西南某高速公路隧道進(jìn)口邊坡穩(wěn)定性分析及評價(jià)

吳兆敬

(四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院， 四川成都 610017)

1 工程概況及問題由來

日地1#隧道位于康定縣日地村與上瓦斯村之間，走向同318國道平行，為雙洞分離式長越嶺隧道，左右線軸線相距約30 m。隧道最大埋深513 m。

日地1#隧道施工采用從出口端往進(jìn)口端單向掘進(jìn)，于2016年9月28日開挖出洞，初期支護(hù)采用I18型鋼拱架，縱向間距80 cm，完成二次襯砌后2016年11月4日左右洞之間邊坡出現(xiàn)裂縫，裂縫長度約10 m，平行有兩條裂縫，相隔2 m，裂縫寬度1～3 cm，洞口垮塌約300 m3。二次襯砌完成后，2017年3月2日，有關(guān)單位在監(jiān)控量測時(shí)在洞內(nèi)分別于樁號K118+498、K118+503、K118+510處上發(fā)現(xiàn)三組近于貫通且左右側(cè)壁對稱的橫向裂縫，隨即開展變形觀測等工作。

為查明該邊坡的工程地質(zhì)特征、變形機(jī)制及對日地1#隧道和喇嘛嘴溝大橋可能產(chǎn)生的危害，為設(shè)計(jì)治理提供合理的地質(zhì)依據(jù)，工作組在詳勘資料、隧道開挖資料、現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用鉆探、地面高密度電法等綜合勘察手段，對該邊坡進(jìn)行了工程地質(zhì)勘察。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

日地1#隧道進(jìn)口段位于日地喇嘛嘴溝左岸斜坡坡腳部位，屬典型的深切割“V”型高山峽谷地貌區(qū)。谷底寬約26 m，亂石林立，工程區(qū)段縱坡坡降約27 %。兩岸斜坡陡緩相間，地形坡度在30～45°，局部可達(dá)55°。

2.2 氣象水文

隧址區(qū)位于康定河下游，屬青藏高原亞濕潤氣候區(qū)，具高原氣候特征，氣候干燥，日照充分、晝夜溫差大，常年無夏、冰雪期長?？刀杲邓?03.8 mm，多集中在五月到九月，占全年的60%～85%，多暴雨和連綿雨，最大日降雨量達(dá)96.1 mm，最長連綿雨長達(dá)58 d，雨量達(dá)427.5 mm。

2.3 地層巖性

2.4 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)構(gòu)造部位上處于NE向龍門山斷裂帶和NW向鮮水河斷裂帶及SN向安寧河斷裂帶構(gòu)成的“Y”字形構(gòu)造交匯處北西部，受斷裂影響，區(qū)內(nèi)巖體較發(fā)育，完整性較差。

隧址區(qū)地表風(fēng)化裂隙密集發(fā)育，普遍張開，半充填巖屑及黏土，部分無充填，且常沿一組陡傾順坡向裂隙卸荷張開。隨著埋深的增加和風(fēng)化、卸荷程度的降低，裂隙發(fā)育程度有逐漸減少的趨勢，但具不均一性。

日地1#隧道進(jìn)口段(研究區(qū))主要發(fā)育J1、J2、J3、J4和J5五組裂隙。

(1) J1：產(chǎn)狀 80°∠70°，間距1～3 m，開度約1～3 mm，局部可達(dá)30～40 cm，裂面平直。因順坡發(fā)育，常沿該組裂隙追蹤發(fā)育為寬大的卸荷裂隙，大多充填巖屑及灰白色可塑狀黏土，地表可見延伸長度大于10 m。該裂隙與邊坡走向基本一致，陡傾坡外，為控制邊坡穩(wěn)定的主要結(jié)構(gòu)面。

(2) J2：產(chǎn)狀78-83°∠25-32°，間距0.05～0.5 m左右，微張，開度約為2～4 mm，節(jié)理面較光滑平整，可見延伸長度3～5 m。鉆孔揭示充填物以巖屑為主，裂面附近可見厚1～3 mm的黏土；該組裂隙為順坡向中緩傾裂隙，與J1組合，為控制邊坡穩(wěn)定的滑移面。該裂隙與邊坡走向基本一致，緩傾坡外。

(3) J3：產(chǎn)狀269°～270°∠66°～84°，間距0.1～1.00 m左右，微張，開度約為1～3 mm，局部泥質(zhì)充填，節(jié)理面較光滑平整，可見延伸長度2～6 m。該裂隙陡傾坡內(nèi)。

