羅興華，蘭曉峰，舒中文，李 星

(1.神華準(zhǔn)能大準(zhǔn)鐵路公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030)

目前，針對(duì)隧道-滑坡體系的研究越來(lái)越多。馬惠民[1]構(gòu)建了隧道-滑坡體系的理論分析框架，研究了3種不同隧道-滑坡體系的變形特征和機(jī)理，并提出了防治原則及相應(yīng)的治理措施；吳紅剛等[2-3]采用模型試驗(yàn)分別對(duì)隧道-滑坡正交體系、隧道-滑坡斜交體系的變形機(jī)理和控制技術(shù)進(jìn)行了研究；陶志平等[4]通過(guò)實(shí)地調(diào)查，建立了4種不同隧道-滑坡體系的地質(zhì)力學(xué)模型，并分析了不同隧道-滑坡體系的變形特征及其防治措施；謝正團(tuán)等[5]通過(guò)實(shí)地調(diào)查，結(jié)合數(shù)值模擬，對(duì)寶蘭客運(yùn)專線洪亮營(yíng)隧道滑坡成因及變形機(jī)制進(jìn)行了分析。晏啟祥等[6]采用有限差分法，計(jì)算了隧道穿越滑坡體時(shí)滑坡體和二次襯砌的變形和應(yīng)力，揭示了隧道和滑坡體的相互作用機(jī)理并評(píng)價(jià)了錨索和抗滑樁治理滑坡的效果。弭坤等[7]運(yùn)用有限元計(jì)算方法分析了上砭隧道滑坡治理工程中預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁和普通抗滑樁聯(lián)合作用時(shí)，抗滑樁應(yīng)力分布和水平位移的變化規(guī)律。劉宇平等[8]從地質(zhì)條件、降雨及施工擾動(dòng)的影響方面對(duì)滬昆客運(yùn)專線油房坪隧道洞口穿越古滑坡帶時(shí)發(fā)生小型滑坡的原因進(jìn)行了分析并闡述了洞內(nèi)外施工工藝。已有文獻(xiàn)大都以處于施工階段的隧道-滑坡體系為研究對(duì)象，對(duì)于已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)的隧道-滑坡體系研究較少。

本文對(duì)已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)8年的南坪隧道左側(cè)黃土滑坡的變形特征、成因及治理措施進(jìn)行分析，填補(bǔ)內(nèi)蒙地區(qū)隧道-滑坡體系研究的空白，驗(yàn)證前人關(guān)于隧道-滑坡正交體系的研究成果，為類似病害的分析與治理提供理論依據(jù)。

1 工程概述

1.1 南坪隧道

南坪隧道位于大準(zhǔn)鐵路點(diǎn)南支線(里程K19+803— K20+348)，為雙線大跨度隧道，全長(zhǎng)545 m，原設(shè)計(jì)為軟弱圍巖淺埋、偏壓隧道，全隧設(shè)計(jì)為Ⅴ級(jí)圍巖。隧道暗洞段采用新奧法施工，復(fù)合式襯砌，出口偏壓段設(shè)30 m明洞。2015年春季隧道左側(cè)邊墻出現(xiàn)裂紋、縱向裂縫發(fā)育明顯，局部邊墻產(chǎn)生位移，左側(cè)排水溝側(cè)壁傾斜、蓋板鼓起。右側(cè)邊墻裂縫、施工縫等多處滲水嚴(yán)重。后經(jīng)監(jiān)測(cè)及勘察發(fā)現(xiàn)變形主要由隧道左側(cè)山體滑坡所致。

南坪隧道地處晉、陜黃土高原與鄂爾多斯高原的連接處，屬于低中山區(qū)。隧道穿越一自然山體，原有自然山體坡度15°～20°，處于華北地臺(tái)山西臺(tái)背斜與鄂爾多斯臺(tái)向斜接壤處，構(gòu)造單一，為單斜構(gòu)造。南坪隧道洞頂為開挖后人工回填的寬緩平臺(tái)，寬 4 377 m，隧道兩側(cè)為明洞開挖形成的坡率1∶1的1～4級(jí)坡。南坪隧道頂部地形地貌見圖1。

圖1 南坪隧道頂部地形地貌

1.2 南坪隧道左側(cè)滑坡

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查、測(cè)量及深部動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測(cè)結(jié)果，滑坡整體呈扇形，前窄后寬，滑坡坡面整體呈緩-陡-緩臺(tái)階型?；轮骰较?yàn)镾W56°，與隧道走向夾角為87°，滑坡沿路線最大寬度380 m，縱向最大長(zhǎng)度175 m?；潞蟛课挥谏巾斕?，高程為 1 264 m，滑坡前緣位于隧道拱腳處，高程1189 m，滑坡前緣與后緣相對(duì)高差75 m?；伦髠?cè)邊界明顯，受裂縫與小里程側(cè)塌方邊界控制；右側(cè)邊界尚未完全貫通至隧道?；抡w受近SN向裂縫控制，見圖2。

