黃土地區公路工程擾動誘發次生地質災害研究與分析

劉錦釧

（中路黃河（山西）交通科技集團有限公司，山西太原 030006）

0 引言

為了響應國家“一帶一路”的發展戰略，促進中西部地區經濟發展，交通運輸部提出了交通網絡2035 發展規劃，將在中西部地區新建大量高速公路，不可避免會穿越黃土地區。而黃土的特殊工程地質性質會帶來諸多工程問題，尤其當黃土作為工程載體時，其問題尤為突出。此外，在山區建設高速公路，會出現大量隧道工程，這對于脆弱的黃土地質條件是非常大的擾動，這種工程活動引起的次生地質災害可能會誘發更多工程問題。

針對隧道-邊坡體系，國內學者進行了豐富的研究。孫明磊等[1]通過建立FLAC3D 三維數值模型，研究了不同空間位置下的滑坡誘發隧道襯砌結構受力及變形特征變化規律。周文皎[2]系統分析了滑坡-隧道體系的相互作用機制，并提出了變形控制對策。趙金等[3]研究了平行體系中隧道-洞口滑坡的力學特征及變形規律，推導了隧道內力計算模型。高巖等[4]通過開展室內模型試驗，對降雨條件下隧道-滑坡體系災害演進機制進行研究。李洋溢等[5]研究了大跨度隧道洞口滑坡的成因，并提出了加固措施。王永俊等[6]在對隧道洞口的滑坡進行處置后，采用長期監測方法評價了防護的有效性。王劍非等[7]借助數值模擬手段對滑坡成因、隧道變形進行了深入的分析研究。周琪等[8]采用有限元模型對隧道開挖過程中的滑坡蠕變行為進行了研究。

目前國內外對于工程擾動誘發滑坡，以及滑坡引起次生災害的研究較多。但是很多研究局限于數值分析和理論推導，并依托實際工程進行了監測，但是由于研究對象不同，研究結果很難具有普適性，尤其是在隧道上方同時發育多種不同類型的滑坡時，力學與變形特征更加復雜。因此，依托實體工程，開展“滑坡-隧道”相互作用機理、監測預警及變形控制技術研究具有重要的理論和實踐意義。

1 工程概況與方法

1.1 工程概況

該研究依托于黃土高原某處高速公路邊坡，該邊坡地貌上屬黃土丘陵區，位于隧道之上。隧道坡體及隧道結構病害主要發生在隧道及路塹左側邊坡處，在隧道上部坡體左側還發現有圓弧形陡坎及張拉裂縫，在隧道部位坡體地表局部排水溝發現有擠壓變形現象。隧道上部坡體東側發現有圓弧形黃土斜坡陡坎，陡坎下右側平臺上地表出現明顯的張裂縫，裂縫方向與陡坎走向基本平行，裂縫寬度為3～5 cm，長8～15 m。隧道內裂縫共有97 條，以水平裂縫、斜向剪切裂縫為主。裂縫大多較細小，寬度1～3 mm 為主，剪切錯動不明顯，一般不超過2 mm。部分沿隧道襯砌伸縮縫發育的垂直張裂縫，最大的張裂縫位于隧道右邊墻至拱頂，寬約23 mm，深50 cm，錯臺8 mm。在路塹左側邊坡的一級平臺到三級邊坡的中部，已經形成不連續的近水平裂縫（裂縫寬度1～4 cm）和鼓脹現象、錯臺及排水溝渠壁傾斜。

1.2 現場監測方法

通過監測邊坡及隧道結構變形，評估邊坡體的穩定狀態，預測邊坡變形發展趨勢，對因滑坡造成的隧道病害演化規律的研究提供依據。

監測的主要任務是對邊坡和隧道結構進行實時監測，掌握控制邊坡穩定性的各種參數和因素隨時間和空間上的變化過程，為后續養護方案提供數據支撐。采用地表GNSS 對邊坡表層的變形特征進行監測。共設置了4 處監測點，分別為D-01、D-02、D-03、D-04，位于斜坡的4 個方位，如圖1所示。

1.3 數值模擬

通過現場勘察發現，在隧道洞口段，災害發育明顯，在結構上出現了明顯的裂隙，因此，為了明確該區域的發育特征，開展了數值模擬研究。數值模型如圖2所示，在墻體與土體接觸帶設置A、B、C 三個觀測點分別監測墻體不同位置的變形情況。

圖2 滑坡-洞門模型數值分析網格圖

該次計算的參數取值如表1所示，其中支擋結構及襯砌采用混凝土，墻后土體采用高含水量土體，其余土體采用正常狀態。

表1 強度參數取值

2 研究結果

2.1 隧道洞口段變形特征

整體變形集中于墻與土體接觸部位，墻體受到土體的側向土壓力，發生水平方向的推移以及豎直方向的剪切變形（圖3）。

圖3 整體剪應變速率

墻體受到土體壓力，有向外變形的趨勢，由于兩端受到側向約束，導致力會傳遞到中間位置，由此形成較大曲率的變形，由中心向兩側變形量逐漸變?。▓D4）。整體受到拉張應力，由此造成墻體縱向開裂和垮塌。在洞頂處，結構薄弱，容易造成應力集中，并且在施工過程中采用拼接式方法，更容易在該位置發生開裂。

