浅埋偏压隧道洞口滑坡稳定性分析及其处理方法

汪 峰 （中交第二航务工程局，湖北 武汉 430000）

0 前言

近年来，随着西部大开发战略的深入推进，我国高速公路的建设重心逐渐向西部地区转移。西部地区山区众多，在高速公路建设中不可避免地要进行边坡开挖，使许多过去处于稳定的边坡产生变形破坏或使过去曾经发生滑动，现在基本稳定的古滑坡复活。随着山区高速公路事业的不断发展，同滑坡灾害之间的联系也越来越紧密[1]。

在复杂地质条件修建公路隧道，势必要考虑洞口出现坡体滑移等地质灾害的情况，尤其是在浅埋偏压隧道洞口段滑移迹象极为明显，针对目前滑坡防治技术难点，对浅埋偏压手爬岩隧道洞口滑坡稳定性分析采取传统的极限平衡法，计算该区滑坡段的稳定性系数，再用FLAC3D有限元软件数值模拟岩土体运动和变形情况。最后提出抗滑桩结合加长套拱对滑坡进行整治。

1 施工背景

手爬岩隧道位于四川省宜宾市翠屏区思坡乡境内，为川南红层丘陵地貌。

隧道起讫里程：D2K128+160-D2K129+845，全长1685m，为双线隧道，D2K129+036.030-D2K129+845位于R-9000的右偏曲线上。进口纵坡坡度10～25°，出口纵坡坡度30～50°，出口边坡仰坡位于松散块石土中，岩质陡坎。

手爬岩隧道出口明洞125m左右，施工过程中对明洞段仰拱以上土体开挖至明暗交界处，在施做暗洞导向墙及边仰坡临时支护过程中，发现暗洞左侧坡顶约110m范围内的厚层坡积土层后缘出现张拉裂隙，前缘见鼓张拉裂隙，有滑动迹象。坡体出现多处较长的纵向裂缝，暗洞边仰坡临时喷锚支护多处开裂并有水泥渗出，滑坡区剖面如图1、图2所示。为了预防在此处滑坡发生失稳现象，必须对此处地质条件进行滑坡稳定性分析。采取极限平衡法与数值模拟有限元法对滑坡体进行稳定性分析。

图1 滑坡区1-1剖面图

图2 滑坡区2-2剖面图

2 极限平衡法滑坡稳定性分析及计算

2.1 传递系数法的基本假设

传递系数法[2-5]是我国工程技术人员广泛采用的一种边坡稳定性分析方法。计算中将滑体分成若干个条块，每个条块的滑动面都为一折线，整个滑体沿折线滑动。计算时将各个条块之间的推力乘以传递系数K，传递系数K同条块倾角和内摩擦角三角函数值相关。最后一个条块的推力计算完成时，即为边坡的剩余下滑力。

使用传递系数法进行滑坡稳定性计算时，主要对以下内容进行简化假设：

①把稳定性分析问题简化成平面应变问题；

②作用在滑动体上的作用力仅以剪应力和正应力的形式表示；

③滑体物质视作理想的弹塑性材料，在计算分析的过程中，假设滑体内的岩土体不产生形变。当滑体所受剪应力超过其抗剪强度时，则滑体产生剪切破坏；

④滑动面服从莫尔-库伦屈服准则，滑带土强度受岩体力学参数控制；

⑤下一条块的剩余下滑力倾角应与上一条块的滑动面倾角一致；

⑥沿整个滑动面只满足静力平衡条件。

2.2 传递系数法的基本计算公式

传递系数法计算示意图如图1所示，稳定系数计算公式如式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）所示：

