羅安邦

(岳陽(yáng)市公路橋梁基建總公司，湖南 岳陽(yáng)　414000)

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炭質(zhì)頁(yè)巖滑坡-隧道體系穩(wěn)定性分析與處治技術(shù)研究

羅安邦

(岳陽(yáng)市公路橋梁基建總公司，湖南 岳陽(yáng)414000)

炭質(zhì)頁(yè)巖是一種水理性極強(qiáng)的膨脹性巖體，遇水后其工程性質(zhì)劣化較快。在該種類(lèi)型巖體地區(qū)修建高速公路隧道，隧道與邊坡的安全性應(yīng)當(dāng)作為一個(gè)體系進(jìn)行論證。以在建某高速公路隧道為例，經(jīng)取樣獲取炭質(zhì)頁(yè)巖工程性質(zhì)，再采用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行滑坡-隧道體系穩(wěn)定性分析，經(jīng)錨索抗滑樁加擋墻、護(hù)坡與排水對(duì)滑坡處治及采用超前錨桿預(yù)加固襯砌結(jié)構(gòu)后滿(mǎn)足工程要求。

；炭質(zhì)頁(yè)巖；隧道-滑坡體系；穩(wěn)定性；處治技術(shù)

0　引言

在臨近邊坡地段修建隧道若滑坡發(fā)生將對(duì)隧道穩(wěn)定性造成不利影響，從而使得隧道的安全得不到保障，因此引起廣大學(xué)者對(duì)滑坡隧道的研究。王永剛[1]基于強(qiáng)度折減法及ABAQUS對(duì)隧道縱穿滑坡體段進(jìn)行數(shù)值仿真分析，得出縱穿滑坡體的隧道襯砌結(jié)構(gòu)充當(dāng)抗滑結(jié)構(gòu)體這一結(jié)論。史曉瓊[2]針對(duì)青坪隧道淺埋偏壓段滑坡病害的發(fā)生，采用抗滑樁進(jìn)行加固治理，并通過(guò)地表位移、樁身內(nèi)力及土壓力的安全監(jiān)測(cè)驗(yàn)證了加固效果。王旭[3]基于MIDAS數(shù)值模擬研究了隧道與滑面三種不同相對(duì)位置關(guān)系下的隧道變形特征，并分析了相應(yīng)的抗滑樁對(duì)隧道與邊坡的加固功效。鄧榮貴[4]等人提出了一種針對(duì)深厚滑坡體隧道的自錨式加固結(jié)構(gòu)體系，通過(guò)傳遞矩陣法進(jìn)行加固體系的內(nèi)力與位移的解析式推導(dǎo)，從而為優(yōu)化治理滑坡隧道體系提供理論支撐。王建秀[5]等人分析了連拱隧道對(duì)滑坡致險(xiǎn)作用，并提出了三導(dǎo)洞工法開(kāi)挖順序?qū)吰碌姆€(wěn)定性影響。劉海[6]等人采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及數(shù)值模擬的方法研究了穿越古滑坡地段隧道圍巖變形破壞形式，并采用鋼拱架支護(hù)結(jié)構(gòu)促進(jìn)圍巖的穩(wěn)定性。已有的研究大多將滑坡及隧道孤立地考慮，未能當(dāng)作一個(gè)體系綜合分析及治理[7]。而對(duì)于炭質(zhì)頁(yè)巖這一特殊巖體，邊坡與隧道的安全距離與常規(guī)巖性下的區(qū)別，以及其滑坡及隧道圍巖的加固方法均值得進(jìn)行研究。

