某在建隧道上覆滑坡体处治方案研究

2015-01-12宋晓雷刘庆华

山西交通科技 2015年4期

宋晓雷，刘庆华

（山西省交通规划勘察设计院，山西太原 030012）

1 概述

某在建山区高速公路，地形地貌为黄土覆盖丘陵区，丘陵上部被第四系中上更新统黄土（Q2pl、Q3eol）覆盖，其形态为黄土梁峁状。谷底和谷坡下部基岩出露，岩性为二叠系砂岩夹泥岩，基岩顶部和黄土之间夹有第三系红黏土及半胶结的砾岩。线位以隧道形式通过黄土峁，线位左侧临空，右侧为黄土峁。隧道底板最大埋深102～107 m。隧道穿越黄土峁，围岩岩性主要为N2棕红色粉质黏土，土体含水量高（w：19.4%～22.6%），呈硬 - 可塑状（Il：0.12～0.38），围岩全部为Ⅴ级。

隧道施工正逢雨季，且当年降水量为历年最大。隧道施工过程中，由于山体地表、隧道仰拱和二衬出现多条裂缝，紧急停止施工，停止施工时隧道进度为：左洞掘进125 m，仰拱施工93.5 m，二衬施工63.1 m；右洞掘进73.8 m，仰拱施工48.1 m，二衬施工25.4 m。

地表裂缝：分布于线位左右两侧，最远处裂缝位于线位右侧（靠山侧）近30 m的地方，该条裂缝长140 m，其余4条长度在22～32 m，裂缝宽度2～12 cm，垂直落差2～9 cm。停止施工后对裂缝进行了灰土回填和夯实，但随后发现裂缝仍有扩张趋势。

洞内裂缝：停止施工时，隧道左右线洞体仰拱均有3条裂缝，二衬仅左洞有轻微裂缝。

裂缝均与隧道走向大体一致。仰拱裂缝分布于仰拱中部和左右两侧各一道，裂缝始于洞口向内15 m，止于仰拱施工停止处，而从仰拱施工停止处至掌子面，未发现有裂缝，洞口处裂缝宽0.5 cm，里侧最大宽度达到2.5 cm。二衬裂缝分布于左洞靠近洞顶右侧，裂缝宽度0.1～0.2 mm，长度与仰拱裂缝基本一致。

随后对隧道内裂缝布设多个观察点，通过近两个月的观测隧道内仰拱上的裂缝未明显变化，另外粘贴在洞顶二衬裂缝上的黄纸一直没有被撕开。而冬季进入洞体内未做二衬段，发现落洞顶滴水在地面形成很多冰柱，冰柱位置不规则分布，间距1～2 m，冰柱直径约4 cm，高约0.3～0.8 m。

2 病害产生原因分析

2.1 地形地貌

隧道及隧道所在山体产生裂缝后，根据裂缝对应关系，初步判断山体可能朝着临空方向滑动或蠕动。并在平面上根据裂缝的走向和位置，选定了两个具有代表性的截面，进行钻探和挖探。

隧址区出露及钻探揭露的地层由老至新依次有：二叠系上统上石盒子组（P2S）、上第三系上新统（N2al+pl）、第四系中更新统离石组黄土（Q2pl）和上更新统马兰组黄土（Q3eol）。

2.1.1 二叠系上统上石盒子组（P2S）

岩性主要为砂岩夹泥岩。砂岩灰白色，强风化—中风化，节理裂隙发育；泥岩紫红色，强风化—中风化，较湿软。岩层产状大体为350°∠7°，倾向坡面临空方向。从勘探揭露情况看，本组共夹有5层泥岩，泥岩较薄，每层厚度在0.5～3.5 m之间，靠近土石界面附近的泥岩夹层含水量最大，较湿软。

图1 典型剖面地质图

2.1.2 第三系上新统（N2）

岩性主要为棕红色粉质黏土，含黑色铁锰质薄膜及结核，夹钙质结核，呈可塑-硬塑状，局部底部为钙质胶结的砂砾岩。

2.1.3 第四系中更新统离石组（Q2pl）

岩性为褐黄色粉质黏土，可塑－硬塑状态，含零星钙质结核，发育垂直节理，夹古土壤层。

2.1.4 第四系上更新统马兰组黄土（Q3eol）

岩性为浅黄色粉土、粉质黏土，发育垂直节理，大孔隙，常含蜗牛壳碎片和植物根茎，土质较疏松，坚硬－可塑状态。

2.2 原因分析

滑坡产生的原因可以从内因和外因两个方面进行分析。

2.2.1 内因

2.2.1.1 地层岩性特征

地层由第四系上、中更新（Q3、Q2）黄土、上第三系（N2）棕红色粉质黏土以及二叠系上石盒子组（P2S）砂岩夹泥岩组成，其中黄土分布在边坡上部，厚度约26～56 m，垂直节理发育，在地表形成较多落水洞，且黄土与红黏土界面倾向临空方向；棕红色粉质黏土分布在黄土和基岩之间，具有弱膨胀性，自由膨胀率为35%，且土体内裂缝较发育，厚度约25～50 m；基岩由上石盒子组（P2S）砂岩夹泥岩组成，位于棕红色粉质黏土之下，岩层产状，倾向临空方向。

