隧道穿越厚层滑坡处置方案比选★

2021-09-07王业刚黄永威蔡建华朱长安

山西建筑 2021年18期

王业刚黄永威蔡建华朱长安

(1.四川叙古高速公路开发有限责任公司，四川泸州 646500； 2.中铁西南科学研究院有限公司，四川成都 611731; 3.四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，四川成都 610041)

0 引言

随着我国工程建设的不断推进，公路和铁路等线性工程建设逐步向地质环境脆弱的西南山区发展。

由于该区复杂的地质地形条件，线性工程常需要穿越滑坡等不良地质体。尽管在规划选线阶段采取了避绕方案，但由于在地质勘察阶段未能有效的识别灾害隐患或者对地质条件认识不够，穿越大型深厚层滑坡体的隧道工程时有出现。因隧道上覆厚层岩土体以及隧道开挖临空面的双重影响，滑坡区隧道工程常出现开裂、变形等病害，严重影响了工程进度和运营安全[1-4]。

由于隧道和滑坡体相互耦合作用，实际工作中，应将它们作为一个有机的整体加以研究，综合分析其变形机理和防控技术[5-7]，因此对穿越深厚层滑坡区隧道的综合处置方案，不能仅仅针对滑坡体或者针对隧道进行工程处置，应综合考虑两者的相互作用关系，采取不同方案进行综合比选分析，进而选取最佳治理方案。

1 工程概况

研究对象为四川南部山区某正交下穿滑坡体的高速公路双线隧道。隧道位于滑坡体中后部，左右洞分别长978 m，1 029 m。滑坡体位于某倾伏向斜南翼斜坡体上，斜坡基岩产状上陡下缓，属于顺层坡。滑坡体坡度约21°，上陡下缓，发育多级平台和拉裂槽，坡体长度约600 m～980 m，宽度400 m～900 m，前宽后窄，坡体表面大部分为耕地和水田，其间有大量民房和学校分布。滑坡体地表上呈“W”形，可根据地形分为Ⅰ，Ⅱ两个大区(见图1)。Ⅰ区滑体主滑方向344°，整体地势较高，高差大，地表坡度大(后部达26°)；Ⅱ区滑体主滑方向359°，整体地势稍低，高差稍小，地表坡度较缓(总体17.8°)。据现场多次勘察，该滑坡体平均厚度35 m～40 m，最大厚度达60余米，整体方量达1 100万m3，属巨型深层滑坡。

隧道左右线均有部分位于滑坡体内，隧道左洞ZK12+835～ZK12+516段全断面皆处于Ⅰ区滑坡体内，右洞K12+720～K12+506段左上侧处于Ⅰ区滑坡体内，隧道穿越滑坡的段落达300 m以上。由于隧道开挖形成临空面，引起隧道右侧滑坡体中后部土体变形、地表开裂以及隧道开裂变形，严重影响了工程建设进度和人民的生命安全。

2 处置方案比选

2.1 线路避绕方案比选

针对滑坡体的危害性和隧道的病害情况，研究考虑双洞绕避(方案一)、左单洞绕避(方案二)、原位处治(方案三)、左线换岸(方案四)、右线换岸(方案五)5种方案(见图2)。从线路长度、支挡工程工作量、清方量、造价、工期、安全性和施工难度几方面综合比选(见表1)。经比选分析，选定坡体和隧道原位处置的治理方案。

2.2 坡体原位处置方案比选

现场勘察揭示的隧道右侧滑坡体平均厚度为50 m，滑体在隧道左洞右侧和右洞右侧所产生的剩余下滑推力值过大，需在隧道左洞右侧和右洞右侧以及上部滑坡体设置多排抗滑桩支挡。经测算，需要设置约20排抗滑桩，总的桩的体量约47.52万m3，再加上桩顶的锚索工程量，工程造价约9.86万元，且抗滑桩开挖深度极大(60 m～80 m)、施工难度极大、安全风险高、施工工期长、可操作性差。因此，抗滑桩全支挡方案不可行。根据隧道和滑坡体的地质、病害情况及变形开裂特征，在原位处治的方案比选阶段，共制定了4个可行方案(坡体清方+分级支挡)对该滑坡体进行原位处治[8,9]。

表1 线路避绕方案比选表

1)全清方方案。

全清方案是将隧道顶及隧道右侧后部的滑坡体全部予以清除，从左洞路基高程开始开挖清方，将左洞ZK12+512～ZK12+800段隧道改为路基通过，从左洞右侧开始往上清方，右侧路基坡脚设护脚墙防护。清方方向平行于左洞洞轴线，右侧路基挖方边坡坡体1∶1，第一级边坡在14 m高度留一级4 m～11 m宽的平台，平台延伸至基岩面，而后沿基岩面往滑坡体中后部清方，将中后部滑坡体全部予以清除；左幅左侧按1∶1.5的坡比进行清方放坡，清方方向平行于左洞洞轴线。东侧边坡清方放坡方向为270°方位角方向，从上到下的开挖坡比为1∶3(见图3)。该方案的总清方量为258.8万m3。