1　工程概況

某在建高速公路隧道穿越位于山坡中下部并順谷坡展布，呈西南-東北走向，山體巖性主要為三疊系上統(tǒng)炭質(zhì)頁(yè)巖。該隧道長(zhǎng)度約535 m，路基設(shè)計(jì)標(biāo)高329.265～344.085 m，屬中隧道。隧址區(qū)洞口自然斜坡坡度較陡，段身基本離山體邊坡6～14 m遠(yuǎn)，上覆第四系殘坡積層，結(jié)構(gòu)較松散，具有一定的遇水膨脹性，下伏全～強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖風(fēng)化強(qiáng)烈。表層腐質(zhì)土體及強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖厚度較薄，易沿強(qiáng)風(fēng)化巖面滑動(dòng)，自然條件下邊坡穩(wěn)定性稍差。該潛在滑坡主軸長(zhǎng)110 m，寬146 m，與隧道斜交。在此處修建隧道雖離邊坡具有一定的距離，但仍需進(jìn)行論證及處治加固，以防范因發(fā)生滑坡而影響到隧道的施建及運(yùn)營(yíng)安全。

2　炭質(zhì)頁(yè)巖工程性質(zhì)實(shí)驗(yàn)分析

2.1化學(xué)礦物成分分析

在滑坡-隧道體系現(xiàn)場(chǎng)取件進(jìn)行X衍射、紅外吸收光譜與化學(xué)成分分析，從而得到其礦物化學(xué)成分與比例值：礦物成分為石英31.28%、高嶺石27.62%、蒙脫石11.54%、伊利石4.27%、云母9.41%以及其他；分析化學(xué)成分可知巖體中的SiO2含量51.57%、Al2O314.28%、Fe2O37.81%、CaO 7.47%、C4.28%、S1.16%及其他。從而可知該類(lèi)型巖土體含量最高的為石英，高嶺石、蒙脫石及伊利石等親水性、膨脹性顯著的物質(zhì)。在進(jìn)行CBR試驗(yàn)時(shí)當(dāng)壓實(shí)度為93%、94%與96%，炭質(zhì)頁(yè)巖的CBR值分別為1.3、2.1與2.3，而其膨脹率分別為2.16%、2.67%與3.72%。

2.2物理性質(zhì)分析

巖體的物理性質(zhì)主要由含水率、天然容重、液塑限、抗壓強(qiáng)度以及抗剪強(qiáng)度等表示。采取12個(gè)試樣進(jìn)行指標(biāo)統(tǒng)計(jì)，通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)獲取隧道-滑坡體系的炭質(zhì)頁(yè)巖物理力學(xué)參數(shù)值：天然含水率38.15%、天然密度1.82 g/cm3、天然容重20.16 kN/m3、孔隙比1.08、液限57.01%、塑限32.3%、液性指數(shù)0.28、塑性指數(shù)24.71%、壓縮系數(shù)0.63、抗剪黏聚力與摩擦角分別為0.021 MPa與15.87°。同時(shí)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)可知未崩解的炭質(zhì)頁(yè)巖在遇水后承載力顯著降低。

2.3水理性試驗(yàn)分析

考慮到水對(duì)炭質(zhì)頁(yè)巖強(qiáng)度的敏感性較大，降雨入滲是引發(fā)炭質(zhì)頁(yè)巖滑坡及隧道圍巖失穩(wěn)的主要因素之一，因此采用RMT-150B多功能電液巖石伺服實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)巖體試件進(jìn)行剪切試驗(yàn)以分析其水理性。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在垂直荷載100 kPa及剪切速率0.2 mm/s的情況下分別測(cè)試炭質(zhì)頁(yè)巖試件在19.8%，23.3%，27.4%，31.2%，36.6%與40.3%不同含水量下的剪切強(qiáng)度，6組數(shù)據(jù)整理如圖1所示。

圖1　含水量與黏聚力、內(nèi)摩擦角的對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)圖1可得炭質(zhì)頁(yè)巖的粘聚力與內(nèi)摩擦角都隨著含水量的增大而同等趨勢(shì)地減小，表明二者的含水量敏感性接近。當(dāng)炭質(zhì)頁(yè)巖的含水量從19.8%增加到40.3%時(shí)，黏聚力從113 kPa減小至18 kPa，而內(nèi)摩擦角從32.7°減小至13.5°。當(dāng)含水量達(dá)到40.3%時(shí)炭質(zhì)頁(yè)巖的黏聚力與內(nèi)摩擦角均較低，此時(shí)已處于流塑狀態(tài)，對(duì)巖土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不利。