(4) J4：產(chǎn)狀301°∠28°，間距0.20～0.50 m左右，微張，開度約為1～3 mm，無充填或半充填泥質(zhì)或巖屑，節(jié)理面較平整，可見延伸長度3～5 m。該組裂隙傾向與邊坡坡向大角度斜交，為可能的側(cè)向切割面。

(5) J5:175°∠70°，開度約為1～3 mm，無充填或半充填灰黃色可塑黏土，節(jié)理面較平整，可見延伸長度大于5 m。該組裂隙傾向與邊坡坡向近于直交，為可能的側(cè)向切割面。

2.5 水文地質(zhì)

隧址區(qū)地表水主要為瓦斯溝、喇嘛嘴溝及日地溝流水，其中瓦斯溝為該區(qū)域最低侵蝕基準(zhǔn)面，瓦斯溝、喇嘛嘴溝、日地溝常年有水。

隧址區(qū)地下水主要為松散土層孔隙水和基巖裂隙水。

3 隧道進(jìn)口段邊坡變形原因分析

3.1 隧道進(jìn)口段邊坡變形特征

3.1.1 坡面變形特征

左右兩洞之間已發(fā)生垮塌。塌方前緣左側(cè)擋墻部位亦存在拉裂縫。坡腳部位仍然存在大量與坡面走向一致的張拉裂縫。

在隧道洞頂以上距離洞口約40～50 m處的斜坡坡面清晰可見臺階狀陡坎，且該段地表樹木生長普遍歪斜，而其上游的樹木生長正常，下游樹木部分歪斜，可間接確定為本段邊坡變形的邊界。

從2016年10月23日至2017年5月25日，日地1#隧道進(jìn)口段已經(jīng)產(chǎn)生裂縫的地段地表累計(jì)變形量達(dá)到90～105 mm，且一直在沉降過程中。

3.1.2 洞內(nèi)變形特征

右線洞內(nèi)二次襯砌洞壁上出現(xiàn)三條明顯的橫向裂縫L1、L2、L3，其中L1、L2裂縫近于貫通隧道全斷面。三條裂縫兩壁的裂縫產(chǎn)狀及發(fā)展方向基本一致，均表現(xiàn)為順坡向發(fā)育的特點(diǎn)。從單條裂縫上下兩壁變形位移來看，上壁位移方向主要為水平向(即與裂縫傾向一致)，豎直向位移幾乎為零。通過現(xiàn)場測量，隧道底板處裂縫最大水平向位移5 mm，豎向位移約1 mm。

據(jù)監(jiān)測資料，日地1#隧道進(jìn)口段已經(jīng)產(chǎn)生裂縫地段從2017年3月2日至2017年5月23日隧道拱頂及仰拱部位累計(jì)變形量一般在3.0～5.8 mm，且一直在緩慢沉降過程中，部分觀測數(shù)據(jù)有突變，顯示出隧道的變形未收斂，隧道仍在繼續(xù)變形中(圖1)。變形后裂縫位移監(jiān)測頂拱變形小的原因是由于巖體蠕動變形相對位移小，滑體與滑床尚未完全分開，且?guī)r體變形后正值枯水期及施工結(jié)束，巖體的應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到了暫時(shí)的平衡，變形量相對較小。

圖1 K118+504斷面拱頂沉降變化趨勢

3.2 邊坡變形成因機(jī)制

3.2.1 地形地貌因素

日地1#隧道進(jìn)口段位于日地喇嘛嘴溝左岸斜坡，屬典型的深切割“V”型高山峽谷地貌區(qū)。斜坡坡度一般坡度在30～45°，局部可達(dá)55°，邊坡開挖后，洞口邊坡局部直立，臨空條件較好。此外，隧道處于微凸出的山脊地形上，兩側(cè)亦具有臨空條件。

3.2.2 地質(zhì)構(gòu)造因素

幾組裂隙特征：J1：產(chǎn)狀 80°∠70°，J2：產(chǎn)狀78-83°∠25-32°，J3：產(chǎn)狀269°～270°∠66°～84°，J4：產(chǎn)狀301°∠28°，J5:175°∠70°。 各組裂隙與斜坡的關(guān)系詳見下圖2、圖3。

