某隧道洞口边坡稳定性分析及治理建议

金兆鑫 贾存鹏 唐智勇

（1兰州石化职业技术学院，甘肃 兰州 730060；2甘肃公航旅工程咨询有限公司，甘肃 兰州 730030）

0 前言

近年来，随着我国中西部山区交通基础设施建设的快速发展，越来越多的隧道工程用于山区铁路和高等级公路的建设。而由于工程地质、水文地质及人类活动等因素的影响，隧道在施工过程中容易出现各种各样的地质灾害，其中隧道进出口的坡体在隧道施工过程中发生失稳滑塌是常见的地质灾害之一。边坡失稳滑塌会造成一系列工程及社会经济问题。轻则堵塞道路，阻碍交通，重则摧毁房屋建筑，掩埋村庄，造成巨大的生命财产损失。因此，隧道的进出口边坡稳定性分析及加固治理就显得尤为重要。很多学者对隧道进出口边坡的稳定性及治理措施进行了研究。

韩会勋对某铁路隧道出口高边坡在工程地质调查和分析的基础上，应用CSMR法对铁路隧道出口6处高边坡关键病害区的整体稳定性进行了评价[1]。邢军等以松多隧道为研究对象，通过数值模拟得出隧道施工、暴雨和地震活动将导致隧道洞口边坡由稳定状态发展成欠稳定状态[2]。熊文林利用FLAC3D软件计算了山区隧道洞口边坡在自然状况、坡脚开挖＋坡面削坡以及坡脚开挖＋坡面削坡＋隧道开挖三种工况下的稳定性系数，验证了边坡削坡卸载方案在隧道施工中的安全性[3]。吴二林等通过对某公路隧道洞口滑坡进行治理及稳定性计算分析，得出削方减载可以有效治理隧道洞口影响范围内的滑坡[4]。王亚琼等结合青藏高原东部某隧道洞口的地质概况及滑坡特征，对滑坡体进行分区并对其稳定性进行相应的评价，得出隧道洞口的开挖会降低边坡的稳定系数，设置抗滑桩对坡体的治理效果良好[5]。侯利国等分析了任胡岭隧道口边坡的变形破坏特征和机制，提出采用治水与抗滑工程相结合的方法治理滑坡，有效遏制了滑坡的变形破坏[6]。张鹏元、杨小刚等通过对隧道洞口滑坡的稳定性进行研究，得出采用回填反压、抗滑桩等综合治理措施，可以很好地对滑坡进行治理[7-8]。

本文通过对某隧道西出口边坡进行地质勘察，在综合分析滑坡形成条件、产生机理及运动模式的基础上，对其稳定性进行定性和定量分析，并预测其发展趋势和危害程度，提出治理措施，为隧道进出口端边坡的稳定性分析及治理提供参考。

1 工程概况

该隧道西出口区为一西倾黄土斜坡地带，呈弧形圈椅状，斜坡坡度为12°～30°，相对高差较大，可见黄土陷穴。南侧斜坡下半部发育有黄土陡坎。隧道出口仰坡上部分布有地表裂缝，为弧形张性裂缝。裂缝长约400m，宽30～40cm，每年雨季时裂缝呈现出进一步张开趋势，即使是冬春季雪融化，裂缝仍有继续发展趋势。该裂缝距离隧道洞门仰坡坡口60～110m，洞门仰坡高，对洞口的稳定和安全存在很大的潜在威胁。隧道出口端边坡平面图见图1。

图1 隧道出口端边坡平面图

1.1 工程地质条件

1.1.1 岩土特征

通过本次勘察，隧道西出口区揭露的地层岩性从上到下依次为：一般新黄土（Q3eol），饱和黄土（Q3eol）和泥岩（E）。该区黄土层较厚（探井揭露厚18m），呈浅黄色，土质较均匀，大孔隙发育，具垂直节理和湿陷性，多虫孔及植物根系。上部黄土呈硬塑状，泥岩层之上黄土饱水，成分不均匀，含大量泥，泥岩顶板已吸水软化。现场试验对黄土及黄土和泥岩接触部位共取原状土样22组，通过试验分析后得出滑体土物理力学指标的平均值分别为天然重度γ=16.76kN/m3，饱和重度γsat=18.72kN/m3，粘聚力C=16.3kPa，内摩擦角φ=24.7°。

1.1.2 地质构造与地震

地应力在该区主要表现为北东-南西向的挤压。由于本区黄土覆盖层较厚，老的构造运动对路线影响很小，新构造运动主要表现为垂直运动。第四系河流阶地发育，最多可达四级，相对于河床高差大，一般在100m左右，且“V”字型沟发育，冲沟有下切趋势。

根据既有资料分析和现场调查，按《中国地震动参数区划图》GB18306-2015 划分，该区地震动峰值加速度为0.20g（相当于地震基本烈度Ⅷ度），地震动反应谱周期为0.45s。

1.2 水文地质条件

根据地质勘察资料得出，隧道出口区地下水含水层以地表覆盖层为主，水位线不连续，无稳定地下水位。按岩性、地下水出露情况、富水性推测地下水类型以孔隙、裂隙性潜水为主，主要接受大气降水的入渗补给，水位受季节影响，动态变化大。地表植被不发育，斜坡相对较陡，冲沟较发育。泥岩为该区相对隔水层，在泥岩顶板有大量地下水渗出，对隧道洞口段的工程地质条件影响很大。

