大准铁路南坪隧道-滑坡体系变形特征及处治技术

2018-11-01罗兴华兰晓峰舒中文

铁道建筑 2018年10期

罗兴华，兰晓峰，舒中文，李星

(1.神华准能大准铁路公司，内蒙古鄂尔多斯 010300；2.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州 730030)

目前，针对隧道-滑坡体系的研究越来越多。马惠民[1]构建了隧道-滑坡体系的理论分析框架，研究了3种不同隧道-滑坡体系的变形特征和机理，并提出了防治原则及相应的治理措施；吴红刚等[2-3]采用模型试验分别对隧道-滑坡正交体系、隧道-滑坡斜交体系的变形机理和控制技术进行了研究；陶志平等[4]通过实地调查，建立了4种不同隧道-滑坡体系的地质力学模型，并分析了不同隧道-滑坡体系的变形特征及其防治措施；谢正团等[5]通过实地调查，结合数值模拟，对宝兰客运专线洪亮营隧道滑坡成因及变形机制进行了分析。晏启祥等[6]采用有限差分法，计算了隧道穿越滑坡体时滑坡体和二次衬砌的变形和应力，揭示了隧道和滑坡体的相互作用机理并评价了锚索和抗滑桩治理滑坡的效果。弭坤等[7]运用有限元计算方法分析了上砭隧道滑坡治理工程中预应力锚索抗滑桩和普通抗滑桩联合作用时，抗滑桩应力分布和水平位移的变化规律。刘宇平等[8]从地质条件、降雨及施工扰动的影响方面对沪昆客运专线油房坪隧道洞口穿越古滑坡带时发生小型滑坡的原因进行了分析并阐述了洞内外施工工艺。已有文献大都以处于施工阶段的隧道-滑坡体系为研究对象，对于已经投入运营的隧道-滑坡体系研究较少。

本文对已经投入运营8年的南坪隧道左侧黄土滑坡的变形特征、成因及治理措施进行分析，填补内蒙地区隧道-滑坡体系研究的空白，验证前人关于隧道-滑坡正交体系的研究成果，为类似病害的分析与治理提供理论依据。

1 工程概述

1.1 南坪隧道

南坪隧道位于大准铁路点南支线(里程K19+803— K20+348)，为双线大跨度隧道，全长545 m，原设计为软弱围岩浅埋、偏压隧道，全隧设计为Ⅴ级围岩。隧道暗洞段采用新奥法施工，复合式衬砌，出口偏压段设30 m明洞。2015年春季隧道左侧边墙出现裂纹、纵向裂缝发育明显，局部边墙产生位移，左侧排水沟侧壁倾斜、盖板鼓起。右侧边墙裂缝、施工缝等多处渗水严重。后经监测及勘察发现变形主要由隧道左侧山体滑坡所致。

南坪隧道地处晋、陕黄土高原与鄂尔多斯高原的连接处，属于低中山区。隧道穿越一自然山体，原有自然山体坡度15°～20°，处于华北地台山西台背斜与鄂尔多斯台向斜接壤处，构造单一，为单斜构造。南坪隧道洞顶为开挖后人工回填的宽缓平台，宽 4 377 m，隧道两侧为明洞开挖形成的坡率1∶1的1～4级坡。南坪隧道顶部地形地貌见图1。

图1 南坪隧道顶部地形地貌

1.2 南坪隧道左侧滑坡

根据现场实地调查、测量及深部动态位移监测结果，滑坡整体呈扇形，前窄后宽，滑坡坡面整体呈缓-陡-缓台阶型。滑坡主滑方向为SW56°，与隧道走向夹角为87°，滑坡沿路线最大宽度380 m，纵向最大长度175 m。滑坡后部位于山顶处，高程为 1 264 m，滑坡前缘位于隧道拱脚处，高程1189 m，滑坡前缘与后缘相对高差75 m。滑坡左侧边界明显，受裂缝与小里程侧塌方边界控制；右侧边界尚未完全贯通至隧道。滑坡整体受近SN向裂缝控制，见图2。