圖2 邊坡巖體裂隙組合BIM模型

圖3 裂隙持平投影

從赤平投影分析圖可見，J1、J2兩組裂隙均傾向坡外，結(jié)構(gòu)面組合交線傾向坡外，傾角遠(yuǎn)小于坡角，其傾角一緩一陡，組合成的楔形體對邊坡的穩(wěn)定極為不利。J4、J5兩組結(jié)構(gòu)面構(gòu)成了其側(cè)向切割面。邊坡裂隙的組合將組成潛在不穩(wěn)定的楔形塊體。

3.2.3 巖性因素

通過鉆探，發(fā)現(xiàn)巖體中存在明顯錯(cuò)動面。ZK2號鉆孔錯(cuò)動面傾角25～30°，裂面光滑充填黏土，沿裂隙面附近的巖石風(fēng)化嚴(yán)重。ZK3號鉆孔錯(cuò)動面同樣主要由巖屑及黏土充填，傾角25～28°。這兩組裂隙在傾角和埋深上大體一致，推測為滑面底界(即上述的J2裂隙)。另外在強(qiáng)風(fēng)化巖體中還發(fā)育數(shù)條陡傾角70°～80°裂隙，裂面仍然充填灰白色、灰色巖塊、巖屑及黏土。

此外，在中風(fēng)化巖體中，風(fēng)化卸荷裂隙仍以陡傾角為主，裂面粗糙，嚴(yán)重～輕微銹染均有發(fā)育，巖體中存在差異性風(fēng)化現(xiàn)象，在裂隙發(fā)育或擠壓帶部位巖體風(fēng)化相對嚴(yán)重，呈強(qiáng)～全風(fēng)化狀。裂隙發(fā)育帶或擠壓帶(面)為巖體中的不利結(jié)構(gòu)面，為巖體滑動或變形提供了邊界條件。

3.2.4 水文地質(zhì)因素

該隧道基巖裂隙水較發(fā)育，受構(gòu)造影響裂隙連通率較高，貫通性較好，為地下水活動提供了較好的導(dǎo)水條件。通過裂隙面銹染程度、充填物潮濕性、充填物類型上分析，強(qiáng)卸荷帶內(nèi)巖體具有地表水入滲的良好通道，且河流的下切基準(zhǔn)面較低，為地下水的流動提供客觀條件。因此，在連續(xù)降雨條件下，風(fēng)化卸荷帶內(nèi)的地下水可能較豐富，對邊坡的穩(wěn)定極不利。

綜上所述，該段巖質(zhì)邊坡處臨空條件良好、巖體卸荷松弛嚴(yán)重、巖體中發(fā)育的各種裂隙形成不利的組合是引起該段巖體發(fā)生變形的主觀原因，而巖體滲透性及裂隙導(dǎo)水性良好有利于地表水入滲軟化巖體，造成巖體及結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度較低、隧道施工爆破震動及開挖隧道加大臨空空間和應(yīng)力重分布等原因，是引起該段巖體變形的客觀原因。

4 邊坡穩(wěn)定性評價(jià)

4.1 定性評價(jià)

目前右洞地表監(jiān)測累計(jì)最大變形量已達(dá)105 mm，洞內(nèi)襯砌裂縫可觀測到的最大變形約5 mm，洞內(nèi)頂拱變形監(jiān)測累計(jì)最大變形量已達(dá)5.1 mm。雖變形量總體不大，但表明雖歷經(jīng)近1.5月，其變形仍在緩慢發(fā)展。表明滑面可能沒有完全貫通，邊坡通過變形協(xié)調(diào)應(yīng)力重新分布后，巖體應(yīng)力仍然在尋求新的平衡過程中，邊坡整體處于蠕動變形狀態(tài)。但這與變形以來停止施工和正處于枯水期無明顯的地表水入滲息息相關(guān)。邊坡前緣的喇嘛嘴溝大橋基坑開挖必將使邊坡進(jìn)一步臨空，小樁號側(cè)的龍進(jìn)隧道施工難免爆破震動，特別是雨季即將來臨，暴雨將導(dǎo)致大量地表水通過裂隙滲入到巖體中進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度，且本區(qū)地震烈度高，不排除在連續(xù)暴雨及地震等極端工況條件下裂面貫通的可能性，繼而誘發(fā)邊坡的整體失穩(wěn)。因此，日地1#隧道進(jìn)口段巖體在目前狀態(tài)下暫時(shí)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在連續(xù)降雨或地震狀態(tài)下將處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

需要特別指出的是：日地1#隧道左洞目前雖未變形，這與左洞開挖后未經(jīng)歷雨季有關(guān)，也可能與左洞因未襯砌難以發(fā)現(xiàn)較小的變形有關(guān)，但左洞與右洞所處地形地質(zhì)結(jié)構(gòu)基本一致，不排除左洞在暴雨及地震作用下失穩(wěn)的可能。

