隧道口劣化软岩顺层边坡失稳机制及防治设计

2023-10-24赵海松魏安辉周仁强

科技和产业 2023年19期

赵海松,魏安辉,张乐,向波,周仁强,邬凯,陈沛

(四川省公路规划勘察设计研究院有限公司,成都 610041)

顺层边坡指边坡走向与岩层近于平行,岩层倾向与坡向交角不超过30°,且边坡坡角大于岩层倾角的层状结构边坡[1-5]。受构造、岩性、地壳抬升等因素影响,顺层边坡广泛分布,坡体内部岩体软弱夹层发育或层间结合差,部分发育层间错动带或构造光滑镜面,受开挖、降雨等诱因作用,其平面滑动主要表现为边坡在自重及其他荷载作用下沿软弱结构面发生顺层滑移破坏,失稳风险高,破坏严重,治理成本昂贵[6-10]。四川盆地是我国的典型红层分布区,其顺层边坡具有区域群发、危害严重、治理成本高等特点[11-15]。隧道穿越山体时,其进出口边坡的稳定性是建设中的难点,遭遇顺层边坡后常对建设人员及设备安全造成严重威胁。因此,研究隧道口顺层边坡的失稳机制及防治措施,对川渝地区隧道建设中的防灾减灾具有指导作用[16-18]。

顺层斜坡地段隧道建设时,隧道开挖对坡体应力赋存的扰动更为明显,对地震、降雨等作用下的坡体效应具有放大效应[19]。顺层偏压常导致隧道局部塌方、变形等病害,且其破坏特征受岩体结构面影响显著[20]。隧道洞口在地形因素与结构面因素耦合作用下甚至出现偏压侧与非偏压侧受力相反导致的“压旋效应”[21]。公路隧道洞口段施工易于诱发顺层滑坡灾害。文献[21]结合磨子坪隧道洞口段施工探讨了此类边坡的变形规律。关于隧道洞口顺层边坡,特别是存在顺层偏压现象且岩体软弱、结构面发育等多个不利地质条件下的顺层边坡失稳机制及防治设计少有研究。

鉴于此,依托沐马高速公路麻路岗隧道洞口软岩顺层边坡,通过工程地质调查、现场监测等手段,考虑降雨、开挖等诱因,总结该类顺层边坡的基本特征及失稳机制,提出应急治理措施和工程治理措施,并结合长期监测对防止设计进行验证。最后,从公路工程地质勘察的角度进行经验讨论,期望为此类不利地质条件下的边坡防治设计提供参照。

1 工程地质条件

麻路岗隧道洞口软岩顺层边坡位于四川省乐山市沐川县利店镇,地理位置如图1所示。2018年6月初,坡体小桩号侧隧道洞口浅埋段及大桩号侧边坡开挖后,坡体发生滑移变形,导致约12 m隧道洞口段及53 m路基段发生破坏,严重影响工程建设,并威胁人员安全。

图1 边坡地理位置及地质构造

1.1 地形地貌

研究区属构造剥蚀低山及侵蚀堆积地貌,区内最低点为马边河,海拔约490 m,最高点为文顶山山顶,海拔约621 m,相对高差约131 m,斜坡植被茂盛,以竹林、桉树、柏树为主。

隧道出口未开挖前,自然斜坡坡向为280°～315°,坡度20°～35°,上陡下缓,表层覆盖较浅,约1～5 m,局部基岩出露,倾向坡外,为单斜地貌。此外,岩层走向与线路方向小角度相交,隧道洞口存在顺层偏压现象。

1.2 地层岩性

1.3 地质构造

由图1可知,研究区周边地质构造发育,其中五渡-利店断层距离场区约2 km。受南北向为主、东西向为辅的多期构造作用影响,加之距离断层较近,在构造作用下,岩体发育多组结构面,如图2(a)所示。岩层优势产状326°∠37°,层间结合差-极差,层面间构造挤压镜面极为发育,局部发育泥化层,厚所示2～20 mm,如图2(b)所示;发育2组近正交节理,J1产状230°∠84°,延伸一般>10 m,切深3～8 m,面较平,间距0.5～3 m,微张-张开,近地表局部充填泥;J2产状120°～140°∠55°～85°,延伸5～10 m,切深3～8 m,面较平,间距0.3～2 m,微张-张开,近地表局部充填泥;开挖边坡坡脚处发育一组缓倾外倾构造面G1,产状320°～340°∠10°～25°,局部反倾,该构造面上镜面发育,局部发育泥化层,厚2～20 mm,如图2(c)所示。