其中，每条块间的传递系数为Ψi=cos（αi-αi+1）-sin（αi-αi+1）tanφi+1。

以上各式中：

Si—第i块段滑体的纵断面面积（m2）；

γ—滑体的容重（kN/m3）；

Ψi—第i条块的剩余下滑力传递至第i+1条块时的传递系数；

Pi—第i条块剩余下滑力的合力（KN）；

Ri—作用于第i段的抗滑力（KN/m）；

ci—第i条土的粘聚力聚力（KPa）；

Li—第 i条块长度（m）；

αi—第 i条块的滑面倾角（°）；

Fs—坡体稳定性系数；

Ψi—条块i滑带土的内摩擦角（°）

图3 传递系数法计算示意图

2.3 计算剖面的选取

计算剖面的选取应遵循以下原则：

①剖面尽可能最大清晰地体现整个滑坡体的基本形态；

②选取的剖面应具有代表性，能反映滑坡体明显的变形破坏特征；

③岩土的物理力学参数应较为真实可靠，能较直观地反映其真实状况。

根据上述选取原则，综合考虑滑坡区实际变形破坏情况，选取两条典型剖面1-1’和2-2’进行稳定性分析计算，剖面走向与坡体关系呈顺向，滑面呈折线型，采用基于极限平衡理论的传递系数法公式进行稳定性计算，计算条块的选取主要依据滑面倾角、地面形态等因素。计算条块划分如图4、图5所示。

图4 剖面计算示意图

图5 剖面计算示意图

2.4 计算工况的选取

根据滑坡体当前的稳定情况，考虑降雨、人类工程活动等因素的影响，在对选定的典型剖面进行稳定性计算分析时，按以下两种工况来考虑：

工况一：自重（天然状态）

为滑坡体处于自重状态下的稳定性情况，该工况用于评价滑坡体目前的稳定性。

工况二：自重+暴雨（饱和状态）

这种工况为最不利组合，用于评价降雨和自身重力条件下该滑坡体的稳定性情况。

由于在对该滑坡区进行勘察期间通过钻孔观察，未发现有稳定的地下水位。故在进行天然状态工况计算时坡体按无水考虑，暴雨状态下按全饱和计算。

在地震烈度不小于VII度的滑坡区应考虑水平地震力的作用，该滑坡区地震烈度为VI度，同样可不予考虑。

2.5 计算参数及安全系数选取

计算参数的选取，特别是内聚力C、内摩擦角值的选取是稳定性分析计算的重要环节。本次稳定性分析定量计算参数的选取主要通过以下几种途径：

①反算法，根据边坡稳定状态假定稳定系数，已滑滑面假定稳定性系数为0.98，原地貌潜在的软弱结构面假定稳定性系数为1.05～1.10。

②根据有关设计规范及相邻场地已有的对滑坡的整治经验。

③工程类比法。

④室内试验统计

a.滑体参数确定

滑坡滑体主要为碎石土，根据现场勘察作业进行取样，滑体重度值由室内试验统计值及根据所在地区情况综合进行确定，天然状况下的滑体重度γ=19kN/m，饱和状况下的滑体重度为19.5 kN/m。

b.滑带土C、Φ值参数确定

通过室内试验统计、反演及类似工程统计等综合手段，滑带土为强风化泥质粉砂岩，天然状况下C=13.5kPa，Φ=23.6°，饱和状况下 C=11.8kPa，Φ=20.3° 。

c.计算安全系数的选取

在《铁路路基支挡结构设计规范》（TB 10025-2006）中，用传递系数法进行边坡稳定性分析计算时，一般将安全系数定为1.05～1.25。由于本滑坡整治的保护对象为高速公路及附近范围内的民房，根据《公路路基设计规范》（JGTD30-2004）第7.2.2条第1款有关规定，计算时安全系数分别为：

工况一：自重（天然状态）为1.25；

工况二：自重+暴雨（饱和状态）为1.15。

2.6 计算结果及分析

根据传递系数法计算公式，代入分析、整理所取得的岩土物理力学参数，计算滑坡体各剖面在不同工况下的稳定系数及剩余推力。详细计算结果如表1、表2、表3、表4所示。

1-1‘剖面天然状况计算表 表1

由表可知，1-1'、2-2'剖面的稳定系数在天然状态下均大于1，说明该滑坡在目前天然状态下处于较为稳定的状态；在自重和暴雨的作用下，两个剖面的稳定系数均小于1，1-1'剖面稳定系数下降幅度更加明显。且通过对比剩余下滑力计算表发现，相对于天然状态，饱和状态下剩余下滑力显著增大，1-1'剖面的表现尤其明显，增长幅度接近一倍。不能满足相关的安全系数规定，说明该滑坡在自重和暴雨状态下已经处于不稳定状态。根据定量分析该滑坡的稳定性情况，必须及时采取工程整治措施，以避免出现新的滑动变形，确保在建高速公路的正常施工和附近居民、设施的生命财产安全。