2.4工程性質(zhì)

炭質(zhì)頁(yè)巖中含比例較高的高嶺石、伊利石等黏土礦物，屬膨脹性軟巖，在溫度、風(fēng)力及雨水等自然營(yíng)力下一般易風(fēng)化、易崩解、軟化效應(yīng)明顯，且隨著巖性的劣化歷程，其巖性劣化速率呈增大的趨勢(shì)。高嶺石及蒙脫石等吸水迅速膨脹與失水收縮開(kāi)裂，表現(xiàn)出較大的水敏感性，且其含水量與強(qiáng)度呈明顯的對(duì)應(yīng)的關(guān)系，同時(shí)在降雨時(shí)容易因黏性物質(zhì)遇水起潤(rùn)滑作用進(jìn)一步促進(jìn)滑坡、泥石流及滑塌等地質(zhì)災(zāi)害的形成。而另一方面炭質(zhì)頁(yè)巖因含大量碳、硫等礦物而氮、鉀及磷等元素匱乏，不利于植物生長(zhǎng)存活，增大了采用植物根系法進(jìn)行生態(tài)護(hù)坡的困難程度。

3　滑坡-隧道體系穩(wěn)定性數(shù)值分析

為評(píng)定該公路隧道的安全性，基于數(shù)值仿真計(jì)算分析滑坡-隧道體系潛在滑坡體穩(wěn)定性的相互作用。根據(jù)隧道斷面設(shè)計(jì)圖取隧道開(kāi)挖最大跨度為8.9 m，開(kāi)挖最大高度為10 m。該隧道圍巖及邊坡體系巖體自由膨脹率約為70%～80%，屬中膨脹土。采用基于有限差分法的FLAC3D進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，以獲得滑坡與隧道構(gòu)成的體系穩(wěn)定性的影響程度，根據(jù)工程實(shí)際情況及圣維南原理得到數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。其中所選用的參數(shù)彈性模量為4.0 MPa，泊松比為0.3，容重為17 kN/m3，粘聚力為21 kPa，內(nèi)摩擦角為15.9°。

圖2　隧道與邊坡體系計(jì)算模型圖

為簡(jiǎn)化計(jì)算程序，不考慮隧道爆破開(kāi)挖等動(dòng)力荷載對(duì)邊坡的影響，僅考慮降雨入滲及自重狀態(tài)下隧道與邊坡體系的位移場(chǎng)如圖3所示，其體系所形成的剪切滑移帶如圖4。

圖3　隧道與邊坡體系位移場(chǎng)圖

圖4　隧道與邊坡體系剪切滑移帶

由圖3與圖4可知：隧道與邊坡體系塑性區(qū)已經(jīng)貫通形成剪切滑移帶，對(duì)隧道及邊坡穩(wěn)定性不利，其中在坡腳處位移最大，約4.5 cm。襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力大小用于評(píng)價(jià)其受力情況，以判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生裂縫及受剪切破壞，滑坡形成時(shí)襯砌最大主應(yīng)力云圖如圖5。

圖5　隧道二襯最大主應(yīng)力

圖5表明在隧道二襯最大主應(yīng)力的最大數(shù)值位于拱腳處，為1.802 MPa。且右拱腳的數(shù)值稍大于左拱腳，說(shuō)明該隧道襯砌結(jié)構(gòu)承受著一定的偏壓作用性，對(duì)其長(zhǎng)期穩(wěn)定安全性不利。