图2 南坪隧道-滑坡体系平面

滑坡分为前后2级，见图3，前级滑坡滑动后，牵引后级滑坡继续发展。滑坡后部倾角约60°，中部主滑段倾角约10°，前缘反翘约4°～8°挤出。滑体主要由黄土、人工填土及全风化砂岩、泥岩组成，滑体厚度17～43 m，滑体体积12×105m3。滑带主要为强风化砂岩与泥岩互层，厚度0.5～1.0 m，滑带处岩土体含水量较高，岩体揉皱明显，含少量碎块石，呈次棱角状，具有一定磨圆度。滑床为强风化砂岩与泥岩互层。南坪隧道滑坡属于深层大型破碎岩石及黄土复合滑坡。

图3 隧道-滑坡体系断面

2 南坪隧道-滑坡体系变形特征

2.1 隧道内部变形特征

南坪隧道衬砌裂损严重，以纵向裂缝为主，多分布在隧道左侧14～18号避车洞之间边墙处，有5条纵向贯通裂缝，延伸长度达75 m，缝宽约3～5 mm，见图4(a)。同时边墙处也产生45°斜向裂缝，多数斜向裂缝由边墙底部延伸至中部，少数斜向裂缝由边墙底部延伸至拱顶，裂缝宽度1～3 mm，见图4(b)。其中以16～18号避车洞之间隧道衬砌变形最为严重。2015年3月14日—2016年1月14日隧道最大收敛变形达57 mm，截止2016年4月13日隧道最大收敛变形达77 mm，收敛速率平均约6 mm/月。

图4 南坪隧道左边墙裂损情况

由于滑坡前缘位于隧道左拱脚处，导致隧道左侧14～18号避车洞之间边墙向线路方向产生较大位移。K20+058—K20+082段排水沟受挤压倾倒破坏，最大位移达28 cm，排水沟盖板鼓起达6 cm。18号避车洞边墙外移，混凝土脱落掉块、钢筋外露，避车洞底板隆起约10 cm，避车洞侧壁出现X形裂缝。K19+831—K19+894段隧道中线处仰拱开裂，张开宽度1～4 cm，可见深度35 cm。隧道边墙多处施工缝出现错台，错台最大高度为2～5 cm。

2.2 隧道左侧坡体变形特征

据现场地质调查，隧道左侧边坡距隧道中线180 m 范围内裂缝发育，主要发育4条(LF1—LF4)较明显的贯通裂缝(见图5)。LF1,LF4为滑坡主要裂缝。裂缝最大延伸长度273 m，裂缝最大宽度2.5 m。坡体下错、张拉变形剧烈，最大下错高度1.0 m。主要裂缝特征见表1。

图5 滑坡裂缝

裂缝长度/m走向下错高度/m最大宽度/m可见深度/mLF1143NW4°～55°0.5～0.82.53.0～5.0LF2116NW2°～26°0.1～0.30.10.2～0.4LF380NW5°～49°0.1～0.30.10.1～0.3LF4273NW18°～83°0.5～1.00.54.8

综上，南坪隧道-滑坡体系中，滑坡前缘位于隧道左拱脚处，隧道左边墙主要受滑坡推力、岩土压力及岩土抗力作用。隧道变形主要表现为边墙纵向裂缝延伸长，45°斜向裂缝延伸至拱顶，衬砌施工缝处多见错台，拱脚错位，靠山侧变形程度远大于靠河侧。这与文献[2]中所总结的滑坡-隧道正交体系中隧道变形特征相符。同时，隧道内排水沟受挤压倾倒破坏，避车洞侧壁产生X形裂缝，底板隆起，隧道拱顶无明显变形。隧道变形主要发生在受力侧边墙及拱脚处。滑坡变形特征主要为后部产生数条明显的下错贯通裂缝，侧边界较明显，但前部和中部未见明显开裂变形。

