黄土地区公路工程扰动诱发次生地质灾害研究与分析

2023-12-07刘锦钏

山西交通科技 2023年4期

刘锦钏

（中路黄河（山西）交通科技集团有限公司，山西太原 030006）

0 引言

为了响应国家“一带一路”的发展战略，促进中西部地区经济发展，交通运输部提出了交通网络2035 发展规划，将在中西部地区新建大量高速公路，不可避免会穿越黄土地区。而黄土的特殊工程地质性质会带来诸多工程问题，尤其当黄土作为工程载体时，其问题尤为突出。此外，在山区建设高速公路，会出现大量隧道工程，这对于脆弱的黄土地质条件是非常大的扰动，这种工程活动引起的次生地质灾害可能会诱发更多工程问题。

针对隧道-边坡体系，国内学者进行了丰富的研究。孙明磊等[1]通过建立FLAC3D 三维数值模型，研究了不同空间位置下的滑坡诱发隧道衬砌结构受力及变形特征变化规律。周文皎[2]系统分析了滑坡-隧道体系的相互作用机制，并提出了变形控制对策。赵金等[3]研究了平行体系中隧道-洞口滑坡的力学特征及变形规律，推导了隧道内力计算模型。高岩等[4]通过开展室内模型试验，对降雨条件下隧道-滑坡体系灾害演进机制进行研究。李洋溢等[5]研究了大跨度隧道洞口滑坡的成因，并提出了加固措施。王永俊等[6]在对隧道洞口的滑坡进行处置后，采用长期监测方法评价了防护的有效性。王剑非等[7]借助数值模拟手段对滑坡成因、隧道变形进行了深入的分析研究。周琪等[8]采用有限元模型对隧道开挖过程中的滑坡蠕变行为进行了研究。

目前国内外对于工程扰动诱发滑坡，以及滑坡引起次生灾害的研究较多。但是很多研究局限于数值分析和理论推导，并依托实际工程进行了监测，但是由于研究对象不同，研究结果很难具有普适性，尤其是在隧道上方同时发育多种不同类型的滑坡时，力学与变形特征更加复杂。因此，依托实体工程，开展“滑坡-隧道”相互作用机理、监测预警及变形控制技术研究具有重要的理论和实践意义。

1 工程概况与方法

1.1 工程概况

该研究依托于黄土高原某处高速公路边坡，该边坡地貌上属黄土丘陵区，位于隧道之上。隧道坡体及隧道结构病害主要发生在隧道及路堑左侧边坡处，在隧道上部坡体左侧还发现有圆弧形陡坎及张拉裂缝，在隧道部位坡体地表局部排水沟发现有挤压变形现象。隧道上部坡体东侧发现有圆弧形黄土斜坡陡坎，陡坎下右侧平台上地表出现明显的张裂缝，裂缝方向与陡坎走向基本平行，裂缝宽度为3～5 cm，长8～15 m。隧道内裂缝共有97 条，以水平裂缝、斜向剪切裂缝为主。裂缝大多较细小，宽度1～3 mm 为主，剪切错动不明显，一般不超过2 mm。部分沿隧道衬砌伸缩缝发育的垂直张裂缝，最大的张裂缝位于隧道右边墙至拱顶，宽约23 mm，深50 cm，错台8 mm。在路堑左侧边坡的一级平台到三级边坡的中部，已经形成不连续的近水平裂缝（裂缝宽度1～4 cm）和鼓胀现象、错台及排水沟渠壁倾斜。

1.2 现场监测方法

通过监测边坡及隧道结构变形，评估边坡体的稳定状态，预测边坡变形发展趋势，对因滑坡造成的隧道病害演化规律的研究提供依据。

监测的主要任务是对边坡和隧道结构进行实时监测，掌握控制边坡稳定性的各种参数和因素随时间和空间上的变化过程，为后续养护方案提供数据支撑。采用地表GNSS 对边坡表层的变形特征进行监测。共设置了4 处监测点，分别为D-01、D-02、D-03、D-04，位于斜坡的4 个方位，如图1所示。

1.3 数值模拟

通过现场勘察发现，在隧道洞口段，灾害发育明显，在结构上出现了明显的裂隙，因此，为了明确该区域的发育特征，开展了数值模拟研究。数值模型如图2所示，在墙体与土体接触带设置A、B、C 三个观测点分别监测墙体不同位置的变形情况。