4　滑坡-隧道體系加固措施

因隧道離邊坡有一段距離，通常不被當(dāng)作淺埋偏壓等特殊隧道對(duì)待。事實(shí)上由于炭質(zhì)頁(yè)巖這種膨脹性及水理性明顯的巖體，因邊坡風(fēng)化及降雨入滲等影響及隧道開(kāi)挖過(guò)程中的漸進(jìn)破壞性，在風(fēng)險(xiǎn)成熟期必然會(huì)引起隧道及坡體失穩(wěn)破壞。因此在親水膨脹性巖體地區(qū)修建隧道需將邊坡及隧道當(dāng)作一個(gè)系統(tǒng)(適當(dāng)考慮增大隧道與邊坡的安全距離)，并嚴(yán)防雨水過(guò)多入滲至隧道圍巖中，通過(guò)控制隧道開(kāi)挖及營(yíng)運(yùn)過(guò)程中圍巖變形及邊坡巖體性質(zhì)劣化是控制體系漸進(jìn)性破壞的主要措施。為提高施工過(guò)程中隧道邊坡體系的安全儲(chǔ)備，采用長(zhǎng)導(dǎo)管超前支護(hù)與小導(dǎo)管注漿加固的方法。

4.1長(zhǎng)管棚超前支護(hù)施工

首先標(biāo)出隧道中心線及拱頂標(biāo)高，在隧道工作區(qū)設(shè)置管棚施工工作室與導(dǎo)向架，安裝長(zhǎng)度為2～2.5 m直徑140 mm導(dǎo)向管。再用20 cm×20 cm的枕木搭設(shè)成高度為2.0 m縱向長(zhǎng)度4.0 m的工作平臺(tái)，并檢查及提高其穩(wěn)固程度。

在進(jìn)行管棚施工時(shí)，鉆孔至預(yù)先擬定深度，根據(jù)鉆機(jī)鉆進(jìn)速度估計(jì)長(zhǎng)管棚是否貫穿不穩(wěn)定滑坡段。在鉆進(jìn)中使用測(cè)斜儀量測(cè)鋼管鉆進(jìn)的偏斜度，即時(shí)采取糾偏措施。實(shí)行注漿時(shí)確保注漿初壓在0.5～1.0 MPa間，終壓控制在2.0 MPa左右。

4.2小導(dǎo)管超前支護(hù)預(yù)固結(jié)

考慮到炭質(zhì)頁(yè)巖的強(qiáng)水理性，隧道施工期經(jīng)過(guò)雨季，降雨入滲導(dǎo)致隧道圍巖邊坡體系的巖體處于流塑狀態(tài)，小導(dǎo)管超前支護(hù)需分兩步進(jìn)行施作。

第1步為固結(jié)初期支護(hù)上部圍巖。防止軟弱圍巖進(jìn)行塌方采用長(zhǎng)4～5 m仰角5°～10°的小導(dǎo)管注漿，然后逐環(huán)加大仰角直至90°，根據(jù)注漿效果每環(huán)仰角增大10°～30°，逐環(huán)注漿。

第2步為固結(jié)初期支護(hù)下部圍巖。采用C25混凝土噴護(hù)封閉，以防止下部注漿時(shí)漿液反流溢出。從初期支護(hù)輪廓縮小70～100 cm鉆一成環(huán)孔(略向上5°～8°仰角)，并立即安裝小導(dǎo)管注漿。保證初支面以?xún)?nèi)2～3 m厚松散體被固結(jié)，為掘進(jìn)拆換被損壞的鋼架提供安全施工環(huán)境。在與隧道相交的滑坡體中上部按60 cm×100 cm間距梅花樁布置打入自進(jìn)式錨桿(6 m長(zhǎng))并注漿。采用短進(jìn)尺快支護(hù)的方法，臨時(shí)支撐I16工字鋼拱架循環(huán)使用，并在鋼架拱部布置鋼筋網(wǎng)，鋼架之間采用螺栓連接，I16工字鋼焊接在鋼板上，縱向用鋼筋連接。