1-1‘剖面饱和状况计算结果表 表2

2-2‘剖面天然状况计算结果表 表3

2-2‘剖面饱和状况计算结果表 表4

3 数值模拟滑坡稳定性分析及计算

通过对选取的典型剖面1-1’、2-2’运用传递系数法计算，对手爬岩隧道洞口滑坡段稳定性情况进行了初步计算分析。通过数值模拟的方法对最不利工况二进行滑坡稳定性分析，根据剖面代表性和初步计算分析结果，发现1-1’剖面在饱和状况下下滑力增长幅度最为明显，故选择1-1’为典型剖面对滑坡进行稳定性数值模拟。

选择1-1’剖面进行建模，模型后缘边界延伸是滑坡所在剖体顶位置，模型前缘直抵拟建暗洞路基处，FLAC3D模型示意图如图6所示。

图6 1-1’剖面模型划分示意图

3.1 边界条件的确定

本次模拟采用二维模型建模，沿X方向长度为175m，沿Y方向高度为105m。模型边界条件为前后在水平方向进行约束，底部在竖直方向进行约束。

3.2 模型物理力学参数的确定

根据洞口滑坡段的地质资料及室内试验结果，参考岩体力学手册及类似工程，物理力学参数的确定如表5所示。

模型物质参数组成表（饱和） 表5

3.3 工况2时的滑坡数值模拟分析

图7为滑坡在饱和工况下的总位移云图，可以看出，在饱和工况下位移增长幅度更加显著，位移变形主要出现在坡体覆盖层，下伏基岩整体未出现滑动。坡脚至前缘处位移值最大，同自然工况相比距离明显增大。图中显示最大位移已达1.43m，说明在此状况下坡体在该处已经发生变形破坏，已经沿潜在滑动面滑移变形。出现大面积变形破坏的原因是在暴雨作用下，降水的不断渗入导致岩土体强度大幅降低，土体所受剪应力超过其抗剪强度时，从而导致变形破坏。

图7 饱和工况下的位移云图

图8 饱和工况下的滑坡最大主应力云图

图9 饱和工况下的滑坡最大主应力云图

图7、8为饱和工况下的最大、最小主应力云图。可以看出从上部至坡脚位置应力逐渐增大，应力等值线在下伏基岩面整体比较平滑，且互相平行。坡体覆盖层与强风化层在接触面处等值线存在部分不均匀，应力集中现象较天然工况明显。出现这种情况的原因是此处岩土体物理力学强度较低，导致应力分布不均匀。坡体一定区域出现拉应力分布区，主要位于坡体堆积体外侧，大量降雨入渗不断软化土体，由于土体抗拉能力很差，坡体易受到张拉破坏。

图10 饱和工况下的剪切应变增量云图

图10为饱和工况下的剪切应变增量云图，同天然状况对比，剪切应变范围明显增大，剪切应变增量值也有了大幅度的增加。剪切应变在坡体整个区域均可见分布，坡体自上而下剪切应变增量值不断增大，在坡体前缘及坡脚处表现最为明显。坡体容易沿潜在滑动面滑移破坏。图中可以看出潜在滑动面位置，位于坡体覆盖层与强风化基岩接触面，与勘察钻孔作业所体现的情况基本吻合。在此工况下，覆盖层土体强度急剧下降，所受剪应力值超过其抗剪强度，整体性发生破坏。

图11 饱和工况下的塑性分布区示意图

图11为饱和工况下的塑性分布区示意图，从图中可以看出，相比自然工况，在饱和工况下坡体塑性分布区范围明显增大，整体呈现贯通迹象，由坡体中部延伸至坡脚处。由于暴雨作用下大量降水渗入，坡体内岩土体的内聚力和内摩擦角强度指标大幅下降，在土体力学强度指标降低的基础上，自重和降水的作用使坡体内的应力情况发生改变，当剪应力超过岩土体抗剪强度时，从而发生剪切屈服破坏。

