摘 要：随着西部山岭重丘区隧道建设数量及规模不断加大，隧道洞口滑坡灾害越来越多。某山岭重丘区大跨度公路隧道在施工过程中，发生了洞口滑坡。通过定性、定量分析，认为其受力模式属于隧道-滑坡斜交体系，是地质条件、人工活动及降雨等各种因素综合形成，但不同于其他类型的滑坡，洞内不合理的施工造成的塌方、冒顶，进而导致洞口仰坡失稳是最主要的原因；针对该隧道洞口滑坡的形成机制，制定了滑坡处治方案及洞内衬砌加强、施工，处治方案实施完毕后，监测结果表明效果良好。上述研究成果对于隧道洞口滑坡的形成机制研究及预防提供了新的思路，所采取的处治方案也可以为类似工程的处治提供参考。
关键词：公路隧道;山岭重丘区;大跨度隧道;洞口滑坡;
基金：2020年度交通运输行业重点科技清单项目，项目编号2020-MS1-006;
1 概述近年来，随着我国交通基础设施不断向西部山岭重丘区挺进，隧道这种受地形条件限制较少的结构形式越来越受到重视，建设数量越来越多，建设规模也越来越大。而另一方面，西部山岭重丘区的地形地质条件十分复杂，地质灾害频发，这为隧道工程建设带来了很多技术难题和不可预知的建设风险。
在众多的地质灾害中，滑坡是最为常见的一种人为或自然形成的地质灾害，对工程建设威胁巨大[1]。对隧道工程而言，洞口滑坡是最严重的灾害之一，不仅将造成工程处治费用大幅攀升，更是容易“关门”严重危及施工安全[2]。因此，一般要求在勘察设计阶段通过地质选线绕避大中型、复杂的滑坡或其他不良地质体，对于小型、较容易处治的则处治后再进洞[3]。即便如此，在隧道施工过程中仍可能由于种种原因，造成洞口边仰坡失稳，造成人员伤亡和财产损失[4]。
针对隧道滑坡的研究历来都是热点课题之一。马惠民等[5]系统分析了我国自20世纪60年代以来铁路、公路部门隧道滑坡的特点，将隧道-滑坡体系总结为隧道-滑坡平行体系、隧道-滑坡正交体系、隧道-滑坡斜交体系3种形式。在此基础上，吴红刚等[6,7]采用模型试验及理论方法研究了各种隧道-滑坡体系的形成机理和控制技术。谢正团等[8]通过现场地质资料和有限元分析方法对洪亮营隧道滑坡的形成机制开展了深入研究。罗兴华等[9]从坡体结构、降雨及地下水等因素出发，并结合稳定性分析方法、实地调查及监测成果，研究了大准铁路南坪隧道-滑坡体系的变形机理和处治技术。
以上研究大多从滑坡本身的工程地质条件和水文地质条件等入手，而这些条件往往是隧道滑坡的决定性因素。但是在实际工程中，不合理的施工措施往往也是导致隧道洞口滑坡失稳不可忽视的因素，基于此，本文对某山岭重丘区大跨度公路隧道洞口滑坡的形成机制进行深入研究，揭示了不合理的施工措施在隧道洞口滑坡形成中的重要作用，为类似工程的滑坡形成提供了预防机制；随后，针对这种滑坡提出了处治措施，为类似工程的滑坡处治提供了依据。
2 工程概况西部地区某高速公路大跨度隧道，隧址区属剥蚀丘陵地貌，山体自然坡度25°～35°,山顶呈浑圆状，山脊走向为近东西向，隧道设计路线自北向南延伸，最大埋深仅约36 m。山体表层植被发育，多为桉树。工程区域为喀斯特地形特征，分布于亚热带季风气候范围内，干湿交替分明，年平均降雨151 d,年平均降雨量多达1 235 mm,夏季雨水蒸发量小于其降雨量，导致部分地区发生洪水灾害，而在冬、春两季降雨量却较少，易造成干旱。
隧址区地层以第四系残坡积层(Q4el dl)和三叠系中统板纳组(T2b)基岩居多，第四系残坡积层(Q4el dl)主要为红黄、黄色的硬塑状粉质黏土，韧性差，干强度高，揭示厚度 2.80～7.80 m;三叠系中统板纳组(T2b)基岩主要为强～中风化砂岩，岩质软～较硬，岩体极破碎～较完整，节理裂隙较发育～很发育。隧道洞身穿越段主要为强风化砂岩，岩体极破碎～破碎，呈半岩半土状。