圖4 墻-土接觸帶受力特征

2.2 現場監測結果

D-01 監測點位于隧頂排水溝東側舊院落北側坡頂，從圖5 中可看出：高程方向由于精度比平面方向低，所以波動幅度較平面大。X方向位移量約8 mm；Y方向位移量約36 mm，方向向西；高程方向幾乎不變。

圖5 D-01監測點變形結果

D-02 監測點和D-03 監測點位于隧道加固段上方坡體。從圖6 和圖7 可看出，兩測點X方向和高程方向位移無明顯增大趨勢，僅Y方向位移有增大趨勢。監測點D-02 位移量達到38 mm，監測點D-03 位移量達到30 mm。

圖6 D-02監測點變形結果

圖7 D-03監測點變形結果

D-04 監測點位于隧道端洞門西北角。從圖8 可看出，測點X方向有一向北緩慢增大趨勢，位移量達到約10 mm；高程方向位移無明顯增大趨勢；Y方向位移有增大趨勢，位移量達到25 mm。

圖8 D-04監測點變形結果

從圖8 可看出，邊坡水平方向位移量比高程方向波動稍大，同GNSS 水平方向監測精度5 mm±1 ppm 精度吻合。邊坡高程方向位移量值比水平方向大，這與GNSS 高程方向監測精度10 mm±1 ppm 精度吻合。邊坡高程方向無明顯增大趨勢。邊坡Y方向（垂直于坡面方向）有增大趨勢，位移量達到25～38 mm，但經對基站的IGS 解算，發現基站有一沿Y方向（與監測點相反），且量值約40 mm 左右的位移量。

綜上所述，監測邊坡坡表變形暫處于穩定狀態。

為了進一步驗證數值模擬的有效性，將監測結果與數值模擬結果進行了對比。由于本文重點關注的是洞口段的變形特征，所以僅對比D-04 號監測點的X方向表層變形特征。由圖9 可知，監測結果與數值計算的結果匹配度較高，并且整體分為3 個階段：累計變形階段、穩定變形階段，以及加速變形階段。根據結果可以判定表層變形閾值，對預測災害發生具有一定的指導意義。

圖9 監測結果與數值計算結果對比（X方向）

3 討論

基于上述研究，該處滑坡處于穩定狀態，而出口段有小變形，因此需對隧道出口擋墻以及鄰近結構進行處置。擬采用W 型鋼帶+鋼管樁對隧道進出口段進行加固處理。為了驗證這種辦法的可行性，采用數值模擬方法對加固前后的隧道變形進行了分析對比。

鋼管樁呈梅花型布置，樁間距1 m，鋼管樁鋼管采用外徑121 mm、壁厚3 mm、內徑115 mm 鋼管，管內及管側注入1∶1純水泥漿封閉。鋼管樁成孔直徑150 mm，成孔長度6.1 m，樁長6.0 m。最外側加設一根與水平方向呈60°角的相同參數的鋼管樁。鋼管樁采用梁單元模擬，材料參數采用按鋼管和水泥漿液所占面積進行權重等效計算后得到，彈性模量為35.7 GPa，密度為2 696.1 kg∕m3，泊松比0.21，計算結果見圖10。

圖10 隧道結構變形計算結果

根據計算結果（圖10）可知，加固前隧道結構最大變形出現在頂部，為2.01 cm。在本文中，超過1.7 cm的變形區域定義為大變形區域，加固前的大變形區域占比超過17%，加固后最大變形約為2 cm，但是大變形區域相較降低了8%，并且仰拱底部的變形量有明顯的降低?？傊?，通過加固可以有效地將高應力區進行分散，并且可以有效控制仰拱變形，對隧道穩定性有一定控制作用。

4 結論

通過對黃土地區公路邊坡-隧道結構進行分析與研究，得到了以下結論：

a）墻體受到土體壓力，有向外變形的趨勢，由于兩端受到側向約束，導致力會傳遞到中間位置，由此形成較大曲率的變形，由中心向兩側變形量逐漸變小。整體受到拉張應力，由此造成墻體縱向開裂和垮塌。在洞頂處，結構薄弱，容易造成應力集中，并且在施工過程中采用拼接式方法，更容易在該位置發生開裂。

b）將滑坡和隧道兩者相互作用作為一個整體進行考慮，并采用數值模擬方法和變形識別方法對監測方法進行雙重驗證，可大大提高監測方法的可信度和可靠性。

c）采用W 鋼帶+鋼管樁的處治方案，可以分散隧道應力，降低地基不均勻沉降的影響，對控制隧道變形有一定的作用。