圖2 南坪隧道-滑坡體系平面

滑坡分為前后2級(jí)，見圖3，前級(jí)滑坡滑動(dòng)后，牽引后級(jí)滑坡繼續(xù)發(fā)展?；潞蟛?jī)A角約60°，中部主滑段傾角約10°，前緣反翹約4°～8°擠出。滑體主要由黃土、人工填土及全風(fēng)化砂巖、泥巖組成，滑體厚度17～43 m，滑體體積12×105m3?；瑤е饕獮閺?qiáng)風(fēng)化砂巖與泥巖互層，厚度0.5～1.0 m，滑帶處巖土體含水量較高，巖體揉皺明顯，含少量碎塊石，呈次棱角狀，具有一定磨圓度?；矠閺?qiáng)風(fēng)化砂巖與泥巖互層。南坪隧道滑坡屬于深層大型破碎巖石及黃土復(fù)合滑坡。

圖3 隧道-滑坡體系斷面

2 南坪隧道-滑坡體系變形特征

2.1 隧道內(nèi)部變形特征

南坪隧道襯砌裂損嚴(yán)重，以縱向裂縫為主，多分布在隧道左側(cè)14～18號(hào)避車洞之間邊墻處，有5條縱向貫通裂縫，延伸長(zhǎng)度達(dá)75 m，縫寬約3～5 mm，見圖4(a)。同時(shí)邊墻處也產(chǎn)生45°斜向裂縫，多數(shù)斜向裂縫由邊墻底部延伸至中部，少數(shù)斜向裂縫由邊墻底部延伸至拱頂，裂縫寬度1～3 mm，見圖4(b)。其中以16～18號(hào)避車洞之間隧道襯砌變形最為嚴(yán)重。2015年3月14日—2016年1月14日隧道最大收斂變形達(dá)57 mm，截止2016年4月13日隧道最大收斂變形達(dá)77 mm，收斂速率平均約6 mm/月。

圖4 南坪隧道左邊墻裂損情況

由于滑坡前緣位于隧道左拱腳處，導(dǎo)致隧道左側(cè)14～18號(hào)避車洞之間邊墻向線路方向產(chǎn)生較大位移。K20+058—K20+082段排水溝受擠壓傾倒破壞，最大位移達(dá)28 cm，排水溝蓋板鼓起達(dá)6 cm。18號(hào)避車洞邊墻外移，混凝土脫落掉塊、鋼筋外露，避車洞底板隆起約10 cm，避車洞側(cè)壁出現(xiàn)X形裂縫。K19+831—K19+894段隧道中線處仰拱開裂，張開寬度1～4 cm，可見深度35 cm。隧道邊墻多處施工縫出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)，錯(cuò)臺(tái)最大高度為2～5 cm。

2.2 隧道左側(cè)坡體變形特征

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，隧道左側(cè)邊坡距隧道中線180 m 范圍內(nèi)裂縫發(fā)育，主要發(fā)育4條(LF1—LF4)較明顯的貫通裂縫(見圖5)。LF1,LF4為滑坡主要裂縫。裂縫最大延伸長(zhǎng)度273 m，裂縫最大寬度2.5 m。坡體下錯(cuò)、張拉變形劇烈，最大下錯(cuò)高度1.0 m。主要裂縫特征見表1。

圖5 滑坡裂縫

裂縫長(zhǎng)度/m走向下錯(cuò)高度/m最大寬度/m可見深度/mLF1143NW4°～55°0.5～0.82.53.0～5.0LF2116NW2°～26°0.1～0.30.10.2～0.4LF380NW5°～49°0.1～0.30.10.1～0.3LF4273NW18°～83°0.5～1.00.54.8

