張乾坤 謝明皆 羅龍 王秉勇 趙子傲

（1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.中鐵科學(xué)研究院有限公司深圳分公司，廣東深圳 518000；3.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730000；4.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地理與信息工程學(xué)院，武漢 430074）

我國地域遼闊，地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害也較為廣泛。滑坡是山區(qū)鐵路隧道最有害、最普遍的地質(zhì)災(zāi)害之一［1］。隨著我國高速鐵路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，高速鐵路隧道山體滑坡越來越多。高速鐵路隧道洞口淺埋段淺層滑坡致使隧道無法正常進(jìn)洞施工，會對后期運(yùn)營安全造成巨大隱患。大量學(xué)者對隧道洞口山坡滑坡問題進(jìn)行了許多研究。王國欣等［2］以浙江省杭千高速公路橫路頭隧道洞口為例，從地質(zhì)因素、水的作用及人為因素3個(gè)方面分析了滑坡產(chǎn)生的機(jī)制；尉學(xué)勇等［3］針對汕昆高速公路烏沙隧道出口滑坡重點(diǎn)分析了仰坡滑坡和右側(cè)滑坡的相互作用關(guān)系、滑坡形成的內(nèi)因和外因，采用抗滑樁、異形樁間擋板、鋼管樁等措施進(jìn)行綜合治理，取得了良好的效果；劉宇平等［4］從地質(zhì)條件、降雨及施工擾動的影響方面分析了滑坡發(fā)生的原因，給出了隧道洞口內(nèi)外結(jié)合的綜合施工技術(shù)方案，闡述了洞內(nèi)外施工工藝，通過監(jiān)控量測數(shù)據(jù)結(jié)果證明了整治方案效果顯著。李曉旭［5］以大營神池高速公路溫嶺隧道滑坡為例，探討了滑坡產(chǎn)生的原因，提出了綜合加固治理方案，并通過有限元計(jì)算驗(yàn)證了預(yù)期效果；王亞瓊等［6］分析了平阿高速公路青沙山隧道滑坡的變形原因和穩(wěn)定性，提出了具有針對性的治理方案，并對滑坡體和隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)監(jiān)測和動態(tài)反饋。許淑珍等［7］總結(jié)了青蘭高速公路青皮塔隧道縱環(huán)向注漿聯(lián)合支護(hù)施工技術(shù)，并驗(yàn)證了該方案可以有效提高黃土隧道圍巖的穩(wěn)定性；楊小剛等［8］以敘大鐵路佘家坡隧道洞口滑坡為例，分析了滑坡成因及穩(wěn)定性，并對采用的滑坡坡腳回填反壓、滑坡下部設(shè)置抗滑樁等綜合治理措施的效果進(jìn)行了分析；楊建民［9］通過大規(guī)模現(xiàn)場試驗(yàn)和理論分析，對以張茅隧道為代表的鄭西高速鐵路大斷面黃土隧道群建設(shè)成套技術(shù)進(jìn)行了研究；賀廷西等［10］對石太客運(yùn)專線南莊隧道出口段采用了圍巖預(yù)加固及輔助施工措施，并通過監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，有效地控制了大斷面黃土隧道圍巖的變形。

雖然上述研究和工程案例實(shí)踐對于隧道洞口滑坡治理取得了一些理論和經(jīng)驗(yàn)成果，但是由于隧道洞口滑坡自身特征、地形地質(zhì)條件和周圍環(huán)境的差異性，盲目地采取工程措施進(jìn)行滑坡治理，往往會造成一定的損失。本文以一客運(yùn)專線黃土隧道洞口山體滑坡為例，從地形地貌、滑坡形態(tài)、施工影響、過程管理等方面對滑坡原因進(jìn)行初步分析，總結(jié)關(guān)于黃土隧道洞口邊坡穩(wěn)定性分析經(jīng)驗(yàn)和管控技術(shù)要點(diǎn)，研究成果可為同類黃土隧道洞口滑坡治理提供一定的參考。

1 工程概況

該客運(yùn)專線隧道地處于黃土高原梁峁區(qū)，全長961 m，洞身埋深100～150 m，隧道出口位于黃土梁坡腳部位。

洞身穿過地層主要為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土和中更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土，主應(yīng)力σ0=150～180 kPa。出口端表層砂質(zhì)黃土為松軟土，層厚15～20 m。