3.4 稳定性计算分析

采用的FLAC3D对坡体1-1’剖面在工况二下的稳定性系数进行了求解，求解结果如表6所示。

稳定性系数计算结果表 表6

通过对洞口滑坡段进行FLAC3D数值模拟，得出在工况2下稳定性系数是0.959，这与瑞典条分法得出的稳定性系数0.986相比较接近，两者相互验证，进一步说明了在暴雨等恶劣天气条件下，洞口滑坡越来越明显，可能会产生滑动现象，故需要做好滑坡防治措施。

4 洞口滑坡处理方法

针对手爬岩隧道施工可能造成边仰坡山体出现滑移的风险，可采用以下方案处理：①超前注浆加固；②抗滑桩加固；③套拱加长、填土反压三种治理方案比选。

4.1 方案一：地表打钢花管注浆加固滑移山体

隧道开挖外轮廓两侧13m，拱顶以上10m范围内，采用φ108钢花管，进行深层注浆。手爬岩隧道出口暗洞范围内洞顶采用φ108钢花管注浆加固，D2K129+535～D2K129+475段长60m，布置多排，如图12所示。

图12 地表打钢花管注浆

4.2 方案二：洞口设置抗滑桩

为抵挡山体的滑移、垮塌，在隧道明洞范围内施做2排20根1.5×2.5～2×3m抗滑方桩，桩间距6 m。抗滑桩需要锚固至岩石层中，抗滑桩长度16～28m不等。

4.3 方案三：加长套拱填土反压

隧道大管棚施工完成后，将原有套拱基脚施工完成，左洞增加10m套拱，右洞增加10m套拱。再施工明洞，在套拱顶和明洞顶填土反压。其中由于套拱处地基仍然为软弱粘土，需要在套拱底打设3排注浆φ42小导管进行基础加固。

三种治理方案的主要优缺点如下：

①注浆加固属于主动支护，通过浆液在岩土体中的渗透、充填、挤密、劈裂等作用，在浆液凝固后能改善岩土体的力学强度参数，提高滑坡的整体稳定性，但手爬岩隧道洞口主要为泥质砂岩，含水量大，土质松散，注浆加固质量难以保证。

②抗滑桩具有可以灵活选用桩位(单排或多排,单独或结合其他工程使用)、施工方便、安全可靠等优点，并可根据挖孔揭示的滑面（带）产状情况随时修改设计以符合实际需要之优点。但抗滑桩需分序施工，工期较长，且工程造价较高。

③在滑坡的主滑和牵引段挖方减重，在抗滑段及前缘反压是最经济有效的处理方案。加长套拱和填土反压方案符合隧道施工“早进晚出”原则，避免了对山体的大挖大刷，使隧道洞口周围的植被得到妥善保护，维护原有的生态地貌，且成本较小，但由于滑坡范围较大，处理效果有限。

三种方案对比如表7。

序号 项目 施工难易 施工进度 处理效果1 地表打钢花管注浆加固滑移山体 复杂 工期长 难以保证2 洞口设置抗滑桩 较复杂 工期较长 较好3 套拱加长，填土反压 易操作 工期短 有限

综合考虑方案的可靠性、耐久性、先进性、经济性，对社会环境的影响及施工的难易程度等特点，采用抗滑桩与套拱加长、填土反压相结合的施工方案对洞口滑坡段进行整治，具体实施如下：

①在D2K129+689-D2K129+713.5右侧设置1#和2#预加固桩，预加固桩桩径2m3m，桩间距5m，1#桩长22m，2#桩长25m，于线路左侧设置3#～7#预加固桩，预加固桩桩径2m3m，桩长28m，桩间距5m。先进行预加固桩施工，待桩体经检测满足设计要求后方可进行暗洞施工。

②隧道出口明洞长度由原来的125m增至135m，明暗分界里程调整至D2K129+710位置，明暗分界处超前大管棚长度调整为40m长，采取不对称设置，管棚环向间距0.4m，共52根，导向墙应嵌入基岩不小于1m。

③D2K129+670-D2K129+710段初期支护中型钢钢架间距由0.8m调整0.6m；该段位于土层中的拱顶部分，采用Φ42小导管代替系统锚杆进行注浆加固。

5 监测结果

图13 深部位移及锚索应力监测布置平面图

图14 锚索应力监测示意图

图15 JCK-1累计位移-深度曲线图

图16 JCK-1滑动面移动速率-时间变化图

对手爬岩隧道出口滑坡段进行上述施工技术处理后，实现对洞口滑坡段进行定期深部位移、支挡结构内力等监测。其中深部位移主要在坡体范围内布置，使用测斜仪进行测量；支挡结构内力监测为锚索框格梁的预应力锚索应力监测。具体详细监测布置图如图13、图14所示。