綜上，南坪隧道-滑坡體系中，滑坡前緣位于隧道左拱腳處，隧道左邊墻主要受滑坡推力、巖土壓力及巖土抗力作用。隧道變形主要表現(xiàn)為邊墻縱向裂縫延伸長(zhǎng)，45°斜向裂縫延伸至拱頂，襯砌施工縫處多見錯(cuò)臺(tái)，拱腳錯(cuò)位，靠山側(cè)變形程度遠(yuǎn)大于靠河側(cè)。這與文獻(xiàn)[2]中所總結(jié)的滑坡-隧道正交體系中隧道變形特征相符。同時(shí)，隧道內(nèi)排水溝受擠壓傾倒破壞，避車洞側(cè)壁產(chǎn)生X形裂縫，底板隆起，隧道拱頂無(wú)明顯變形。隧道變形主要發(fā)生在受力側(cè)邊墻及拱腳處?；伦冃翁卣髦饕獮楹蟛慨a(chǎn)生數(shù)條明顯的下錯(cuò)貫通裂縫，側(cè)邊界較明顯，但前部和中部未見明顯開裂變形。

3 南坪隧道-滑坡體系變形成因分析

3.1 坡體結(jié)構(gòu)

研究區(qū)黃土廣泛分區(qū)于自然斜坡上，厚度0～39.5 m，局部夾碎石，粒徑20～50 mm。主要發(fā)育2組節(jié)理。1組產(chǎn)狀73°∠88°，間距20～30 cm/條，貫通長(zhǎng)度3～5 m；另一組產(chǎn)狀212°∠85°，間距20～50 cm/條，貫通長(zhǎng)度2～5 m。人工填土主要分布于明洞段中部平臺(tái)上，以砂質(zhì)黃土、黏土為主，密實(shí)，稍濕，厚度0～13.2 m。全～強(qiáng)風(fēng)化砂巖與泥巖互層，巖層走向SW30°，產(chǎn)狀300°∠3°～8°，節(jié)理發(fā)育，全風(fēng)化層厚4.0～13.2 m，呈黏土狀，強(qiáng)風(fēng)化層厚9.7～13.5 m，抗風(fēng)化能力極差，遇水軟化，易崩解，易碎裂。中風(fēng)化砂巖與泥巖互層埋深27 m，巖體較軟，節(jié)理較發(fā)育，抗風(fēng)化能力差。

坡體上部為黃土，垂直節(jié)理發(fā)育且滲漏系數(shù)大，有利于地表水下滲；下部為全～強(qiáng)風(fēng)化砂巖與泥巖互層，泥巖為相對(duì)隔水層，砂巖為透水層。隨著水位變化，地下水易軟化泥巖形成軟弱帶(泥化夾層)，強(qiáng)度急劇降低形成滑帶。同時(shí)降雨入滲使泥巖和土體進(jìn)一步軟化，巖土體強(qiáng)度降低。砂巖及泥巖為順傾向?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)，易形成順層滑動(dòng)。坡體結(jié)構(gòu)不良是滑坡形成的內(nèi)在因素。

3.2 施工擾動(dòng)

在原隧道建設(shè)過(guò)程中，明洞開挖形成近50 m高的臨時(shí)邊坡，坡腳應(yīng)力過(guò)于集中，開挖過(guò)程中邊坡曾不斷發(fā)生坍塌，造成坡體應(yīng)力松弛。較大的臨空面削弱了滑坡抗滑力，在明洞施工后雖進(jìn)行了回填，但在長(zhǎng)期降雨以及地下水作用下坡體逐漸下滑，人工填土及隧道無(wú)法承擔(dān)較大的坡體下滑力，導(dǎo)致隧道左側(cè)邊墻受擠壓變形。施工擾動(dòng)是滑坡形成的外部因素。

3.3 降雨及地下水

研究區(qū)溝谷呈放射狀分布，自然斜坡坡面平緩，地表徑流小，地表水多滲入坡體內(nèi)形成地下水。地下水主要為第四系孔隙潛水、碎屑巖類孔隙裂隙水。水位受季節(jié)性影響大，變化幅度在-3.5～1.5 m。地下水位埋深2.3～37.0 m。隧道左側(cè)邊墻的地下水位埋深為18.2～24.5 m，右側(cè)邊墻地下水位埋深為2.3～8.9 m。

研究區(qū)降雨量較小，但偶發(fā)強(qiáng)降雨使得地表水在短時(shí)間內(nèi)很難以地表徑流的方式排泄，滑體土含水量在很短的時(shí)間內(nèi)迅速提高，巖土體重度增大、抗剪強(qiáng)度降低、抗滑力減弱。同時(shí)地表水下滲及地下水位活動(dòng)軟化了滑帶土，使滑帶土強(qiáng)度急劇降低，最終引發(fā)坡體滑動(dòng)。降雨是滑坡發(fā)展的誘因。

4 滑坡的穩(wěn)定性分析

選取南坪隧道-滑坡體系中部Ⅳ～Ⅵ斷面(參見圖2)進(jìn)行天然、暴雨及地震3種工況下的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算，以分析滑坡整體穩(wěn)定性。