隧道出口端原始地貌簡單，但山坡較為陡峭，進(jìn)洞措施為拱部一環(huán)?108管棚，臨時(shí)仰坡采用錨噴網(wǎng)防護(hù)。

1.1 進(jìn)洞施工

由于仰坡原始地面較陡，施工中本著不擾動原山坡的原則沒有進(jìn)行仰坡刷方，直接在原地面按設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仰坡加固和施作截排水工程。為保證進(jìn)洞安全，在開挖前先行施作了10 m的防護(hù)棚洞（鋼架噴混凝土），同時(shí)在出口右側(cè)對原始地表的水坑進(jìn)行了回填反壓，坡腳部位反壓土體的高度約2 m。

1.2 山體滑坡情況

隧道出口端進(jìn)洞掘進(jìn)523 m時(shí)，于某日凌晨整個(gè)仰坡發(fā)生大面積滑動，坍體掩埋洞口，所幸救援得力，被封洞內(nèi)5人成功獲救。

根據(jù)該黃土隧道仰坡滑動后的現(xiàn)場調(diào)查，通過必要的邊坡穩(wěn)定性分析，結(jié)合國內(nèi)部分隧道仰坡發(fā)生失穩(wěn)的案例，論述仰坡穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和相關(guān)的處置方法。

2 原因分析

2.1 地形地貌

該客運(yùn)專線隧道出口位于黃土梁西面坡的坡腳處，該坡坡面完整，但相對較陡峭，沒有陷穴及明顯的沖溝，由此表明該山坡歷史上未曾出現(xiàn)過類似地質(zhì)災(zāi)害。出口處地面為洪亮營河洪積平原，緊鄰洞口的洪亮營河河床在干旱季節(jié)可見大小不一的水洼，洞口處黃土山體坡腳受到地下水的作用和冬春之交的凍融作用影響［1］。另外，當(dāng)?shù)卮迕裨谒淼莱隹谟覀?cè)坡腳曾設(shè)一個(gè)磚廠，而洞口右側(cè)較遠(yuǎn)處山體為磚廠取土場，施工早期已經(jīng)對坡腳切削，洞口位置的切削比較輕微，破壞了黃土邊坡的自然穩(wěn)定狀態(tài)，影響了邊坡穩(wěn)定性。整體形貌見圖1。

圖1 隧道出口地形

隧道進(jìn)洞前未擾動原始邊坡，只做了截水溝和表面防護(hù)，鑒于該處邊坡陡峭，也對洞口處積水坑和坡腳進(jìn)行了回填反壓。從整體山坡看，隧道縱斷面顯示的仰坡部位綜合坡度約為51°（約1∶0.8），但是自然山坡的最陡方向與線路方向的夾角約30°（圖1滑坡主軸方向），實(shí)際自然坡度接近60°。半坡以上至坡頂段山坡逐漸變緩，坡度約為45°。經(jīng)施工前坡腳處外露土層調(diào)查發(fā)現(xiàn)，土層節(jié)理發(fā)育，傾向西的節(jié)理面傾角約為70°，符合黃土地層垂直節(jié)理發(fā)育的外部特征［5］，為山坡失穩(wěn)提供了先天條件。

2.2 滑坡后基本形態(tài)

災(zāi)害發(fā)生后，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，整個(gè)山坡屬于沿一組節(jié)理面的整體滑動，從滑坡后壁看整個(gè)滑動面沿著約70°的斜面下錯(cuò)，屬于錯(cuò)落型滑坡（見圖2）。

圖2 滑坡全貌

從山坡整體滑塌的形態(tài)（圖2）判斷是隧道出口右側(cè)山坡首先整體失穩(wěn)，發(fā)生滑動后帶動了洞口頂部山坡發(fā)生了二次滑塌。由于洞口段已經(jīng)完成隧道的二次襯砌，巨大的下滑力導(dǎo)致洞口段二次襯砌也發(fā)生了多條縱向開裂，結(jié)構(gòu)幾近毀壞，也直接說明結(jié)構(gòu)瞬間承受了巨大荷載。