3 南坪隧道-滑坡体系变形成因分析

3.1 坡体结构

研究区黄土广泛分区于自然斜坡上，厚度0～39.5 m，局部夹碎石，粒径20～50 mm。主要发育2组节理。1组产状73°∠88°，间距20～30 cm/条，贯通长度3～5 m；另一组产状212°∠85°，间距20～50 cm/条，贯通长度2～5 m。人工填土主要分布于明洞段中部平台上，以砂质黄土、黏土为主，密实，稍湿，厚度0～13.2 m。全～强风化砂岩与泥岩互层，岩层走向SW30°，产状300°∠3°～8°，节理发育，全风化层厚4.0～13.2 m，呈黏土状，强风化层厚9.7～13.5 m，抗风化能力极差，遇水软化，易崩解，易碎裂。中风化砂岩与泥岩互层埋深27 m，岩体较软，节理较发育，抗风化能力差。

坡体上部为黄土，垂直节理发育且渗漏系数大，有利于地表水下渗；下部为全～强风化砂岩与泥岩互层，泥岩为相对隔水层，砂岩为透水层。随着水位变化，地下水易软化泥岩形成软弱带(泥化夹层)，强度急剧降低形成滑带。同时降雨入渗使泥岩和土体进一步软化，岩土体强度降低。砂岩及泥岩为顺倾向层状结构，易形成顺层滑动。坡体结构不良是滑坡形成的内在因素。

3.2 施工扰动

在原隧道建设过程中，明洞开挖形成近50 m高的临时边坡，坡脚应力过于集中，开挖过程中边坡曾不断发生坍塌，造成坡体应力松弛。较大的临空面削弱了滑坡抗滑力，在明洞施工后虽进行了回填，但在长期降雨以及地下水作用下坡体逐渐下滑，人工填土及隧道无法承担较大的坡体下滑力，导致隧道左侧边墙受挤压变形。施工扰动是滑坡形成的外部因素。

3.3 降雨及地下水

研究区沟谷呈放射状分布，自然斜坡坡面平缓，地表径流小，地表水多渗入坡体内形成地下水。地下水主要为第四系孔隙潜水、碎屑岩类孔隙裂隙水。水位受季节性影响大，变化幅度在-3.5～1.5 m。地下水位埋深2.3～37.0 m。隧道左侧边墙的地下水位埋深为18.2～24.5 m，右侧边墙地下水位埋深为2.3～8.9 m。

研究区降雨量较小，但偶发强降雨使得地表水在短时间内很难以地表径流的方式排泄，滑体土含水量在很短的时间内迅速提高，岩土体重度增大、抗剪强度降低、抗滑力减弱。同时地表水下渗及地下水位活动软化了滑带土，使滑带土强度急剧降低，最终引发坡体滑动。降雨是滑坡发展的诱因。

4 滑坡的稳定性分析

选取南坪隧道-滑坡体系中部Ⅳ～Ⅵ断面(参见图2)进行天然、暴雨及地震3种工况下的稳定系数计算，以分析滑坡整体稳定性。

在天然、暴雨及地震3种工况下滑体黏聚力分别为10.0，9.0，9.0 kPa，黄土重度分别为19，20，19 kN/m3，砂岩重度分别为20，21，20 kN/m3，泥岩重度分别为20，21，20 kN/m3，内摩擦角通过反算得到。采用传递系数法[9]及FLAC 3D数值分析方法对代表性断面处坡体稳定性进行分析。结果见表2。

表2 代表性断面处坡体稳定系数

由表2可知，前、后级滑坡在天然工况下稳定系数分别为1.00～1.05和1.06～1.10，处于欠稳定～基本稳定状态；在暴雨工况下稳定系数分别为0.90～0.94和0.98～1.00，处于不稳定状态；在地震工况下稳定系数分别为0.89～0.92和0.96～0.97，处于不稳定状态。稳定性计算结果与滑坡实际变形情况吻合。

按照文献[10]中的规定，隧道衬砌裂损及渗漏水劣化等级已达到AA级，应对该滑坡及时整治，防止随时间推移滑坡稳定性进一步降低，滑体加速滑动对铁路运营及隧道安全带来危害。

5 处治措施

为保证运营线路的畅通，针对南坪隧道-滑坡体系病害提出了“刷方减载+施作全埋式锚索抗滑桩+既有隧道衬砌加固+设置仰斜排水孔及截排水沟”综合整治措施，如图6所示。

图6 南坪隧道-滑坡体系病害治理措施示意

5.1 刷方减载

为减小滑坡推力，延缓隧道变形，为后期进一步整治奠定基础，先对K19+890—K20+230段隧道左侧滑坡进行刷方减载，自隧道顶部一级平台开始刷方，刷方形成五级边坡，坡率为1∶1.25～1∶1.5；一级平台宽4～65 m，坡率为1∶20，以便地表水能顺利排走；二～四级平台宽分别为5，5，3 m。