5.1 深部位移监测

在坡体范围内共布置监测点10个，每个监测孔深为25m。每周观测两次，取两次观测平均值作为该周统计观测值，本次深部位移监测共进行23次。下面以典型的监测孔JCK-1为例进行分析，该孔的累计位移-深度曲线及滑动面处移动速率情况如图15、16所示。

综合JCK-1累计位移-深度曲线图、滑动面移动速率变化图可得知，累计位移深度从孔口至孔底总体呈现逐渐递减的趋势。这是由于孔口处受施工开挖引起的扰动较大引起的。从曲线图中可以看出，在孔深为11.5m处左右，累计位移值普遍达到最大值，说明此处为潜在的滑动面，与先前数值模拟得出的结果较为吻合。在观测初期位移变化较为缓慢，移动速率曲线图得知初期滑动面移动速率近乎为0。在整治工程开始大规模施工后，位移的变化速率明显，特别是在此期间时常出现降雨天气，进一步加快了位移变化速率。从移动速率变化图看出，移动速率最高达到0.7mm/d。在2015年11月中下旬预应力锚索完成张拉后，可以看出变化速率有了明显减缓，虽然出现一定反弹，但幅度和之前相比明显减弱，最后趋于收敛。12月21日最后一期监测数据显示，孔口处至滑动面的累计位移值有了一定的减少，说明整治工程中的支挡结构起到了一定的作用，整治效果是较为理想的。

各监测点锚索预应力监测反馈表（2016年6月） 表8

各监测点锚索预应力监测反馈表（2016年7月） 表9

5.2 锚索应力监测

将锚索锚固力监测点设置在1-1剖面上，设置三个监测点，安装时将测力计安放在钢垫板与锚具之间的位置。三个测力计按照编号MS-1、MS-2、MS-3顺序进行监测。

在监测频率上，在整治工程实施期间频率为一周一次，竣工投入运营后，正常情况下为一个月一次，天气情况较为恶劣等特殊情况下加大监测力度。

以竣工投入运营后的2016年6月、7月两个监测数据为例，进行分析。每月末监测值情况如表8、9所示。所有监测点监测值变化曲线图如图17所示。

从图中可以看出，6月18日至25日这一周内，由于当地出现强降雨，水较多渗入坡体，坡体自重增大导致下滑力增大，锚索应力值也随之增大，监测点应力值增长幅度普遍较大。此后由于天气好转，所有监测点应力值增长幅度明显放缓，但由于尚未进入旱季，加上水的渗入作用仍有持续，应力值并未出现明显下降，但从图中的信息可以得知，应力值普遍趋于收敛，说明坡体整体趋于较为稳定的状态。

图17 锚索应力值变化示意图

MS-3监测点锚索应力值损失幅度较大，明显高于其他两个监测点。出现该现象的原因主要是该监测点下部土体松散程度较大，结构面处节理裂隙发育，同时在该监测点处附近一定距离内时常进行施工作业，因此带来了一定程度的扰动，而扰动冲击对预应力值的影响程度很大。但通过这两期监测数据来看，该点预应力损失百分比有了一定程度的减少，说明该处预应力损失情况得到一定的缓解。

6 小结

根据计算和数值模拟结果，提出了滑坡处理措施。根据滑坡当前的状态，提出了以抗滑桩与加长套拱相结合为主，同时以截排水、锚索框格梁等措施为辅的方案。通过现场监测数据对整治效果进行分析评价，选取深部位移监测和预应力锚索应力值监测。深部位移监测的结果显示，位移最大处为潜在滑动面位置，与勘察和模拟结果基本吻合，验证了先前工作的准确性。在整治工程施工期间，变形速率有所上升。在完成施工后，速率明显下降，曲线逐渐趋于收敛，说明整治措施较为有效；锚索应力监测同样反映出整治措施取得了良好的成效，最后隧道顺利完成进洞施工，有效控制了山体滑坡与洞口坍塌风险。