工程区内未见断裂构造通过，区域地质稳定性一般，采用抗震设防烈度为Ⅵ度。工程区地表水较为丰富，主要河流的集雨面积达77.5 km2,多年平均径流量0.674亿m3,地下水主要以赋存于第四系覆盖层中的孔隙水及基岩裂隙水居多，勘查期间未测得稳定的地下水位。
该隧道设计左洞长232 m,右洞长199 m,采用小净距隧道形式，左、右洞净间距仅为10～13 m。隧道右洞采用与路基同宽的结构形式，最大开挖跨度约15.5 m;左洞进口直接外接大桥，为使接线平顺，在采用与路基同宽基础上进行加宽，最大开挖跨度达到16.9 m。原设计右洞出口端采用XSd5a复合式衬砌，预留核心土环形开挖法施工；左洞出口端采用XST5a复合式衬砌，CD开挖法施工，具体设计参数见图1。
图1 XSd5a复合式衬砌结构形式 下载原图
该隧道出口端洞口左、右洞均采用端墙式洞门，洞门墙为衡重式直立挡墙，墙身厚2 m,均贴壁进洞，为抵抗山体偏压，左右洞均设置有偏压挡墙，设计仰坡及洞口部位采用10 cm厚喷射混凝土 A8钢筋网(20 cm×20 cm) ϕ42×4 mm长3.5 m注浆小导管形式防护，间距为1 m×1 m,梅花形布置。出口端洞口设计见图2。
图2 出口端洞口立面 下载原图
3 洞口滑坡的形成及特征3.1形成过程2018年7月25日17时，该隧道隧址区出现暴雨，现场监控量测发现右洞靠近掌子面初支变形加剧、初支开裂。1 h后，右洞掌子面附近初支拱顶开始掉块，随后滑坡体从右洞左侧拱腰处剪出造成隧道初支坍塌，长21 m,该段最大埋深约36.5 m,塌方起始点距原设计出洞位置约10 m,对应左洞掌子面桩号为KD122 007,距原设计出洞位置约33 m,见图3。
图3 隧道出口端初支坍塌段落 下载原图
次日，经观测洞内未破坏初支已无坍塌风险情况下，为避免山体再次滑塌引发后面初支失稳，立即对左、右洞初支进行回填反压，反压段长度大于20 m。随后组织人员对隧道出口端山顶进行踏勘，发现山体上出现多处弧状裂缝、错台等，裂缝宽约20～50 cm,可见缝深约1.0～1.5 m,坡体上出现有垮塌、溜滑等破坏，见图4。
图4 出口端洞顶滑坡后沿裂缝 下载原图
3.2滑坡形态特征该隧道洞口出现滑坡后，经初步处理确保暂不会进一步发展后，立即组织进行详细勘察。勘察发现，该滑坡主要分布在山脊西南侧，沿路线范围约120 m,垂直路线方向约130 m,主滑动面方向与路线夹角约40°,面积约7 038 m2,滑塌体平均厚度约11 m,体积约7.7×104m3;滑坡前缘和后缘高程分别为456 m、551.5 m。滑坡范围地层主要为覆盖层及强风化岩层，少量中风化岩，强风化岩节理裂隙很发育，呈散体状～碎裂状，岩质极软～软；边坡属岩土组合边坡，见图5。
图5 隧道塌方后地表情况 下载原图
根据勘察资料、隧道洞身坍塌情况等，判定隧道初支拱腰发生坍塌及山体坡脚为剪出口，顺层的强风化岩层为滑床，滑动带处于强风化岩层中，滑坡后壁位于坡顶最外缘弧形裂缝处。
3.3滑坡体结构特征滑坡山体表层为红黄、黄色硬塑状粉质黏土，厚约 2～8 m,下伏三叠系中统板纳组薄～中厚层状强风化砂岩，厚度较大，节理裂隙发育，呈散体状～碎裂状，岩质极软～软。岩层产状 351°/SW∠41°,节理产状 J1:338°/SW∠65°、J2:46°/SE∠83°,属顺层边坡，隧道在强风化岩层掘进过程中，开挖形成临空面，山体受连续强降雨雨水入渗，破碎的强风化岩层力学性质指标降低，进一步加大了滑动趋势。根据地形条件、钻探资料，钻孔在强风化层内存在明显漏水，且地层松动，判断滑塌体处于强风化岩层中，平均厚度约11 m。
4 滑坡形成机制及原因分析4.1隧道-滑坡的体系识别根据文献[5,6,7]研究成果，隧道洞口滑坡主滑面方向与路线夹角约40°,在20°～70°范围内，可判定为隧道-滑坡斜交体系，见图6。隧道在隧道-滑坡斜交体系下可能出现两种典型变形破坏特征[5]:(1)隧道开挖引起滑坡体发生扰动，隧道衬砌整体呈现空间变形特征，导致整体弯曲变形、轴向拉压或剪切等破坏；(2)因开挖作业出现新的临空面，改变了滑体原有变形特征和滑动方向，多以转变为垂直隧道的变形。从现场反映的情况来看，隧道洞口滑坡变形十分符合第(2)种情况。