支挡方案为:在ZK12+830～ZK12+855段左洞右侧9 m左右设置一排6根抗滑桩予以支挡，长度18 m；左幅右侧路基坡脚设护脚墙防护，墙高6 m，顶宽1.7 m；在清方后的右洞右侧边坡上设框架锚杆和框架锚索予以加固;在清方后的坡体中部增设一段框架锚杆和框架锚索加固区; 在清方后的坡面上从上到下设置三道截水沟，将地表汇水拦截后汇入场地西侧的自然冲沟内排出。

2)大清方方案。

最大清方厚度位于隧道左右洞间，最大清方厚度约30 m～37 m，在左右洞顶上设一宽约20 m的平台，平台往隧道右侧开始清方，清方方向平行于洞轴线的方向，清方坡比1∶4，清至基岩面后，顺基岩面而上将隧道右侧的绝大部分变形体予以清除。平台左侧按1∶2坡比清方，每12 m高度留一级2 m宽的平台(见图4)。按此清方后，在右洞右侧已无下滑推力，右洞右侧可增设适当加固措施后，右洞可安全通行；而清方后在左右洞间尚留有一部分滑体，在左洞右侧仍存在一定的下滑力，需在ZK12+595～ZK12+850段剩余滑体厚度较大的左洞右侧约9 m的位置设置一排抗滑桩，从进口段开始随着滑体厚度的增加，抗滑桩的截面尺寸逐渐增大，抗滑桩长度24 m～45 m，共设抗滑桩55根。另外，由于清方后裸露的基岩边坡长达250 m～300 m，坡体的应力条件发生了较大改变，为防止顺层边坡在重力作用下发生弯曲—拉裂变形，拟在清方后的坡体中部增设一段框架锚杆和框架锚索加固区。该方案总的清方量为199.3万m3。

3)中等清方方案。

最大清方厚度位于隧道左右洞间，最大清方厚度约30 m～37 m，在左右洞顶上设一宽约10 m的平台，平台往隧道右侧开始清方，清方方向平行于洞轴线的方向，清方坡比1∶2，每12 m高度留一级平台，清至1 026.8 m高程后留一宽大平台至基岩面，顺基岩面而上将上部的变形体予以清除。平台左侧按1∶2坡比清方，每2 m高度留一级2 m宽的平台(见图5)。

在右洞未进入稳定基岩层之前需在K12+595～K12+730段设桩，桩长35 m～45 m，共设抗滑桩27根；右洞右侧部分抗滑桩悬臂段过长，故设计在抗滑桩顶增加2排4根预应力锚索，锚索长30 m。在剩余滑体厚度较大的隧道左洞右侧约9 m的位置设置一排抗滑桩，桩长24 m～40 m，共设抗滑桩55根。该方案总的清方量为150.1万m3。

4)最少清方方案。

最大清方厚度仍位于隧道左右洞间，最大清方厚度约20 m～26 m，在左右洞顶上设一宽约10 m的平台，平台往隧道右侧开始清方，清方方向平行于洞轴线的方向，清方坡比1∶2，每12 m高度留一级平台，清至1 026.8 m高程后留一宽大平台至基岩面，顺基岩面而上将上部的变形体予以清除。平台左侧按1∶2坡比清方，每12 m高度留一级2 m宽的平台(见图6)。

拟设桩位置与中等清方方案相同，桩顶预留10 m厚滑体。右洞右侧抗滑桩开挖深度为50 m～58 m，共设抗滑桩27根；左洞右侧抗滑桩开挖深度34 m～55 m，共设抗滑桩55根。抗滑桩开挖深度极大，存在施工风险，可操作性差。该方案总的清方量为126.5万m3。

5)方案比选。

针对隧道右侧滑坡体的地质特征和变形现状，共提出了四个“清方+支挡”的处治方案：方案一(全清方方案)、方案二(大清方方案)、方案三(中等清方方案)、方案四(最少清方方案)。对这4个方案进行论证比选和深入分析(见表2)，从保护环境和坡体稳定性角度，并结合现场地形地质条件，应控制清方规模，采用分级清方、分级支挡措施，即推荐原位处治的中等清方方案(方案三)。

表2 原位处置方案综合比选表

2.3 弃土场方案比选

根据滑坡体处治推荐方案，清方约150.1万m3；并根据对现场地形、地质的调查情况，弃土场位置选定于K12+900隧道左侧480 m的河谷中。弃土场起点距离某铁路斜井洞口285 m，终点距离下游铁路桥730 m，以利于对滑坡体Ⅰ区和Ⅱ区的坡脚进行完全反压。弃土场起点坝顶设计标高均低于铁路斜井洞口标高3.5 m，并根据原道路标高对弃土场平台标高进行控制。在弃土场进行分级加固护坡的基础上，设计通过泄水隧洞、钢波纹管、明沟三种泄水方案进行排水比选；三种方案均埋设2 m钢波纹管解决枯水期河道临时过水。