2.3 山坡穩(wěn)定性分析

針對該山坡，分別取沿隧道軸線縱斷面和滑坡主斷面2個(gè)典型斷面進(jìn)行山體原始狀態(tài)穩(wěn)定性分析。坡體土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 坡體土體物理力學(xué)參數(shù)

本次計(jì)算采用剛體極限平衡方法（Morgensten&Price法）并利用邊坡工程專業(yè)軟件Geo?Slope的Slope/W軟件包進(jìn)行山體穩(wěn)定性計(jì)算。計(jì)算簡圖見圖3。

通過計(jì)算得出，該山坡沿隧道軸線縱斷面穩(wěn)定性系數(shù)Fs=0.814，沿滑坡主斷面穩(wěn)定性系數(shù)Fs=0.570，根據(jù)路塹邊坡穩(wěn)定性檢算，穩(wěn)定性系數(shù)應(yīng)不小于1.25，故該山坡屬于完全不穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，確定該山體沿隧道主軸方向和坡體主方向也處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 穩(wěn)定性計(jì)算簡圖

2.4 人類活動

1）隧道進(jìn)洞前調(diào)查發(fā)現(xiàn)，坡腳部位明顯被人為切削而不是設(shè)計(jì)勘察階段所見到的原始地表。從后期勘察階段的衛(wèi)星圖片可以看出，洞口處的原始地貌特別是洞口右側(cè)山坡坡腳較原始設(shè)計(jì)圖已經(jīng)發(fā)生很大的變化。正是由于切削坡腳造成山坡累計(jì)變形增大，在其他因素的誘發(fā)下發(fā)生滑坡，而施工單位對此現(xiàn)象沒有引起足夠的重視，沒有對山坡進(jìn)行施工前的穩(wěn)定性評價(jià)。

2）由于隧道掘進(jìn)作業(yè)的影響，不可避免地造成坡腳部位地層的松動，加快了坡腳部位土體內(nèi)力的重分布也是誘發(fā)山體滑動的因素之一。

3）由于坡面陡峭，施工單位在施工過程中也疏于對山坡裂縫的詳細(xì)監(jiān)控，以至于發(fā)展成為突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害。

3 滑坡治理

滑坡發(fā)生后，設(shè)計(jì)單位為了對該山坡病害徹底整治，進(jìn)行了詳細(xì)的現(xiàn)場調(diào)查，結(jié)合地形特點(diǎn)，最終提出了大清方并反壓隧道右側(cè)不穩(wěn)定山坡的綜合治理方案。治理方案主斷面如圖4所示。

圖4 治理方案主斷面（單位：m）

4 滑坡原因分析

隧道工程的仰坡已經(jīng)發(fā)生過各種類型的災(zāi)害，從高陽寨到洪亮營，不論是巖質(zhì)山坡還是土質(zhì)山坡，一旦邊坡失穩(wěn)則后果都是災(zāi)難性的，有些隧道在施工階段仰坡就失穩(wěn)，有些是運(yùn)營階段才失穩(wěn)。如果洪亮營的仰坡是運(yùn)營階段發(fā)生滑坡，盡管首先滑動是線外部分，但影響的是線內(nèi)，其后果也是不堪設(shè)想。為此，從勘察、設(shè)計(jì)到施工，必須要對仰坡給予足夠的重視，并進(jìn)行嚴(yán)格的穩(wěn)定性評價(jià)并采取切實(shí)可行的工程措施。

4.1 勘察設(shè)計(jì)

勘察設(shè)計(jì)階段如果充分論證了隧道仰坡的整體穩(wěn)定問題，則有了充分的保障。如果勘查階段對該隧道的仰坡以及相鄰邊坡進(jìn)行全面復(fù)核，應(yīng)該會發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定性方面存在的不足。對邊坡的穩(wěn)定性評價(jià)不能僅針對縱斷面，而要對整個(gè)山坡進(jìn)行最危險(xiǎn)斷面的全面評價(jià)。同時(shí)在設(shè)計(jì)文件中要明確提出要求，施工前必須復(fù)核地形，若與設(shè)計(jì)出入較大必須報(bào)告相關(guān)部門進(jìn)行處理。

