岩体破碎、松散,整体性差。

2010年4月15日楠木溪隧道右洞施工至Yk14+099断面时(从张家界端开挖),山体出现多条横向裂缝,最大裂缝宽度约10 cm。随着隧道的后续施工,至隧道贯通时(约2010年8月中旬),受施工爆破地震波及大气降水的影响,山顶裂缝持续扩张,最大裂缝宽度为25 cm,并又增加了多条横向裂缝,特别是在山体深侧形成了沿隧道轴向的纵向裂缝,山体水系明显改变,山顶农家的水池干涸,经济作物出现大量枯死现象。至2010年10月底,隧道二衬及明洞结构全线浇筑完成(洞门型式为环框式),洞门尚未施工,但裂缝仍在持续发展,最大裂缝宽度达到45 cm左右,横向裂缝分布密集,纵向裂缝持续沿山体向下发展,有贯通的趋势,引起山体整体约15万m3滑塌。

隧道张家界端洞顶裂缝见图1。

2 山体稳定性数值分析

为了探讨山体的稳定性,用FLAC3D计算软件对山体进行数值模拟,通过用强度折减法得出边坡安全系数,如果计算结果小于规定的安全系数值,则认为边坡不稳定。FLAC3D内置的强度折减法使安全系数的求解实现起来十分容易,是目前用得比较多的方法。

图1 裂缝发展分布图

2.1 FLAC3D软件简介

FLAC3D是三维快速拉格朗日法的简称,是一种基于三维显示有限差分法的数值分析方法,它可以模拟岩土或其它材料的三维力学特性。三维快速拉格朗日分析将计算区域划分为若干个四面体单元,每个单元在给定的边界条件下遵循制定的线性或非线性本构关系。如果单元应力使得材料屈服或产生塑性流动,则单元网格可以随着材料的变形而变形,这就是所谓的三维快速拉格朗日算法。三维快速拉格朗日分析采用了显示有限差分格式来求解场的控制微分方程,并应用了混合单元离散模型,可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形,尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。

FLAC3D的使用建模计算过程主要分为前处理、求解和后处理3个过程:

1)前处理:①根据模型结构特性和具体情况,编命令流,生产网格,形成所需要的形状;②定义本构关系和材料特性;③定义边界条件和初始条件。

2)求解计算:根据所分析问题的类型选择合适的求解类型及进行求解选项的设定。

3)后处理:数值计算完成后,从求解计算结果中读取数据,对计算结果进行各种图形化显示,对计算结果进行列表显示及各种后续分析。

2.2 强度折减法的基本原理

强度折减法中边坡稳定的安全系数定义为:使边坡刚好达到临界破坏状态时,对岩、土体的抗剪度进行拆减的程度及定义安全系数为岩土体的实际抗剪强度与临界破坏时的折减后的剪切强度的比值。强度拆减法的要点是利用式(1)、式(2)来调整岩土体的强度指标c和φ(式中,cF为折减后的粘接力,φF为折减后的摩擦角,Ftrial为折减系数),然后对边坡稳定性进行数值分析,不断地增加折减系数,反复计算,直至其达到临界破坏。

2.3 计算模型与计算参数

计算模型为一边坡,选取隧道横向长度(X向)和竖直方向(Z向)长度均为30m、纵向(Y向)长度为25m,坡角为60°,具体尺寸如图2所示。计算采用摩尔—库仑本构模型,边界条件采用位移边界,其下边界垂直位移固定,前后、左右边界固定水平(X向)及纵向(Y向)位移。隧道围岩参数如表1。

图2 模型网格单元图

表1中:E为弹性模量,bulk为体积模量,shear为切变模量,friction为内摩擦角,cohesion为内聚力,tension为抗拉强度,γ为岩石密度,v为泊松比。

表1 围岩参数表

经过计算得到安全系数、剪切应变增量云图及速度矢量图,如图3所示。

图3 安全系数、剪切应变增量云图及速度矢量图

从图3中可以看出,边坡的稳定系数FoS为1.05,小于《建筑边坡工程技术规范》中规定值1.35,故认为边坡的安全系数不能满足安全要求,且从图3可以明显看到塑性贯通区域,即潜在的滑动面,速度矢量图有利地佐证了这一判断:因滑动面外侧区域各网格点的速度明显大于其它区域,说明这一区域已经出现明显滑动,即发生了破坏。

3 滑坡处治

3.1 滑坡原因分析

3.1.1 地质情况复杂,地表浮土层较厚

楠木溪隧道进口仰坡顶有4 m左右厚度不均的堆积土(为当地老百姓的桔子园),下部为松散的强风化砂质页岩,粘结力较差,摩擦角较小,渗水量大,自稳能力差。且该地段存在着地质偏压现象,隧道开挖采空(相当于把墙脚挖掉),山体沿岩层面滑移。

3.1.2 降水影响

在隧道洞口段施工过程中,间歇性地下过几次大雨。由于仰坡面积较大,且地表凹凸不平,虽已施做截水沟、排水沟,但排水效果不好;仰坡上产生长、宽裂纹没有及时封闭,导致雨水下渗,孔隙水压力增大,坡体c急剧降低,加快了滑坡的发生。

