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顺层岩质边坡隧道破坏模式与对策

2019/11/05 阅读:

摘要:顺层岩质边坡隧道洞口开挖过程中边仰坡存在滑坡的风险,洞身浅埋偏压段可能因顺层影响承受较大的偏压荷载而破坏,在暴雨、地震或人为工程建设扰动的情况下,更易发生顺层滑移,进而破坏洞门及隧道衬砌结构。隧道洞口及浅埋偏压段是防治重点地段,对顺层岩质边坡隧道破坏模式进行分析,并采用合理的防治对策和针对性设计,可有效预防隧道所在岩质边坡发生顺层滑移,确保边坡的稳定及隧道的施工和运营安全。

关键词:顺层岩质滑坡;偏压;裂缝

近年来国家加大基础设施建设,地形、地质复杂的山区公路布线受客观条件制约,有时需在顺层岩质边坡内设置隧道。顺层岩质边坡隧道工程存在较大的施工风险及运营风险,隧道修建过程中洞口处边仰坡存在顺层滑移的潜在可能,期间若遇自然灾害或其他较大扰动,如地震、持续降雨或罕见暴雨等,单一或多种不利条件共同作用下形成顺层岩质滑坡。隧道洞身浅埋偏压段一般风化程度较高,节理裂隙发育,尤其是竖向节理裂隙,雨水易顺其下渗至完整基岩面处,基岩面一般层面光滑且夹泥,基岩面以上土体易达到饱和状态,基岩面摩擦系数降低,隧道洞身浅埋偏压段边坡极有可能顺基岩面滑移,进而对隧道造成不同程度的破坏。由于顺层岩质滑坡发生一般较为突然,预警及撤离工作开展较难,一旦发生,对隧道工程有较大的破坏性,同时,可能危及周边人员的生命安全。因此,顺层岩质滑坡对隧道的破坏模式分析及防治对策研究有很大的必要性。

1顺层岩质滑坡的形成及一般特征

顺层岩质滑坡的形成有其地形地质条件及诱发因素。最易产生顺层岩质滑坡的是层理发育的沉积岩,不同的层面倾角对顺层岩质滑坡的贡献程度不同,其中10°~25°倾角贡献率程度最高[1]。诱发的自然因素主要为地震、持续降雨或罕见暴雨等;人为因素主要是对坡体前缘的开挖切脚、水库蓄水、邻近工程的爆破扰动、上方堆载及其他边坡工程的不当施工等。顺层滑坡的一般特征是:沿岩层面或裂隙面滑动,或沿坡积体与基岩交界面及基岩间不整合面等滑动,大都分布在顺倾向的山坡上[2]。滑坡发生前无明显变形迹象,滑坡发生后滑壁、滑床清晰,后缘残留少量的碎石土、强风化基岩,可见基岩裸露,滑坡中后缘及侧壁(尤其是后缘附近)出现浅层裂缝。滑坡区可分为已滑动区、强变形区、中变形区、弱变形区。

2顺层岩质滑坡对隧道洞口的破坏

顺层岩质边坡内新建隧道,洞口段隧道走向与等高线小角度相交时,洞口边仰坡及路基段边坡形成贯通的边坡切口。若隧路交界处开挖边坡较高,且施工干扰大,隧道边仰坡的开挖及路基的开挖形成了不利的剪出口临空条件,在前段所述滑坡形成因素影响下触发顺层岩质滑坡,滑坡易在隧路交界处剪出。且一般多为浅层顺层岩质滑坡。滑移力可造成洞口外抗滑桩倾斜甚至剪断,洞口段初期支护被挤压变形,洞口遭掩埋。若工程邻近既有高速公路,可能造成高速公路断道,危及过往车辆及人员的安全。

3顺层岩质滑坡对隧道浅埋偏压段的破坏

根据滑动面与隧道的空间相对位置不同,滑坡对隧道的破坏程度有较大差异。主要为以下3种情况:①滑动面高于隧道洞顶(见图1);②滑动面位于隧道下方(见图2);③滑动面正穿隧道(见图3)。第一种情况隧道基本位于滑动面之下稳定岩体内。受滑坡体蠕动影响,一般浅层围岩较破碎,隧道浅埋偏压段施工过程中可能发生塌方,甚至冒顶。若滑坡在隧道完工后发生,衬砌顶部距滑动面较近时,上部岩体滑动可能造成拱顶开裂破坏;第二种情况整个隧道位于不稳定的滑坡体范围内,滑坡可能造成隧道产生扭曲变形破坏、于两侧滑坡边界处被错断或整体向外推移滑动[3]。第三种情况对隧道衬砌结构破坏较大,可能使衬砌表面产生大量裂缝,裂缝不进行彻底处治,可能成为后期运营期间出水点。若滑移力过大甚至可能在拱部或边墙处直接剪断[4]。顺层岩质滑坡对隧道浅埋偏压未施作二衬段的破坏为初期支护的挤压变形,主要表现为喷射混凝土开裂、剥离,工字钢钢架扭曲变形,侵入建筑限界内。若浅埋偏压段已施作二衬,顺层岩质滑坡对其破坏主要表现为二衬内鼓或裂缝,裂缝的形态为斜向裂缝、纵向裂缝及环向裂缝,局部可能形成网状裂缝。裂缝延伸长度、宽度及分布密度初步反映出二衬的破坏程度。