鑒于設(shè)計(jì)單位專業(yè)分工方面的問題，建議設(shè)計(jì)單位將隧道工程的仰坡部分由路基人員作專項(xiàng)的穩(wěn)定性評價(jià)。

4.2 施工階段

已有文獻(xiàn)對于隧道仰坡的描述都比較簡單。趙勇等［11］論述了黃土及黃土隧道修建技術(shù)的各個(gè)方面，但論述的重點(diǎn)明顯偏重于洞內(nèi)支護(hù)設(shè)計(jì)、開挖工法、變形控制等方面，而沒有對黃土隧道的進(jìn)洞與地形地貌、山坡穩(wěn)定等的關(guān)系進(jìn)行更深入的論述，同時(shí)對仰坡的穩(wěn)定性分析也側(cè)重于人工仰坡的穩(wěn)定分析以及邊坡的防護(hù)措施。Q/CR 9511—2014《鐵路黃土隧道技術(shù)規(guī)范》較全面地提出了黃土隧道洞門選擇的注意事項(xiàng)，但是針對具體地形地貌操作性并不強(qiáng)。

施工前應(yīng)作好隧道工程進(jìn)洞前審核和仰坡穩(wěn)定性評價(jià)工作，一方面認(rèn)真核對地形、地貌等地質(zhì)資料，制定詳細(xì)的施工方案；另一方面，復(fù)核原地形構(gòu)建有限元模型進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評價(jià)。鑒于有限元模擬結(jié)果與量測結(jié)果相近，具有較高的可靠性，可考慮以有限元模擬計(jì)算數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)合TB 10601—2009《高速鐵路工程測量規(guī)范》編制有針對性的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測方案。在施工過程中作好監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及穩(wěn)定性評價(jià)，為現(xiàn)場安全施工提供參考，降低黃土隧道洞口施工安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，審圖要細(xì)致，有疑問時(shí)要提出來，比如一客運(yùn)專線的古城嶺隧道出口，近60 m高的仰坡設(shè)計(jì)是1∶1一坡到頂，土質(zhì)為泥巖和黃土，施工階段提出疑義后設(shè)計(jì)單位及時(shí)進(jìn)行了變更處理；而另一條客運(yùn)專線的國慶山隧道進(jìn)口的仰坡太高，直到通車后工務(wù)部門提出疑問才進(jìn)行變更，此階段施工則存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

施工監(jiān)理在施工準(zhǔn)備階段也要認(rèn)真分析，深刻領(lǐng)會設(shè)計(jì)意圖，仔細(xì)審核施工方案，全面研究各重點(diǎn)環(huán)節(jié)，對仰坡安全性評價(jià)也要放到關(guān)鍵環(huán)節(jié)來進(jìn)行控制。

4.3 施工質(zhì)量

盡管該隧道仰坡失穩(wěn)與洞內(nèi)施工質(zhì)量及臨時(shí)加固質(zhì)量沒有直接的關(guān)系，但作為一個(gè)統(tǒng)一體，必須重視質(zhì)量控制，特別是坡腳部位的洞身開挖及支護(hù)措施至關(guān)重要。應(yīng)盡量控制開挖變形以有效控制坡腳的松弛，進(jìn)而確保仰坡的整體穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

1）勘察、設(shè)計(jì)、施工全過程應(yīng)全面重視隧道仰坡的長期穩(wěn)定性，徹底清除所有隱患。

2）勘查階段不僅要評價(jià)仰坡部位的山體穩(wěn)定性，而且要全面考查洞口周邊地形地貌并評價(jià)其穩(wěn)定性以及一旦失穩(wěn)后對線路可能造成的危害。

3）施工進(jìn)洞前要全面核查地形、地貌，對仰坡以及周邊邊坡再進(jìn)行一次全面的穩(wěn)定性評價(jià)，以消除所有影響施工和運(yùn)營安全的不穩(wěn)定因素，并且將此過程作為施工方案的一部分列入施工組織設(shè)計(jì)中。

4）嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)要求，進(jìn)洞前不亂挖坡腳、不盲目刷坡，及時(shí)施作防護(hù)及預(yù)加固措施，一切準(zhǔn)備工作完成后才能正式進(jìn)洞施工。掘進(jìn)期間加強(qiáng)對仰坡的變形監(jiān)測及現(xiàn)場巡查。