2.2.1.2 水文地质特征

隧址区地层中含有两个隔水界面，一个为黄土与N2粉质黏土界面，另一个为土石界面附近的砂岩与泥岩界面，这两个界面易将土体中的水滞留形成软弱带。

2.2.2 外因

a）隧道在开挖施工过程中，破坏坡体应力平衡，引起土体应力重新分布，坡体向开挖方向产生收敛变形，从而形成裂缝，同时使土体中原有节理裂隙局部贯通，形成渗水通道。

b）山体落水洞发育，加之节理贯通，同时，施工季节降雨集中，雨量较大，沿裂隙渗入土体深部，降低了岩土体抗剪强度，从而导致边坡稳定程度降低，造成坡体蠕变，裂缝发展。

c）施工便道的开挖。施工便道分布于隧道左侧山体坡脚处，便道的开挖减小了前缘抗滑段的抗滑阻力，从而降低边坡稳定程度。

综上所述，在内因和外因的综合作用下，导致边坡稳定程度降低，处于暂时稳定-变形状态。

3 滑坡原因分析及推力计算

整体上形态呈“簸箕”形，滑坡后缘高程为975 m，前缘高程为870 m，高差约105 m；滑体横宽约为240 m，沿主滑方向长约350 m，滑体最大厚度约为50 m，体积约158.5×104m3，属于巨型滑坡。滑动方向与路线走向夹角为126°。

根据滑坡与隧道的空间关系，滑坡的进一步滑移将会引起隧道的开裂、变形，对整个隧道工程安全构成影响，故需采用支挡措施。

a）滑坡沿黄土与红黏土界面的滑动（1号滑体），由于该段滑坡在20世纪50年代层发生过沿黄土与红黏土界面的滑动，因此假定在降雨等极端不良工况下，该段坡体的稳定安全系数为0.98，据此采用《公路路基设计规范》JTG D30—2004中要求采用的不平衡推力传递系数法反演，可得到黄土与红黏土界面滑动时的土体强度参数。

b）滑坡沿泥岩夹层界面的滑动（2号滑体）目前坡体处于暂时稳定-变形状态，因此确定稳定安全系数为1.05，据此反演，计算结果为：黄土强度指标C=32 kPa，φ=15.3°；红黏土强度指标C=41.8 kPa，φ=20.6°；泥岩强度指标 C=26 kPa，φ=10.3°。

根据上面用不平衡传递系数法反演获得的计算参数，依然采用不平衡推力传递系数法，运用理正5.2岩土计算软件计算滑坡推力。

图2 ①号滑体计算简图

表1 剖面①号滑体各条块剩余下滑力计算结果表（卸载前） kN

图3 ②号滑体计算简图

表2 ②号滑体各条块剩余下滑力计算结果表（卸载前） kN

由以上滑坡推力计算可知，如果抗滑桩拟设位置为13条块处，则按1.2的安全系数设防时抗滑桩受到来自第12块的剩余滑坡推力为7 671 kN，剩余段落的抗滑力为3 011 kN，桩后土体的被动土压力为:

因此，按1.2安全系数（此时坡体稳定）考虑时，在13条块处设抗滑桩时，应能承受5 112 kN的合力。

4 滑坡处治

线位由滑坡后缘通过，由于该滑坡的变形发生在隧道施工期间，且隧道已经掘进125 m，在深挖方案和对滑坡处治后继续维持隧道方案进行比选。

a）深挖方案该处治方法较为简单，尤其滑坡中后缘基本处在路槽内，边坡形成后，滑体基本被清除，因此滑体稳定性大大提高，故工程条件下滑坡无需再做处治。但若是采取该深挖方案，路线两侧将形成近100 m的高边坡，且根据钻探的地质资料，恐将形成新的地质灾害，且已经掘进125 m的隧道将被废除，反而造成的经济损失较为巨大。

b）抗滑桩方案根据滑坡推力计算结果，最适宜设置抗滑桩处，抗滑桩应能承受5 112 kN的合力，滑坡推力较大，单独设置抗滑桩的方法难以满足工程安全。

c）卸载+抗滑桩方案综合考虑以上两种方案，采取对滑体进行适当卸载，卸载原则上保留隧道周围30 m土体厚度，即尽量减小对隧道施工的扰动，同时设置抗滑桩。

按照第3种方案的原则，兼顾工程安全和尽可能方便恢复耕地的原则，采取了宽平台、陡边坡的卸载方案。为防止雨水沿裂隙渗入土体深部，降低了岩土体抗剪强度，从而导致边坡稳定程度降低，造成坡体蠕变，裂缝发展的危害，对卸载后每级平台进行夯实，恢复绿化后并设置一定的排水设施。

施工顺序：

滑坡后缘及中上部清方卸载—边坡夯实及排水系统施作—裂缝、陷穴、落水洞回填、夯实—下一级边坡的开挖和排水系统施作—抗滑桩施工。