5.2 施作全埋式锚索抗滑桩

在隧道左侧距隧道中线22.56～23.06 m设置全埋式预应力锚索抗滑桩。桩长边方向为NE56°，桩间距5～6 m。沿小里程至大里程依次布置A型桩(长2.6 m×宽1.8 m×深32 m)15根，B型桩(长3.0 m×宽2.0 m×深24 m)4根，C型桩(长3.0 m×宽2.0 m×深31 m)10根，D型桩(长3.6 m×宽2.4 m×深34 m)7根，E型桩(长3.6 m×宽2.4 m×深31 m)8根，F型桩(长2.6 m×宽1.8 m×深32 m)8根，G型桩(长2.6 m×宽1.8 m×深30 m)14根，共计66根抗滑桩。抗滑桩桩头各布设4束预应力锚索，每束锚索由6根φ15.2高强度、低松弛的1860级钢绞线组成，设计拉力60 kN，锚固段长度12 m，倾角25°～28°，钻孔直径150 mm。全埋式锚索抗滑桩桩顶距地面3 m，在减少抗滑桩自由段长度的同时也减少了锚固段长度，很大程度上节约了成本，具有较好的经济性。

5.3 既有隧道衬砌加固

对既有隧道衬砌施作外套拱加固，即在既有隧道衬砌外部施作厚0.6 m的C30钢筋混凝土衬砌，并依次刷涂TS-EVA多功能防水乳胶、施作3 cm厚M10水泥砂浆找平层、铺设EVA防水卷材、最后施作5 cm厚M10水泥砂浆保护层。隧道外套拱加固段范围为6号避车洞向进口延长6 m+6～26号避车洞+26号避车洞向出口延长6.5 m，共计284.5 m。既有隧道衬砌加固一方面加强了隧道整体受力性能，另一方面也治理了地下水的渗漏，间接治理了隧道冻害问题。

5.4 钻设仰斜排水孔

为有效疏排地下水，降低地下水位，增强坡体稳定性，在既有隧道衬砌加固段，从拱脚设盲管处，向两侧山体钻设仰斜排水孔。左侧按桩间距5～6 m布设，右侧统一按5 m布设。排水孔仰角6°，孔深25～30 m，共109孔，孔口高出拱脚隔水层0.5 m，将山体中地下水排至盲管，最终引至既有隧道侧沟排出。仰斜排水孔孔径均为110 mm，孔内置φ90渗水软管。

5.5 设置截排水沟

左侧刷方后一～四级平台后部设置0.4 m(宽)×0.6 m(深)C20混凝土截水沟，坡面设置2条纵向0.6 m(宽)×0.6 m(深)C20混凝土排水沟，左右侧坡脚分别设置1.0 m(宽)×0.8 m(深)C20钢筋混凝土排水沟。其中截排水沟纵坡均不应小于3‰。

5.6 隧道内部病害处理

对于避车洞，将底板隆起处全部凿除重新施作，确保新建底板钢筋与原避车洞墙体钢筋有效连接。边墙及附近拱顶纵向裂缝采用外贴碳纤维布加固。墙体开裂及内挤变形处凿除破坏部分后用砂浆抹面即可，但应确保饰面层与原结构良好黏结。水沟挤压变形段适当凿除边墙，重新铺设盖板或新建排水沟。隧道边墙渗漏处及错台张开处采用嵌补法，即先沿裂缝凿宽6 cm、深5 cm的沟槽，沿裂缝每隔0.5～0.8 m设置1根长15 cm的φ10注浆钢管，注浆管前端分叉劈开对准裂缝，用双快水泥固定注浆管，通过注浆管压注防水水泥浆液，注浆压力0.3～0.5 MPa，注浆后割掉注浆管外露部分，并用M20水泥砂浆填充沟槽。