综上,研究区斜坡属单斜地貌,岩质软且构造劣化显著,层间及外倾的G1构造面上镜面发育,且局部发育泥化层,抗剪强度较低,结构面组合作用下易于诱发顺层边坡失稳破坏。

2 顺层边坡基本特征及破坏机制

2.1 洞口段边坡开挖特征

洞口段边坡失稳前,洞口开挖边坡如图3所示。洞口大里程方向LZK20+480～LZK20+540边坡开挖时间为2018年1月1日,完成时间为2018年1月25日,该段左侧采用三级边坡开挖,开挖后坡向约323°,坡高15～23 m,坡度36°～46°,开挖后未及时对坡体进行防护。隧道左洞暗洞里程为LZK20+480,进洞时间为2018年4月19日,开挖至LZK20+468掌子面时间为2018年4月30日;截至2018年6月3日左洞开挖进尺约42 m,里程为LZK20+438～LZK20+480。边坡和洞口的开挖时间及方向如图4所示。

图3 洞口开挖边坡情况

图4 场区工程地质平面及开挖情况

边坡上出露侏罗系沙溪庙组粉砂质泥岩,岩层优势产状326°∠37°,受构造影响,层面倾角存在起伏,岩层以中厚～厚层状为主。根据现场坡体开挖特征,小桩号侧LZK20+438～LZK20+480段洞口存在顺层偏压现象,大桩号侧LZK38+480～LZK38+540段左侧边坡基岩顺层,边坡开挖后开挖坡度与岩层倾角相差较小。

2.2 变形过程及破坏特征

2.2.1 变形过程及规模

2018年6月4日08：00,隧道施工时发现隧道出口段LZK20+468～LZK20+480段左侧边墙逐渐变形,洞外大里程方向LZK20+480～LZK20+533段边坡发生变形破坏,并伴随响声,至09：00,坡体变形逐渐结束,整个坡体变形过程约1 h,变形滑移量为0.5～2 m。

LZK20+468～LZK20+533段边坡变形周界清晰,顺路线长约65 m,垂直路线宽为15～37 m,厚为4～11 m,总量约1.2×104m3。平面范围如图4所示。典型工程地质断面如图5所示。

图5 典型工程地质断面图

2.2.2 破坏特征

隧道洞口边坡变形现场如图6所示,边坡失稳导致隧道洞口和地表呈现不同程度变形破坏。

图6 隧道洞口边坡变形现场

1)洞口破坏特征。坡体变形后致隧道LZK20+468～LZK20+480段初期支护发生不同程度破坏,隧道左侧生侵陷,拱腰工字钢沿拱顶、拱腰及边墙发弯折破坏,拱腰最大侵陷约1 m;右侧拱腰及边墙发生开裂。

2)地表变形特征。坡体变形后,地表裂缝封闭成环,东北侧为剪切裂缝,长约23 m,错开0.05～0.1 m(图6中b处);后缘为张拉裂缝,裂缝长约42 m,下错0.3～1 m(图6中c处),宽0.2～1.5 m(图6中c处);前缘剪出破坏明显,可见岩体沿缓倾层面剪出破坏,前缘剪出错动1～1.5 m(图6中e处)。