4.3預(yù)加固下體系穩(wěn)定性分析

將滑坡與隧道體系進(jìn)行加固處治后基于有限差分法FLAC3D計(jì)算得到體系的水平位移場(chǎng)、豎向位移場(chǎng)及隧道襯砌最大主應(yīng)力分別如圖6～圖8。

圖6　加固后體系水平位移場(chǎng)

圖7　加固后體系豎向位移場(chǎng)

圖8　加固后隧道襯砌最大主應(yīng)力云圖

圖6～圖8為加固后隧道-邊坡體系的穩(wěn)定性分析圖，由此可知圍巖的水平位移最大值主要出現(xiàn)在拱腳處(約為1 mm)；而豎向位移最大值出現(xiàn)在隧底處(約為5 mm，正值，表現(xiàn)于向上隆起)；襯砌的最大主應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳處(約為0.4 MPa)。再分別與圖3～圖5比較可知隧道邊坡體系在處治加固后其位移及最大主應(yīng)力的數(shù)值均有所減小，且其偏壓效益顯著減小，表明經(jīng)處治后邊坡對(duì)隧道的影響滿(mǎn)足工程要求。

5　結(jié)論

以某在建高速公路隧道為例研究炭質(zhì)頁(yè)巖滑坡-隧道體系的穩(wěn)定性分析及處治技術(shù)，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論及建議：

1) 炭質(zhì)頁(yè)巖屬于水理性較強(qiáng)的中膨脹性粘性土，其工程性質(zhì)受含水量而變化較大，在降雨入滲時(shí)導(dǎo)致黏聚力與內(nèi)摩擦角降低，處于可塑-流塑狀態(tài)，不利邊坡及隧道圍巖的穩(wěn)定性。

2) 在炭質(zhì)頁(yè)巖地區(qū)修建高速公路隧道需論證隧道與邊坡的安全距離，改變?cè)O(shè)計(jì)路線或施工方案，防范因滑坡產(chǎn)生而影響到公路隧道的施建與運(yùn)營(yíng)安全。

3) 采用錨索抗滑樁加擋墻、護(hù)坡與排水對(duì)滑坡處治、長(zhǎng)管棚與小導(dǎo)管注漿及采用超前錨桿預(yù)加固襯砌結(jié)構(gòu)的方法分別對(duì)邊坡及隧道圍巖進(jìn)行治理，以提高體系的安全儲(chǔ)能。

[1]王永剛，丁文其，唐學(xué)軍.陽(yáng)坡里隧道縱穿滑坡體段變形破壞機(jī)制與加固效應(yīng)研究[J].巖土力學(xué)，2012，33(7)：2142-2148.

[2]史曉瓊.青坪隧道淺埋偏壓及滑坡處治安全監(jiān)測(cè)研究[J].公路工程，2012，37(1)：157-160.

[3]王旭.滑坡隧道與抗滑樁相互作用機(jī)理研究及數(shù)值模擬[D].北京：北京交通大學(xué)，2014.

[4]鄧榮貴，尹靜，鐘志彬，等.滑坡區(qū)隧道自錨式新型加固結(jié)構(gòu)理論研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015，34(7)：1315-1324.

[5]王建秀，朱合華，唐益群，等.連拱隧道-邊坡耦合作用：連拱隧道滑坡[J].土木工程學(xué)報(bào)，2010(1)：103-107.

[6]劉海，沈軍輝，陳華，等.穿越古滑坡川主寺隧道圍巖破壞特征及穩(wěn)定性研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012，49(1)：53-59.

[7]趙志剛，張志軍，李德武，等.穿越滑坡段高速公路隧道綜合防治技術(shù)研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2013(3)：71-76.

2016-05-13

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(1298011-2)

羅安邦(1983-)，男，工程師，主要從事公路橋梁建設(shè)管理工作。

；1008-844X(2016)03-0168-04

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