在天然、暴雨及地震3種工況下滑體黏聚力分別為10.0，9.0，9.0 kPa，黃土重度分別為19，20，19 kN/m3，砂巖重度分別為20，21，20 kN/m3，泥巖重度分別為20，21，20 kN/m3，內(nèi)摩擦角通過(guò)反算得到。采用傳遞系數(shù)法[9]及FLAC 3D數(shù)值分析方法對(duì)代表性斷面處坡體穩(wěn)定性進(jìn)行分析。結(jié)果見表2。

表2 代表性斷面處坡體穩(wěn)定系數(shù)

由表2可知，前、后級(jí)滑坡在天然工況下穩(wěn)定系數(shù)分別為1.00～1.05和1.06～1.10，處于欠穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài)；在暴雨工況下穩(wěn)定系數(shù)分別為0.90～0.94和0.98～1.00，處于不穩(wěn)定狀態(tài)；在地震工況下穩(wěn)定系數(shù)分別為0.89～0.92和0.96～0.97，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果與滑坡實(shí)際變形情況吻合。

按照文獻(xiàn)[10]中的規(guī)定，隧道襯砌裂損及滲漏水劣化等級(jí)已達(dá)到AA級(jí)，應(yīng)對(duì)該滑坡及時(shí)整治，防止隨時(shí)間推移滑坡穩(wěn)定性進(jìn)一步降低，滑體加速滑動(dòng)對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)及隧道安全帶來(lái)危害。

5 處治措施

為保證運(yùn)營(yíng)線路的暢通，針對(duì)南坪隧道-滑坡體系病害提出了“刷方減載+施作全埋式錨索抗滑樁+既有隧道襯砌加固+設(shè)置仰斜排水孔及截排水溝”綜合整治措施，如圖6所示。

圖6 南坪隧道-滑坡體系病害治理措施示意

5.1 刷方減載

為減小滑坡推力，延緩隧道變形，為后期進(jìn)一步整治奠定基礎(chǔ)，先對(duì)K19+890—K20+230段隧道左側(cè)滑坡進(jìn)行刷方減載，自隧道頂部一級(jí)平臺(tái)開始刷方，刷方形成五級(jí)邊坡，坡率為1∶1.25～1∶1.5；一級(jí)平臺(tái)寬4～65 m，坡率為1∶20，以便地表水能順利排走；二～四級(jí)平臺(tái)寬分別為5，5，3 m。

5.2 施作全埋式錨索抗滑樁

在隧道左側(cè)距隧道中線22.56～23.06 m設(shè)置全埋式預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁。樁長(zhǎng)邊方向?yàn)镹E56°，樁間距5～6 m。沿小里程至大里程依次布置A型樁(長(zhǎng)2.6 m×寬1.8 m×深32 m)15根，B型樁(長(zhǎng)3.0 m×寬2.0 m×深24 m)4根，C型樁(長(zhǎng)3.0 m×寬2.0 m×深31 m)10根，D型樁(長(zhǎng)3.6 m×寬2.4 m×深34 m)7根，E型樁(長(zhǎng)3.6 m×寬2.4 m×深31 m)8根，F(xiàn)型樁(長(zhǎng)2.6 m×寬1.8 m×深32 m)8根，G型樁(長(zhǎng)2.6 m×寬1.8 m×深30 m)14根，共計(jì)66根抗滑樁?？够瑯稑额^各布設(shè)4束預(yù)應(yīng)力錨索，每束錨索由6根φ15.2高強(qiáng)度、低松弛的1860級(jí)鋼絞線組成，設(shè)計(jì)拉力60 kN，錨固段長(zhǎng)度12 m，傾角25°～28°，鉆孔直徑150 mm。全埋式錨索抗滑樁樁頂距地面3 m，在減少抗滑樁自由段長(zhǎng)度的同時(shí)也減少了錨固段長(zhǎng)度，很大程度上節(jié)約了成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

5.3 既有隧道襯砌加固

對(duì)既有隧道襯砌施作外套拱加固，即在既有隧道襯砌外部施作厚0.6 m的C30鋼筋混凝土襯砌，并依次刷涂TS-EVA多功能防水乳膠、施作3 cm厚M10水泥砂漿找平層、鋪設(shè)EVA防水卷材、最后施作5 cm厚M10水泥砂漿保護(hù)層。隧道外套拱加固段范圍為6號(hào)避車洞向進(jìn)口延長(zhǎng)6 m+6～26號(hào)避車洞+26號(hào)避車洞向出口延長(zhǎng)6.5 m，共計(jì)284.5 m。既有隧道襯砌加固一方面加強(qiáng)了隧道整體受力性能，另一方面也治理了地下水的滲漏，間接治理了隧道凍害問(wèn)題。