2.3 破坏机制分析

2.3.1 基岩顺层

该边坡地层岩性以侏罗系沙溪庙组粉砂质泥岩为主,岩层优势产状326°∠37°,边坡开挖后坡向约323°,岩层倾向与坡向夹角约3°,属典型软岩顺层边坡。

2.3.2 岩体结构面劣化

1)受南北向与东西向构造带作用,岩体层间结合差-极差,层面间构造挤压镜面极为发育,局部发育泥化层。

2)J1产状230°∠84°,延伸一般>10 m,切深3～8 m,结合差,近地表局部充填泥,为坡体沿小桩号侧壁拉裂提供了优势劣化节理面。

3)开挖边坡坡脚处发育一组缓倾外倾构造面G1,产状320°～340°∠10°～25°,其上镜面发育,局部发育泥化层。

因此,小桩号侧壁沿切大,为坡体沿侧壁失稳提供变形空间;坡脚发育外倾结构面,加之边坡上岩体结构面劣化,局部发育泥化层,为坡体顺层失稳奠定了基础。

2.3.3 边坡及隧道开挖

边坡开挖前坡度为20°～35°,上陡下缓,坡角小于岩层倾角,坡体前缘及小桩号侧壁未临空,仅大桩号侧壁临空;边坡开挖后小桩号侧壁未临空、大桩号侧壁临空,坡度36°～46°,开挖坡角与岩层倾角相差较小,但大桩号方向边坡在层面及构造面组合下出现前缘临空,小桩号方向开挖后隧道顺层偏压,导致坡脚抗滑力较开挖前大幅减少,坡体稳定性降低。

2.3.4 降雨

2018年上半年研究区降雨量如图7所示。边坡开挖完成及隧道进洞至LZK20+468(隧道内变形边界)时坡体未变形。而2018年上半年研究区降雨丰富,至2018年6月4日总降雨量达678.5 mm,其中降雨主要集中于2018年4—6月。

图7 2018年上半年研究区降雨量

连续强降雨后地表水沿岩体节理面、层面及G1构造面等裂隙入渗并运移,特别是沿外倾的层面及G1构造面入渗后,其上局部发育的泥化层饱水软化,导致抗剪强度进一步降低,在2018年6月2—4日连续降雨后边坡发生变形破坏。

综上,该隧道洞口为软岩顺层边坡,大桩号方向边坡开挖后在外倾层面及坡脚缓倾坡外构造面组合下出现前缘临空,小桩号方向隧道洞口段顺层偏压,为坡体失稳提供空间变形条件;小桩号侧壁节理面沿切大,为坡体沿侧壁拉裂提供了优势结构面;岩体结构面劣化显著,特别是层面及G1构造面上局部发育泥化层,在降雨入渗下,导致泥化层饱水软化,抗剪强度进一步降低,致边坡发生变形破坏。

3 工程防治措施

3.1 应急治理措施

结合边坡变形情况,应急处治措施实施如下：

1)隧道暂停施工,撤离洞内施工机具。

2)变形段反压回填。对隧道洞口及边坡坡脚位置进行反压回填,回填高度约10 m,坡比约1∶2。

3)裂缝封闭。地表裂缝用黏土封闭,防止雨水侵入。

4)加强监控量测。对裂缝宽度、长度及变形体内外增加地表位移监测点,并加强监测。

5)加强临时排水。对变形体外侧设置临时截水沟,截排坡面径流。应急处置现场如图8所示。

图8 应急处置现场

3.2 工程治理措施

3.2.1 坡体稳定性分析

1)计算方法。变形体在外倾层面及构造面下发生滑移变形,滑动面为折线型,根据《滑坡防治工程勘查规范》GB/T 32864—2016,宜采用传递系数法进行稳定性评价和推力计算。

2)参数选取。经取样试验,滑体粉砂质泥岩饱和密度为2.7 g/cm3。滑带抗剪强度参数采用经验数据类比及反演方法综合确定。结合边坡变形情况,滑带抗剪强度参数反演天然工况下稳定性系数取1.05,暴雨工况下取0.98。考虑层面及构造面间局部均含泥化层,发育构造镜面,其抗剪强度相近,计算时取统一值。滑带抗剪强度参数见表1。

表1 滑带抗剪强度参数

3)稳定性计算及推力选取。经对变形体最不利的LZK20+485剖面进行稳定性及推力计算,经推力对比,按暴雨工况下稳定性安全系数1.15进行控制设计,支挡位置处下滑推力为924.8 kN,下滑力角度为35.8°,见表2。

表2 变形体LZK20+485剖面支挡位置推力

3.2.2 工程治理措施

1)抗滑桩支挡。抗滑桩布置平面图如图4所示,具体可分为隧道偏压段及边坡开挖段。

小桩号方向隧道偏压段：LZK20+452～LZK20+480段采用抗滑桩进行支挡,抗滑桩路线向桩中心间距为6.0 m,抗滑桩截面尺寸为2.0 m×3.0 m,桩长为24～34 m,共计设计抗滑桩6根,桩心距道路左侧边缘10 m,典型支挡设计断面如图5(a)所示。