4顺层岩质边坡隧道洞口防治对策

(1)隧道洞口采用接长明洞方式减少刷坡或不刷坡。若洞外接长路堑,需进行刷坡施工时,在条件允许的情况下尽量采用顺层清方的方式,降低顺层岩质滑坡发生的可能及危害性。(2)重视隧道洞口地表截排水工程,必要时可于洞口外地表设置综合截排水系统,即潜在滑坡边缘外设置一道或多道环形截水沟,潜在滑坡范围内布置树枝状排水系统,并夯填地表裂缝,防止地表水下渗[5]。(3)有条件时可对顺层边坡进行上部减重、下部反压,或两者结合。根据稳定性计算结果,必要时设置抗滑工程,如多级抗滑挡土墙、抗滑桩等。

5顺层岩质边坡浅埋偏压段防治对策

5.1隧道位置选择。尽量绕避或避免隧道沿岩层走向长距离布设于顺层边坡地段。隧道高程有选择的情况下尽量将隧道置于滑动面以下,并保留一定的安全距离,使隧道远离滑坡扰动范围。5.2隧道初期支护及超前支护措施。地质顺层偏压隧道围岩松动圈厚度较常规隧道偏大,且偏压荷载较大一侧松动范围大于另一侧[6],隧道系统锚杆需适当加长。较浅一侧围岩体可采用对拉锚杆将多层岩体锁为整体,加强围岩稳定性。若滑移面上方岩体破碎,可进行地表注浆固结岩体,提高其整体性,同时阻止地下水下渗[7]。为加强初期支护的承载能力,偏压段宜采用全环工字钢钢架,且纵距不宜过大,及时为围岩提供强有力的刚性支撑,同时,重视钢架的纵向连接钢筋及锁脚锚管的施作,必要时可加密加长。洞口段超前支护尽可能采用超前大管棚施作,与钢架一起形成较强的棚护作用,利于安全进洞。结合地形条件和隧道埋深,可选择采用⌀108mm注浆钢管排桩加固顺层边坡。沿偏压侧布设2~3排,桩间距和排距可取1.5m,梅花形布置,最低一排管桩距隧道开挖线2~3m。为增加钢管刚度,管内可插入钢筋束或钢轨,并灌浆。5.3隧道二次衬砌计算及设计。对顺层岩质边坡浅埋偏压隧道二次衬砌的计算可采用荷载—结构模型,利用大型通用有限元软件AN⁃SYS进行计算,按破损阶段法进行结构及配筋设计。主要考虑永久荷载及围岩约束衬砌的弹性抗力。永久荷载为围岩垂直压力、水平侧压力、顺层侧剩余下滑力及结构自重(见图4)。必要时考虑地下水。若计算结果偏大,二次衬砌结构设计较困难时,可于偏压侧距隧道一定距离外设置一排抗滑桩以承担顺层偏压荷载,隧道二次衬砌按地形偏压进行计算。根据衬砌内力计算结果确定环向受力主筋的布设方案。由于隧道浅埋顺层偏压段实际受力复杂,为提高其纵向抗剪能力及整体性,纵向架立钢筋较一般衬砌适当加强。同时,每隔10m左右设置一处2cm宽变形缝。洞口若采用偏压明洞衬砌,为避免在顺层岩体内拉通切槽,偏压挡墙可替换为桩板墙结构。明洞靠山侧临时边坡根据开挖工况进行稳定性计算,必要时设置抗滑桩确保施工安全。5.4隧道施工方案。顺层岩质边坡隧道宜采用机械开挖或小药量控制爆破开挖,选用稳妥可靠的施工工法,严格控制开挖进尺,减少隧道施工对边坡的扰动,洞口段二次衬砌紧跟施作。加强边坡稳定性监测及隧道洞内位移、地表下沉等监控量测工作。

6结语及建议

顺层岩质滑坡一旦发生,破坏性强、处治难度大、费用高,且可能成为工程后期运营的隐患。建议隧道设计选线过程中,做好工程勘察工作,尽量绕避或避免隧道沿岩层走向长距离布设于顺层边坡地段。隧道洞口及浅埋偏压段是顺层岩质边坡隧道防治重点地段,需采取预防性的工程措施进行提前处治,处治应彻底,抗滑工程应具有足够的安全系数和可靠性。

参考文献:

[1]成永刚,王玉峰.层面倾角对顺层岩质滑坡贡献率研究[J].岩土力学,2011,32(12):3708-3712.

[2]《工程地质手册》编委会.工程地质手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.

[3]吴红刚.隧道—滑坡体系的变形机理及控制技术研究[D].中国铁道科学研究院博士论文,2012.

[4]于跃勋.地质顺层偏压隧道施工力学研究[D].西南交通大学硕士论文,2004.

[5]铁道部第二勘测设计院.铁路工程设计技术手册隧道[M].北京:中国铁道出版社,1999.

[6]郭亮,李俊才,张志铖,等.地质雷达探测偏压隧道围岩松动圈的研究与应用[J].岩石力学与工程学报,2011,30(增1):3009-3015.

[7]洪开荣,等.山区高速公路隧道施工关键技术[M].北京:人民交通出版社,2011.

[8]王永春.顺层偏压隧道极软岩综合施工技术研究[J].铁道建筑技术,2018(3):66-69.

作者:张孝伟 单位:重庆市交通规划勘察设计

顺层岩质边坡隧道破坏模式与对策

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