1)泄水隧洞方案。泄水洞洞身全长1 160 m，进口位于某铁路斜井施工场地下游约70 m左岸，出口位于ZK13+805对岸陡崖下方，泄水洞宽7 m，高8 m，进口段转角42°，洞身为直线，泄水隧洞纵坡为-4.57%，溢洪道纵坡为-29%。洞身处岩性以泥质粉砂质、砂岩互层为主，围岩级别主要为洞口段Ⅴ级、洞身段Ⅳ级。泄水洞按100年一遇洪水设计，设计洪峰流量为300 m3/s，流速为21 m/s。泄水洞工程主要由三大部分组成：进口拦水坝和防渗墙等防护工程、隧洞主体工程、出口梯级消能结构，见图7，图8。

2)钢波纹管方案。方案采用8 m钢波纹管引水，钢波纹管纵坡不大于5%，出口接泄槽与原沟顺接。方案中以1 m～8 m钢波纹管来解决弃土场永久排水问题，弃土场建成后以该涵洞作为主泄洪通道，但钢波纹管对施工工艺要求较高。钢波纹管出口接泄槽，泄槽尺寸采用8 m×4.5 m。泄槽段对基础填筑渣料要求粘粒含量小于10%,分层填筑,级配良好,并经压实处理(压实度大于93%)，见图9，图10。

3)明沟方案。方案采用明沟引水，不同纵坡段采用不同尺寸，纵坡0.3%采用8 m×5 m，纵坡10%,20%采用8 m×4.5 m。明沟基础填筑渣料要求粘粒含量小于10%,分层填筑,级配良好,并经压实处理(压实度大于93%)，为了防止弃土场边坡掉块、滚石及失稳，对非特别压实区的压实度要求不大于80%，见图11。

4)弃土场方案比选。在弃土场分级支护方案一致的前提下，本文从工程造价、施工难度、环境影响、安全风险和施工周期五方面对弃土场排水处置的泄水洞方案、钢波纹管方案、明沟方案三个方案进行综合比选(见表3)，最终选取泄水洞方案。

2.4 隧道处置方案比选

对应于滑坡体原位处治(清方+支挡)的四个方案，从隧道处治措施的角度可以分为2个大类的处治方案进行考虑。

表3 弃土场方案综合比选

1)全清方方案的隧道处置方案(方案一)。

该方案的处置措施为：彻底清除隧道顶及右侧后部的变形体；将左洞ZK12+512～ZK12+800段隧道改为路基通过；清方右洞周边岩土体厚度；ZK12+800～ZK12+840段二次衬砌裂缝处治及衬砌补强；左侧支挡防护+右侧锚杆(锚索)抵抗顺层偏压。

2)局部清方方案的隧道处置方案(方案二)。

该方案处置措施为：清除应急抢险期间临时反压回填洞渣；初期支护变形侵限的段落进行换拱处理；穿越变形体段进行仰拱加固处理；ZK12+800～ZK12+840二次衬砌裂缝处治及衬砌补强。

方案比选：对应于全清方方案的隧道处治方案(方案一)工程造价比对应于局部清方方案的隧道处置方案(方案二)工程造价低，但坡体全清方对生态环境破坏大，隧洞局部改路基以及边仰坡的支护存在施工风险，结合坡体原位处置方案，综合选取局部清方方案的隧道处置方案(方案二)。

2.5 综合处置方案选择

该隧道穿越滑坡体治理工程包括原位处治(清方+支挡)工程、弃土场工程、隧洞处置工程三部分。从工程造价、施工难度、环境影响、安全风险、施工进度等角度考虑，经综合分析比选，该隧道穿越滑坡体综合治理方案为：坡体部分清方方案和分级支挡、弃土场泄水隧洞排水和分级支护、隧道原位处置修复。

3 治理效果评价

推荐方案治理工程效果的好坏需要进行评价检验[10,11]，现场在该滑坡体的Ⅰ区和Ⅱ区的主滑断面布设了5台GNSS自动化监测设备，开展了3年的持续监测，其监测设备布置平面图见图12，典型监测点的位移监测曲线见图13，图14，各监测点的累计位移统计数据见表4。

从图13和表4可知，位于滑坡体Ⅰ区主滑断面的监测点G1，G2，G3，在2018年—2020年3年时间内，测点最大累计水平位移为15.6 mm，最大累计垂直位移在-18.9 mm，属于正常变动范围。从图14和表4可知，位于滑坡体的Ⅱ区主滑断面的监测点G4，G5，从2018年到2020年，最大累计水平位移变化范围在31.7 mm，最大累计垂直位移在14.5 mm区间内变化，G4点水位位移有微小变化，但属于正常范围内。综合以上各监测曲线和监测统计表，可知：从2018年到2020年，该滑坡体处于正常变形范围，整体处于稳定状态，也从侧面说明了比选推荐方案治理工程的合理性和有效性。