某黃土隧道口溜塌和錯落共生成因分析

王在嶺

(北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070)

陜北黃土高原滑坡崩塌等邊坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，據(jù)統(tǒng)計，2001年至2014年陜西境內(nèi)黃土地區(qū)共發(fā)生傷亡性地質(zhì)災(zāi)難63起，造成237人死亡，87人受傷。從災(zāi)害類型看，主要以崩塌為主，滑坡次之，泥石流較少[1]。筆者在陜北黃土高原地區(qū)工作時，遇到一起隧道進口的邊坡破壞，其表現(xiàn)為淺層溜塌和深層錯落共生，其發(fā)生機理和原因很有特點，現(xiàn)整理出來，希望本文能對廣大工程技術(shù)人員有所啟發(fā)和幫助。

1 概況

某隧道位于黃土梁峁區(qū)，下鉆一個黃土峁，進出口為沖溝，全長660 m，最大埋深117.8 m，進口設(shè)計明洞長7.3 m。進出口沖溝內(nèi)有少量流水，自西向東匯入延河上游，其中進口修有小型水庫。進出口山體自然邊坡40～60°，表層覆蓋少量植被，如圖1所示。

圖1 隧道區(qū)地貌Fig.1 Topography of tunnel

隧道洞身位于土石界面附近，圍巖分級為Ⅳ～Ⅴ級，進出口為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積成因的新黃土覆蓋，塑性指數(shù)Ip=7.4～8.9，為砂質(zhì)新黃土。天然孔隙比e0=0.833～1.531，標準貫入錘擊數(shù)5擊，結(jié)構(gòu)疏松。

2016年3月18日上午，隧道進口發(fā)生邊坡破壞變形，如圖2所示。

2 邊坡變形破壞過程

2.1 施工過程及邊坡破壞記錄

2015年10月17日，建設(shè)單位組織參建各方進行現(xiàn)場核對，沒有發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)情況。12月19日～2015年12月30日邊仰坡刷坡。12月31日～2016年1月6日導(dǎo)向墻施工。

2016年3月7日、3月8日施工管棚6根，分別 為 18#、20#、23#、25#、27#、29#， 接 長 套 拱3 m，計劃完成套拱后施工洞口兩側(cè)正面防護。大管棚施工6根時，被業(yè)主叫停。3月10日～3月14日施工接長套拱，3月15日～3月17日套拱內(nèi)初支鋼架施工。3月18日上午發(fā)生邊坡破壞變形，施工單位描述整理過程如下。

圖2 邊坡破壞正面照片F(xiàn)ig.2 Front photos of slope failure

2016年3月18日10：50時，隧道進口左側(cè)距洞口約50 m處山體開始掉土塊，約13：30時隧道左側(cè)50 m上方土體開始下滑，自線路前進方向左側(cè)開始發(fā)育，牽連土體向線路方向逐漸發(fā)展。土體開裂面向洞口上方方向移動形成下滑錯臺，一直到16：00時，向右滑移拉裂至洞口上方土體后，土體下滑高度約4 m，如圖3所示。

圖3 邊坡破壞后緣Fig.3 Slope failure trailing edge

17：00時現(xiàn)場測量“滑塌體”輪廓線，左側(cè)距隧道洞口中心64.8 m，右側(cè)距隧道中心11.6 m，隧道洞口正上方滑面距軌面高程51.4 m，滑面里程DK291+366.8，距洞口39.8 m，洞口向坡腳前移1.7 m，3月20日14：30，測量洞口向坡腳移動2.26 m。

2.2 監(jiān)控量測

該隧道進口DK291+349處埋設(shè)一排共計9個測點，自2016年3月14日開始觀測5天，17日、18日兩天有日均2～4 mm變形，兩天累積變形量8 mm左右。

2.3 邊坡破壞各部分形態(tài)

根據(jù)測量數(shù)據(jù)，隧道洞口處水平位移2.26 m，垂直位移約為4 m，滑動完一個明顯特征是滑動體上樹仍保持直立。但是左側(cè)有一個明顯的不同之處，如圖4、5所示。

圖4 隧道左側(cè)滑動后傾斜的樹Fig.4 A sloping tree on the tunnel left side

圖5 隧道正洞上部坡體上樹仍直立樹Fig.5 Still upright tree on the upper slope of the tunnel

根據(jù)邊坡上樹的表現(xiàn)，可以判斷，正洞附近發(fā)生的是深層的變形，是整體的位移，滑動不影響樹的直立。左側(cè)變形較淺，是淺層變形，影響了樹的直立，具有淺層滑動的特點。這次邊坡變形先是左側(cè)先出現(xiàn)破壞，然后帶動右側(cè)隧道口正上方的發(fā)生破壞。根據(jù)這個明顯的不同，把左側(cè)淺層的破壞命名為Ⅰ區(qū)、右側(cè)深層的破壞命名為Ⅱ區(qū)，如圖6所示。