4.2 定量評價(jià)

4.2.1 滑體重度

場地區(qū)內(nèi)基巖產(chǎn)生變形段主要為花崗巖，根據(jù)試驗(yàn)成果，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖天然重度為24.0 kN/m3，飽和重度取為24.5 kN/m3，中風(fēng)化花崗巖天然重度為25.0 kN/m3，飽和重度取為25.5 kN/m3。在滑坡穩(wěn)定性驗(yàn)算及推力計(jì)算時(shí)，天然工況下滑體取天然重度，暴雨工況下滑體按全飽水計(jì)算，取飽和重度。

4.2.2 滑帶抗剪強(qiáng)度

據(jù)臨近某大型水電站同類巖體大結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果，本研究區(qū)內(nèi)強(qiáng)卸荷帶的陡傾角卸荷裂隙，其內(nèi)摩擦角φ值統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值為31.38°，凝聚力C統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值為100 kPa。緩傾角裂隙屬巖屑夾泥性結(jié)構(gòu)面，其內(nèi)摩擦角φ值統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值為26.1°，凝聚力C統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值為50 kPa。

4.2.3 計(jì)算方法及采用公式

采用折線形滑面的傳遞系數(shù)法(規(guī)范推薦)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型見圖4。計(jì)算公式為：Ei=ΨiEi-1+KTi-Ri。

圖4 右線隧道洞軸線計(jì)算斷面示意

4.2.4 計(jì)算工況

對邊坡的潛在滑面穩(wěn)定性計(jì)算及推力計(jì)算考慮三種工況： 天然工況、暴雨或連續(xù)降雨工況、地震工況。

4.2.5 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果及分析

滑面采用巖屑夾泥性結(jié)構(gòu)面參數(shù)(表1)。

表1 穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

注：從物探成果來看，ZK2、ZK3之間的推測滑面附近處于高阻區(qū)，說明巖體相對完整，裂隙應(yīng)屬剛性、無充填結(jié)構(gòu)面，故該段(表中Ⅱ段)抗剪參數(shù)采用其統(tǒng)計(jì)值：內(nèi)摩擦角φ值統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值為36°，凝聚力C統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值為60 kPa。

各工況下穩(wěn)定性計(jì)算成果見表2。

表2 各工況下穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算表

由表2可知，邊坡在天然工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，安全儲備不足；暴雨及地震工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定系數(shù)均不滿足JTGD 30-2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)安全系數(shù)的要求。

根據(jù)上述定性及定量分析認(rèn)為:

對于兩洞之間已垮塌的邊坡，目前即處于蠕變狀態(tài)，坡面 變形裂縫明顯，在極端工況下，易發(fā)生新的滑動破壞，穩(wěn)定性差。

計(jì)算結(jié)果表明，日地1#隧道進(jìn)口段邊坡在天然工況下其穩(wěn)定系數(shù)K=1.124，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果與病害現(xiàn)狀基本吻合。在非正常工況I(暴雨工況)下穩(wěn)定系數(shù)K為1.0左右，不穩(wěn)定。在非正常工況II(地震工況)下穩(wěn)定系數(shù)K為1.01～1.05之間，不穩(wěn)定。因病害發(fā)生后本段邊坡未經(jīng)歷雨季及暴雨，不能排除在后期施工及暴雨、地震等極端工況下，存在沿潛在滑面產(chǎn)生大規(guī)?；瑒拥牡刭|(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，必須采取可靠的工程處治措施，確保隧道和橋梁的安全。

5 建議處理措施

由于本區(qū)降雨較為集中，坡面覆蓋層及基巖均具有良好的滲透性，坡面水滲入地下后將快速運(yùn)移并軟化結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角對穩(wěn)定系數(shù)最為敏感，而水是控制結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角的最直接因素。因此，建議設(shè)計(jì)根據(jù)穩(wěn)定性計(jì)算成果，采用暴雨工況作為設(shè)計(jì)控制工況，采用排水與抗滑結(jié)合的綜合處治措施，必要時(shí)可采取前緣堆載反壓或?qū)娓浇鼛r土體采取固結(jié)灌漿措施以提高滑面的抗剪強(qiáng)度?？够瑯稑抖思板^索錨固端應(yīng)嵌入中風(fēng)化弱卸荷帶內(nèi)一定深度，具體樁長及錨索長度以設(shè)計(jì)計(jì)算予以確定。