图2 滑坡-洞门模型数值分析网格图

该次计算的参数取值如表1所示，其中支挡结构及衬砌采用混凝土，墙后土体采用高含水量土体，其余土体采用正常状态。

表1 强度参数取值

2 研究结果

2.1 隧道洞口段变形特征

整体变形集中于墙与土体接触部位，墙体受到土体的侧向土压力，发生水平方向的推移以及竖直方向的剪切变形（图3）。

图3 整体剪应变速率

墙体受到土体压力，有向外变形的趋势，由于两端受到侧向约束，导致力会传递到中间位置，由此形成较大曲率的变形，由中心向两侧变形量逐渐变小（图4）。整体受到拉张应力，由此造成墙体纵向开裂和垮塌。在洞顶处，结构薄弱，容易造成应力集中，并且在施工过程中采用拼接式方法，更容易在该位置发生开裂。

图4 墙-土接触带受力特征

2.2 现场监测结果

D-01 监测点位于隧顶排水沟东侧旧院落北侧坡顶，从图5 中可看出：高程方向由于精度比平面方向低，所以波动幅度较平面大。X方向位移量约8 mm；Y方向位移量约36 mm，方向向西；高程方向几乎不变。

图5 D-01监测点变形结果

D-02 监测点和D-03 监测点位于隧道加固段上方坡体。从图6 和图7 可看出，两测点X方向和高程方向位移无明显增大趋势，仅Y方向位移有增大趋势。监测点D-02 位移量达到38 mm，监测点D-03 位移量达到30 mm。

图6 D-02监测点变形结果

图7 D-03监测点变形结果

D-04 监测点位于隧道端洞门西北角。从图8 可看出，测点X方向有一向北缓慢增大趋势，位移量达到约10 mm；高程方向位移无明显增大趋势；Y方向位移有增大趋势，位移量达到25 mm。

图8 D-04监测点变形结果

从图8 可看出，边坡水平方向位移量比高程方向波动稍大，同GNSS 水平方向监测精度5 mm±1 ppm 精度吻合。边坡高程方向位移量值比水平方向大，这与GNSS 高程方向监测精度10 mm±1 ppm 精度吻合。边坡高程方向无明显增大趋势。边坡Y方向（垂直于坡面方向）有增大趋势，位移量达到25～38 mm，但经对基站的IGS 解算，发现基站有一沿Y方向（与监测点相反），且量值约40 mm 左右的位移量。

综上所述，监测边坡坡表变形暂处于稳定状态。

为了进一步验证数值模拟的有效性，将监测结果与数值模拟结果进行了对比。由于本文重点关注的是洞口段的变形特征，所以仅对比D-04 号监测点的X方向表层变形特征。由图9 可知，监测结果与数值计算的结果匹配度较高，并且整体分为3 个阶段：累计变形阶段、稳定变形阶段，以及加速变形阶段。根据结果可以判定表层变形阈值，对预测灾害发生具有一定的指导意义。

图9 监测结果与数值计算结果对比（X方向）

3 讨论

基于上述研究，该处滑坡处于稳定状态，而出口段有小变形，因此需对隧道出口挡墙以及邻近结构进行处置。拟采用W 型钢带+钢管桩对隧道进出口段进行加固处理。为了验证这种办法的可行性，采用数值模拟方法对加固前后的隧道变形进行了分析对比。

钢管桩呈梅花型布置，桩间距1 m，钢管桩钢管采用外径121 mm、壁厚3 mm、内径115 mm 钢管，管内及管侧注入1∶1纯水泥浆封闭。钢管桩成孔直径150 mm，成孔长度6.1 m，桩长6.0 m。最外侧加设一根与水平方向呈60°角的相同参数的钢管桩。钢管桩采用梁单元模拟，材料参数采用按钢管和水泥浆液所占面积进行权重等效计算后得到，弹性模量为35.7 GPa，密度为2 696.1 kg∕m3，泊松比0.21，计算结果见图10。

图10 隧道结构变形计算结果

根据计算结果（图10）可知，加固前隧道结构最大变形出现在顶部，为2.01 cm。在本文中，超过1.7 cm的变形区域定义为大变形区域，加固前的大变形区域占比超过17%，加固后最大变形约为2 cm，但是大变形区域相较降低了8%，并且仰拱底部的变形量有明显的降低。总之，通过加固可以有效地将高应力区进行分散，并且可以有效控制仰拱变形，对隧道稳定性有一定控制作用。