圖6 邊坡變形分區(qū)圖Fig.6 Zoning map of slope deformation Zone

根據(jù)破壞后的形態(tài)[2]，這兩部分的破壞形式存在著淺層滑動和深層滑動的本質(zhì)區(qū)別。

3 邊坡破壞類型及區(qū)別

常見的邊坡變形破壞主要有松弛張裂、蠕動變形、崩塌、滑坡4種類型[3]。此外尚有塌滑、錯落、傾倒等過渡類型。

《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》[4]中對錯落的描述為錯落體比較完整，大體上保持了原來的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)狀?；潞湾e落的最大區(qū)別是水平距離和垂直距離的比例關(guān)系，錯落的垂直距離大于水平移動距離。可以判定隧道洞口處的邊坡破壞形式為錯落。邊坡內(nèi)部形成一個高陡的變形破裂面，上部黃土對下部黃土的壓縮大于滑動，垂直運動距離大于水平運動距離。在陜北黃土高原區(qū)，淺層滑坡普遍發(fā)育[5～9]，用溜塌、堆塌的名稱，分別針對其滑動特點和最后堆積特點。根據(jù)筆者在陜北工作經(jīng)驗，這種邊坡破壞形式命名為溜塌，更能體現(xiàn)其運動特點和描述其成因特點。

如前文所述，左側(cè)淺層破壞Ⅰ區(qū)為淺層溜塌，Ⅱ區(qū)為典型的錯落。

4 邊坡破壞原因分析

4.1 勘探時的認識

邊坡所在地貌為45°邊坡上分布一級近30°的邊坡，順山坡的沖溝連續(xù)發(fā)育，是天然狀態(tài)下的穩(wěn)定邊坡。隧道左側(cè)邊坡修路時切削坡腳已經(jīng)形成小的溜塌，距離進洞洞口在50 m以上，不影響進洞。進口地形具有表層溜塌地貌，沒有發(fā)現(xiàn)坡積物，對工程影響不大?？辈煸O(shè)計以及施工前的現(xiàn)場核對都認為此處邊坡為正常穩(wěn)定邊坡。

4.2 被忽視的邊坡破壞的內(nèi)在因素

經(jīng)過重新分析施工和勘察資料，發(fā)現(xiàn)高陡臨空面和軟弱下臥層這兩種邊坡破壞的主要因素，在勘察和施工過程中都存在被忽視的情況。

1）高陡的臨空面

據(jù)施工記錄，2016年1月導(dǎo)向墻施工完形成10 m高的臨空面，直到2016年3月初才開始施工管棚。有2個多月的時間，人為切削坡腳形成的10 m高的臨空面一直存在，加劇了坡腳的應(yīng)力集中情況，如圖7所示。

圖7 導(dǎo)向墻施工形成的臨空面Fig.7 The surface formed by guided wall construction

2）土石界面存在的“軟層”

通過對現(xiàn)場施工過程核查，在施工導(dǎo)向墻時，右側(cè)土石界面處發(fā)現(xiàn)一處出水點，由于水量不大，沒引起足夠的重視。再分析原施工圖和隧道資料，13-ZD-2568孔（DK291+317.7） 和 13-ZD-2569孔（DK291+325.0）相差不足8 m，13-ZD-2568孔測到穩(wěn)定的基巖裂隙水，另一孔沒有觀測到穩(wěn)定的水位，可發(fā)現(xiàn)基巖裂隙水分布是不均勻。綜合這幾個因素分析可得出結(jié)論：基巖裂隙水分布是不均勻，導(dǎo)致出土石界面處“軟層”的分布也是不均勻。

邊坡破壞后，重新核查坡腳，發(fā)現(xiàn)了“軟層”存在的跡象，如圖8所示。

圖8 坡腳“軟層”Fig.8 Soft layer in the slope foot

邊坡破壞發(fā)生在積雪消融，地下水順黃土垂直節(jié)理入滲補給地下水的時候。隧道出口處正位于土石界面處，泥巖起到隔水層的作用。在土石界面處，隨地下水入滲，“軟層”會進一步擴大，“軟層”的范圍和春融有直接的關(guān)系。同時應(yīng)注意到隧道小里程存在水塘，地表水和地下水同時作用，即使穩(wěn)定的地下水面沒有影響到土石界面，包氣帶中毛細水也影響到土石界面地層的含水率，形成“軟層”。

4.3 人為干擾的外在因素

從前面施工記錄可以看出，切削坡腳后形成的10 m高陡邊坡臨空面有2個月零7天的時間一直沒有增加任何支護措施，并且對邊坡穩(wěn)定能起很大作用的大管棚措施剛施工6根后就被強行叫停。

5 區(qū)域性的邊坡動態(tài)平衡問題

陜北高原北部，黃土結(jié)構(gòu)疏松，沒有雨水入滲的情況下，邊坡可以保持陡峻的形態(tài)，以近乎直立的角度存在，但是如果雨后或春季春融后，會出現(xiàn)較多淺層溜塌。即這個地區(qū)的邊坡受含水量的影響，存在一個從穩(wěn)定狀態(tài)向極限平衡態(tài)轉(zhuǎn)變的過程。如果再存在人工切削坡腳的活動，發(fā)生邊坡失穩(wěn)的概率會增大。從本次邊坡破壞的出現(xiàn)看出，淺層溜塌可以引起深層錯落的發(fā)生。

6 結(jié)論

陜北黃土高原地區(qū)邊坡有時達到極限平衡態(tài)，一處小變形可以引起連鎖反應(yīng)，淺層溜塌可以導(dǎo)致深層錯落的發(fā)生。此處邊坡破壞是自然因素和人為因素共同作用的結(jié)果，工程建設(shè)時應(yīng)保持足夠的警惕，核查邊坡可能發(fā)生破壞的因素，支護措施不能輕易減弱。