图6 隧道-滑坡斜交体系图示 下载原图
4.2滑坡变形原因分析4.2.1定性分析经过详细调查和深入分析，结合隧道开挖现状，边坡变形性质为原乡道边坡较陡、加上隧道开挖产生临空面，受连续强降雨入渗，滑塌体处于强风化岩层中，上部土体及部分强风化岩层顺层滑塌引起的牵引式中层滑坡。其产生的原因可归结如下。
(1)地质环境条件是滑坡产生的内因。滑坡区岩性主要为强风化砂岩，薄～中厚层状，岩层产状 351°/SW∠41°,节理产状 J1:338°/SW∠65°、J2:46°/SE∠83°,岩质软，岩体破碎，裂隙发育，层间胶结差，属顺层边坡，为滑坡的形成提供了成熟的地质环境条件，见图7。
图7 结构面的赤平投影稳定性分析 下载原图
(2)人类工程活动是滑坡产生、加剧的主要外动力。山体隧道的开挖为滑坡的形成创造了良好的临空条件。在隧道修建过程中，KC121 984～KC122 005段原设计采用CD开挖法施工，但实际擅自改用了上下台阶法开挖，而且上台阶长度达到20 m以上，上台阶也考虑施工便捷没有预留核心土，见图8。
图8 右洞塌方处掌子面 下载原图
该段隧道埋深 36.5～16.5 m,由于不合理的施工措施，致使该段发生冒顶，进而初支拱腰发生溃缩，破坏了坡体原有的平衡状态，使得坡体应力重分布，临空面处应力集中，进而产生层状岩体往外的蠕动变形；坡体前缘减载，减少了坡体前部的抗滑力。
根据调查，滑坡变形自前往向后逐级发展，局部形成拉线槽；后缘受前部的牵引形成滑坡后壁，滑坡变形破坏模式为牵引模式，下滑力主要来自滑坡中后部，在地表水入渗及其他因素的影响下，岩土体自重增加、力学强度降低，蠕动变形加剧，随着变形的累积最终形成整体性的滑动破坏变形，因此，隧道的掘进开挖也是滑坡形成的主要因素之一。
(3)降雨。降雨造成斜坡的变形破坏主要是由以下两个原因引起：①降雨通过坡体表面孔隙及裂缝渗入至坡体内部，导致边坡下部原状岩土体的自重增大、力学强度降低，使得边坡的变形加大；②在坡体整体排水不良的情况下，降雨顺着坡体孔隙裂缝进入坡体内部，导致坡体内部产生较大的静水压力，进一步促进了边坡的变形破坏。因此，强降雨是滑坡形成的主要外因。
综上所述，隧道右洞先行，右洞不合理施工方案导致塌方，塌方时左洞掌子面围岩产状由左往右倾斜，倾斜角度约41°,左右洞掌子面纵向距离约25 m,由于右洞掘进至桩号KC122 005时，洞身已开始进入强风化岩层，在强风化岩层中掘进时，隧道开挖相当于将山体坡脚挖除，顺层的强风化岩层产生临空面，岩体在自重作用下，于临空方向产生蠕动变形，在无快速有效地支撑下这种蠕动变形发展很快。随着连续强降雨的影响，岩土体自重增加、各项物理力学指标降低，在极端天气和变形累积情况下，KC121 984～KC122 005段初支发生冒顶，冒顶后岩土体因失去底部支撑进一步导致其产生滑动，从右洞左侧拱腰部位剪出，继而引发折线型牵引式滑坡，整个过程可简化为：隧道开挖→山体蠕动变形(连续强降雨)→隧道初支冒顶→牵引式滑坡。
4.2.2定量分析对滑坡体中线剖面进行了定量分析，分析剖面见图9。
计算工况采用《公路滑坡防治设计规范》(JTG/T 3334—2018)中推荐的自然工况和非正常工况Ⅰ两种，结合临近工点的室内土工试验成果及工程经验，岩土参数见表1。
图9 中线滑坡剖面 下载原图
表1 岩土计算参数 导出到EXCEL
|
岩土名称 |
物理力学指标 | |||||||
|
容重kN/m3容重kΝ/m3 |
黏聚力kPa黏聚力kΡa |
内摩擦角(°)内摩擦角(°) |
承载力基本容许值kPa许值kΡa |
饱和单轴抗压强度MPa强度ΜΡa | ||||