大桩号方向边坡开挖段：LZK20+480～LZK20+554段采用抗滑桩进行支挡,抗滑桩路线向桩心-桩心间距为6.0 m,抗滑桩截面形式分为A、B两种类型,A型桩截面形式为2.0 m×3.0 m的矩形,桩长20 m设置3根;B型桩为1.6 m×2.4 m的矩形,桩长14～18 m,设置9根,共计设置抗滑桩11根,典型支挡设计断面如图5(b)所示。

2)隧道治理方案。左洞反压土体压实,拱顶180°,采用φ108大管棚超前支护,管棚长18 m,左洞变形范围洞内(不含仰拱)采用径向注浆加固,注浆加固范围为隧道开挖轮廓线外5 m,注浆孔口环向间距1.50 m,纵向间距1.50 m,梅花形布置,注浆孔孔径φ46 mm,孔口设50 cm长φ48 mm×5 mm热轧无缝钢管作为孔口管,注浆孔与隧道轴线呈90°,孔深5.20 m,注浆材料采用水泥浆,水灰比为0.8∶1.0～1.0∶1.0,水泥采用42.5普通硅酸盐水泥。左洞LZK20+468～480隧道变形段按照Z5a型衬砌施工。

3)桩号调整。根据现场开挖情况及线路左侧抗滑桩的设置,隧道左洞洞口桩号调整为LZK20+490。

4)监测方案。受边坡失稳破坏影响,原边坡地表监测点除JC1、JC2外,均已破坏,结合治理工程情况,在变形体内抗滑桩上增加3个地表位移监测点(JC3、JC4、JC5),在变形体外增加2个变形体外侧监测点(JC6、JC7),形成“两纵三横”地表监测网点,对坡体进行变形监测。监测点布置如图4所示。

5)施工工序。洞口仰坡及开挖边坡的反压回填;隧道偏压段及边坡开挖段左侧抗滑桩施工;反压体及桩前变形体清方;隧道变形段大管棚支护施作;隧道变形段衬砌施工;明洞及洞门墙施作。施工现场如图9所示。

图9 工程治理施工现场

3.2.3 坡体稳定性状况分析

工程治理施工时间节点见表3,边坡监测时程曲线如图10所示,因JC6、JC7位于变形体外,其未变形,因此未列出监测曲线。

表3 工程治理施工时间节点

图10 边坡监测时程曲线

根据JC1、JC2地表位移监测曲线可知,2018年6月4日边坡发生突发性变形失稳,监测显示位移分别为1.1、1.2 m,反压回填后至2019年5月10日工程治理施工结束,坡体未发生明显变形;根据JC3、JC4、JC5地表位移监测曲线可知,在抗滑桩施工完成后,2019年2月10—19日对反压体及桩前变形体进行清方期间,坡体变形增长1.8～2.0 mm。其原因是桩前清方开始后,抗滑桩前缘逐渐临空,桩前抗力减少,抗滑桩受力后变形所致。当桩前全部开挖临空后,抗滑桩全部承担了下滑力,桩变形逐渐收敛稳定。工程治理至今,该公路已通车运营,坡体稳定,未发生再次变形。可见,坡脚反压是应急治理的快速、经济手段,抗滑桩是后期治理工程的有效手段。

4 讨论

洞口劣化软岩顺层边坡在勘察设计阶段由于植被茂密,难以详细查明边坡结构面沿切、是否发育泥化层等情况,难以判断边坡开挖后是否存在结构面组合下的临空现象,建议结合施工阶段的边坡岩体开挖出露情况进行详细调查,以准确查明边坡结构面组合、结合及结构面间泥化层情况,以此再次判断边坡是否需要预加固。

因此,洞口劣化软岩顺层边坡勘察设计可分为两个阶段：工程施工前勘察应加强结构面调查统计,尽可能查明边坡开挖后是否存在结构面组合下的临空现象,主控结构面的抗剪强度,坡体是否需要预加固等;工程施工中需进行施工阶段勘察设计,尤其是结构面组合下的临空情况和结构面抗剪强度。基于上述两阶段的勘察,对坡体是否需要预加固进行分析判断,以防止洞口顺层边坡发生变形破坏。