5.4 鉆設(shè)仰斜排水孔

為有效疏排地下水，降低地下水位，增強(qiáng)坡體穩(wěn)定性，在既有隧道襯砌加固段，從拱腳設(shè)盲管處，向兩側(cè)山體鉆設(shè)仰斜排水孔。左側(cè)按樁間距5～6 m布設(shè)，右側(cè)統(tǒng)一按5 m布設(shè)。排水孔仰角6°，孔深25～30 m，共109孔，孔口高出拱腳隔水層0.5 m，將山體中地下水排至盲管，最終引至既有隧道側(cè)溝排出。仰斜排水孔孔徑均為110 mm，孔內(nèi)置φ90滲水軟管。

5.5 設(shè)置截排水溝

左側(cè)刷方后一～四級(jí)平臺(tái)后部設(shè)置0.4 m(寬)×0.6 m(深)C20混凝土截水溝，坡面設(shè)置2條縱向0.6 m(寬)×0.6 m(深)C20混凝土排水溝，左右側(cè)坡腳分別設(shè)置1.0 m(寬)×0.8 m(深)C20鋼筋混凝土排水溝。其中截排水溝縱坡均不應(yīng)小于3‰。

5.6 隧道內(nèi)部病害處理

對(duì)于避車洞，將底板隆起處全部鑿除重新施作，確保新建底板鋼筋與原避車洞墻體鋼筋有效連接。邊墻及附近拱頂縱向裂縫采用外貼碳纖維布加固。墻體開裂及內(nèi)擠變形處鑿除破壞部分后用砂漿抹面即可，但應(yīng)確保飾面層與原結(jié)構(gòu)良好黏結(jié)。水溝擠壓變形段適當(dāng)鑿除邊墻，重新鋪設(shè)蓋板或新建排水溝。隧道邊墻滲漏處及錯(cuò)臺(tái)張開處采用嵌補(bǔ)法，即先沿裂縫鑿寬6 cm、深5 cm的溝槽，沿裂縫每隔0.5～0.8 m設(shè)置1根長(zhǎng)15 cm的φ10注漿鋼管，注漿管前端分叉劈開對(duì)準(zhǔn)裂縫，用雙快水泥固定注漿管，通過(guò)注漿管壓注防水水泥漿液，注漿壓力0.3～0.5 MPa，注漿后割掉注漿管外露部分，并用M20水泥砂漿填充溝槽。

6 結(jié)論與建議

1)南坪隧道病害主要由其左側(cè)山體滑坡引起，滑坡滑動(dòng)方向?yàn)镹W56°，與隧道走向夾角87°，南坪隧道-滑坡體系為正交體系，滑坡體積約12×105m3，屬于大型破碎巖石及黃土復(fù)合深層滑坡?；缕矫婢哂卸?jí)滑動(dòng)特征。

2)南坪隧道-滑坡體系中隧道變形主要發(fā)生在受力側(cè)邊墻及拱腳處，主要表現(xiàn)為邊墻縱向裂縫延伸長(zhǎng)，多見錯(cuò)臺(tái)，拱腳錯(cuò)位，排水溝擠壓變形，避車洞底板隆起，靠山側(cè)變形程度遠(yuǎn)大于靠河側(cè)，但拱頂無(wú)明顯變形?；伦冃翁卣髦饕獮楹蟛慨a(chǎn)生數(shù)條明顯的下錯(cuò)貫通裂縫，前部和中部未見明顯開裂。

3)綜合研究區(qū)地質(zhì)條件以及隧道、滑坡變形特征，坡體結(jié)構(gòu)不良是滑坡形成的內(nèi)因，施工擾動(dòng)是滑坡形成的外因，降雨及地下水活動(dòng)是滑坡形成的誘因。

4)滑坡變形明顯，后緣及左側(cè)邊界均基本貫通?；略谧匀还r下處于欠穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài)，襯砌裂損及滲漏水劣化等級(jí)已達(dá)到AA級(jí)，在暴雨及地震工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行整治。

5)采用“刷方減載+施作全埋式錨索抗滑樁+既有隧道襯砌加固+設(shè)置仰斜排水孔及截排水溝”綜合治理措施，既能達(dá)到病害整治要求，又能保證施工期間鐵路運(yùn)營(yíng)安全，同時(shí)也具有較好的經(jīng)濟(jì)性。