|
天然 |
饱和 |
天然 |
饱和 |
天然 |
饱和 | |||
|
粉质黏土(Qel dl) |
18.9 |
19.5 |
30 |
25 |
20 |
15 |
220 |
— |
|
强风化砂岩(T2b) |
24.0 |
25.5 |
35 |
25 |
30 |
20 |
400 |
6 |
|
中风化砂岩(T2b) |
26.6 |
27.1 |
35 |
35 |
30 |
30 |
600 |
45 |
采用理正软件计算滑坡体在自然工况以及非正常工况下的抗滑稳定安全系数见表2,分析表2可知2种工况下的滑坡体均为不稳定状态，需采取防护措施对滑坡体进行处治。
表2 稳定性计算结果 导出到EXCEL
|
工况组合 |
荷载组合 |
工程等级 |
抗滑稳定性系数 |
|
自然工况 |
自重 |
高速公路 |
0.822 |
|
非正常工况Ⅰ |
自重 暴雨 |
0.815 |
针对分析结果，结合现场实际情况，指定滑坡处治方案如下。
(1)滑坡处治：采用卸载 锚拉抗滑桩 锚索(杆)格梁进行处治。对滑塌体进行卸载清除；分别在隧道左、右洞的左侧处各设置1排长度22～40 m 的锚拉圆形抗滑桩，单桩直径d=2.2 m,桩间距3.7～4 m。桩顶以上沿着强风化岩面放坡，坡比在1∶0.75～1∶1.15;第1～4级边坡坡体采用锚索(杆)格梁进行防护；第4级以上边坡采用挂铁丝网喷播植草进行防护。
(2)滑坡排水设施：在边坡开挖线以外3 m处设置坡顶截水沟，每级平台采用C20素混凝土封闭，并设置截水沟；于坡面设置3道人行步梯，兼作急流槽。
(3)滑坡监测：设置3道监测断面，共8个监测孔、18个观测桩进行监测。
(4)洞口段防护：仰坡和成洞面均采用10 cm喷射混凝土 A8钢筋网(20×20 cm) 3.5 m长ϕ42×4 mm小导管注浆防护，间距1 m×1 m,梅花形布置；于KC122 005～KC122 007处设置套拱，管棚长24 m;于KD122 040.5～KD122 042.5处设置套拱，管棚长30 m。
(5)洞内防护：KC121 984～KC122 005、KD122 007～KD122 040.5采用暗挖形式，双层初支支护；KC121 976～KC122 005、KD121 987～KD122 040.5段二衬加强配筋。
(6)明洞段防护：KC122 005～KC122 025、KD122 040.5～KD122 048.5采用明挖方式，设置加强型偏压明洞，明洞拱墙厚80 cm。
(7)施工方案：左、右洞暗洞段均采用CD法出洞，暗洞开挖前，KC121 974～KC121 984、KD121 997～KD122 007段进行径向小导管注浆。
(8)洞门：左右洞均采用端墙式洞门，采用 C40钢筋混凝土浇筑，墙身厚2 m。
(9)加强洞内监控量测：目前该处治方案已实施完毕，监测结果表明处治效果良好。
6 结语(1)隧道洞口滑坡的形成通常是多种因素综合的结果，但是洞内不合理的施工造成的塌方、冒顶，进而导致洞口仰坡失稳是最主要的原因，这也是隧道洞口滑坡与其他类型滑坡的最大不同。
(2)从受力模式来看，隧道洞口滑坡属于隧道-滑坡斜交体系，其变形失稳机制为：因开挖作业出现新的临空面，改变了滑体原有变形特征和滑动方向，最后转变为垂直隧道的变形，进而发展为滑坡。
(3)隧道洞口滑坡的变形及形成机制表明，对于这类大跨度、浅埋、地质条件很差的隧道洞口段，一定要注意洞内的开挖施工方案，切记仅考虑施工便利采用长台阶法甚至全断面法这种冒险的工法。
(4)针对隧道洞口滑坡，除了对滑坡进行卸载及加固等处治措施外，更重要的是要对隧道洞内进行加固处理，改进施工工法，加强支护强度。
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