2 滑坡成因分析

该黄土斜坡有多处弧形负地形，而且自高向低有多级水平梯田台地，在黄土和泥岩接触带存在饱和黄土，同时该区存在一古裂缝带，土体结构已被部分破坏，土体处于天然临界稳定状态；另一方面由于在该处坡前大面积的隧道施工开挖取土，致使前缘边坡土体易发生崩塌，最终易导致上部土体失去阻挡支撑，使之沿裂缝、基岩面发生滑动。

3 滑坡稳定性评价

3.1 定性分析评价

隧道出口上部斜坡前缘因施工开挖产生临空，上部土体失去阻挡支撑，在重力作用下，隧道洞口中上部土体易沿饱和土体（软弱面）向下滑动。

3.2 定量分析评价

滑坡定量评价主要是用莫尔强度理论和土体斜坡运动力学理论，应用剩余推力法进行剩余推力计算和滑坡稳定性分析。

3.2.1 滑坡体C、φ值的确定

该滑坡由于施工开挖，上部土体已部分失稳，可视其为极限平衡体，反求该边坡的C、φ 值。据现场地质调绘及勘查表明，斜坡形态比较复杂，为保证计算的准确性、计算剖面更具有代表性，选择A-A'、C-C'两条工程地质剖面，通过多次模拟计算可能存在的滑动界限，建立条块剖分模型进行稳定性分析计算，最后在两条剖面上分别选取两个层面计A-A'－1（2）、C-C'－1（2）。以A－A'-2断面建立极限平衡方程求解，计算滑动带剪出位置为饱和黄土与泥岩的接触带，公式中所需其余参数均来自实测和试验结果，建立极限平衡方程的基本公式为常用的计算滑坡推力的公式：

由于处于极限平衡状态，此时滑坡的稳定系数Ks=1，最后一块滑体剩余下滑力En=0，根据上述原则建立方程为：

ψi-传递系数；

Wi、Wn-第i块、最终块段所受的重力；

αi、αn-第i块、最终块滑动面倾角；

Li、Ln-第i块、最终块滑动面长度；

C、φ-所反算滑坡滑带土的粘聚力和内摩擦角。

滑坡的稳定性对粘聚力C 值的敏感性较低，对内摩擦角φ 值的敏感性较高，因此在此计算中给定粘聚力C，求内摩擦角φ。根据《工程地质手册》C 值的经验值结合试验值取C=16.3kPa。

代入方程求得：φ=16.1°。

3.2.2 剩余推力计算

为求得隧道建成后，上覆土体的剩余下滑力，假定滑面在与隧道相交后沿隧道顶面水平剪出。剩余推力计算公式：

式中：Ks-安全系数，考虑地下水影响及地震力，取1.2；其余符号意义同上述稳定系数计算公式。

3.2.3 计算结果

根据反算结果，粘聚力C=16.3kPa，内摩擦角φ=16.1°，分别计算4个层面的剩余下滑力，四个层面的极限分析条分计算图如图2-图5所示，计算结果如下：

A-A'－1该滑坡体的后缘为已知地裂缝，层面剩余下滑力Ei =137.82kN。

A-A'－2 该滑坡体的中部为已知地裂缝，裂缝以上的土体C、φ值取原状土试验平均值C=16.3KPa，φ=24.7°，裂缝以下土体取C=16.3KPa，φ=16.1°，层面剩余下滑力Ei=3339.19kN。

C-C'－1该滑坡体的后缘为已知地裂缝，层面剩余下滑力Ei =306.87kN。

C-C'－2该滑坡体的中部为已知地裂缝，裂缝以上的滑体C、φ值取原状土试验平均值C=16.3KPa，φ=24.7°，裂缝以下土体取C=16.3KPa，φ=16.1°，层面剩余下滑力Ei=－101.59kN。处于稳定状态。

经过计算分析可得：考虑地震力影响，当安全系数K取1.2时，断面A-A'－2的剩余下滑力最大，为3339.19kN，最不稳定、最有可能发生滑动。

4 滑坡治理措施建议

1）由于在洞口以上坡面较长且地形坡度逐渐变陡，再次开挖易形成新的滑塌，不易采取减重弃方的方法，建议隧道出口端延长明洞，并在洞顶回填反压，完成后，再继续洞内施工。因为A-A'－2层面的剩余下滑力最大，因此按此进行回填反压土的计算。隧道顶部回填反压土为隧址区的一般新黄土。

2）建议洞顶地表裂缝以上设截水沟，杜绝坡面降水入渗，保护上部土体不受影响，避免上部土体发生滑塌，同时在坡体上多种植植被。

图2 A-A'-1断面计算图

图3 A-A'-2计算图

图4 C-C'-1计算图

图5 C-C'-2计算图

5 结语

本文通过对隧道出口端边坡进行勘察及稳定性计算分析，得出下列结论。

1）隧道出口端斜坡地带发育有古裂缝，斜坡前缘隧道施工开挖取土，易造成斜坡前缘发生滑塌或滑坡。

2）通过计算得土体最大剩余下滑力Ei=3339.19kN。最容易产生下滑的方向为A－A'方向，最不稳定的下滑断面为A－A'－2。

3）建议通过加长隧道出口端明洞，增加明洞回填反压，以及洞顶地表裂缝以上设截水沟等措施进行边坡治理。