3.1.3 施工因素

在隧道开挖过程中,爆破产生的地震波对围岩产生了扰动,降低了围岩的自稳能力。

3.2 滑坡处治方案比选

为了施工安全及结构的稳定,提出了以下几种处治方案。

3.2.1 削坡减载法

削坡减载法主要是减载,即通过将滑坡体的上部清除一部分,以减小滑体的下滑力。排土工法适宜于滑床上陡下缓,且后缘地层稳定,不致因减载而引起滑坡向后缘或侧缘发展。减载范围及减载数量的确定,需根据滑坡主轴断面进行剩余下滑力检算,划分出主滑地段及抗滑地段,选定减载的最佳部位。一般需反复试算,求得稳定系数在1.15～1.25范围内,方可确定出满意的部位和数量。减载后的坡面应整平夯实,其平台应有较大横坡,并做好减载范围内的防排水工程,以利排水。削坡减载法的最大问题是:是否会诱发另外的滑动和崩塌。因此必须认真研究,慎重使用。

3.2.2 地表加固法

地表注浆就是对山体进行注浆加固,加固范围:沿隧道轴向20m,宽度超出隧道边界2m。采用φ42×3.5mm热轧无缝钢花管,平均长度为8 m,间距1m×1m,浆液为水泥—水玻璃双液浆。钢管前端10 cm加工成尖锥状,管壁四周钻Ф8 mm的压浆孔,但尾部1.0 m不设压浆孔。压浆前以Ф8钢筋网(20 cm×20 cm)及10 cm厚喷混凝土封闭坡面,防止跑浆。地表注浆法主要是提高山体的承载力,但工程量巨大,对山体破坏太大(山体表面为果园),如图4。

图4 地表注浆法示意

3.2.3 抗滑桩+端墙式洞门

在洞口施做钢筋混凝土方桩(尺寸为1.5m×2m),桩长18.79 m,桩底嵌入仰拱底部6m,并把所有的桩连成一整体,形成端墙式洞门。此种做法工程量小,且能有效地阻止右洞滑坡,如图5。

3.3 具体处理方法的施工

图5 抗滑桩+端墙式洞门法(单位:m)

经过以上几种方法的比对,最终确定采用抗滑桩+端墙式洞门法。具体流程为:封闭地表裂缝→做好防排水→抗滑桩施工→端墙式洞门施工。

3.3.1 防排水

做好洞顶截水沟,水沟沟底、沟壁进行浆砌铺砌,以减少雨水下渗。另外在右洞山体上再做一截水沟,加强对地表水的排放。

3.3.2 抗滑桩施工

在洞门处施工抗滑桩,两洞之间施做4根,间距8m,隧道外边界各施做1根。抗滑桩为1.5m×2m钢筋混凝土方桩,抗滑桩施工顺序为:测放桩位→清理并稳固桩孔附近坡面→施工抗滑桩锁口→开挖→节桩孔→绑扎护壁钢筋→支模→浇注护壁混凝土→开挖下一节桩孔→重复上面4道工序直到设计标高→封底→绑扎桩身钢筋→浇灌桩身混凝土。由于本地段岩石为页岩,页岩遇水极易软化而失稳,因此在开挖桩孔的过程中,进尺要小于0.5m,且要加强护壁,同时要做好排水措施。为了节省时间,抗滑桩可间隔同时施工。

3.3.3 端墙式洞门施工

把抗滑桩作为洞门结构的一部分,洞门基础应落在稳固地基上,要求地基承载力≥0.25MPa,当地基承载力不满足要求时应对地基进行加固使其达到要求。洞顶回填中采用粘土层作为隔水层,砾石作为透水层(石径不大于10 cm),施工时采用人工分层夯实,要求其压实度＞70%。洞门完成施工后,应休整地形并绿化,使之与洞门、环境相协调。

4 处治效果评价

抗滑桩和洞门施工完毕后,在Yk14+075地表共布置了6个测点,监测结果见表2。

地表监测结果表明:在监测时间内,地表未见异常变化,地表沉降值在规范允许范围内,说明处治效果良好。

表2 地表沉降表mm

5 结论及建议

强度折减法的安全系数计算是分析滑坡的一种常用的方法,计算结果和真实值十分接近。在隧道施工过程中,滑坡经常发生,滑坡原因是多方面的。除了不良地质条件外,设计中应重视勘察的结论与建议,合理设计。施工单位应严格按照设计图纸进行施工,遵循施工工艺顺序,保证施工质量;滑坡过程是一个渐进过程,有征兆表现,有规律可循。要重视监控量测工作,并及时根据监控信息反馈到施工、设计,以避免类似情况的再次发生;隧道的边、仰坡应尽可能的少开挖,最大限度减少对山体的扰动,提高坡体稳定性;抗滑桩对阻止坡体的滑动有明显的效果,当隧道洞口可能发生滑动时,应考虑及时修筑抗滑桩,用小投资获大收益;端墙式洞门在一定程度上也能起到抗滑的作用,所以在滑坡地段尽量用端墙式洞门。

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