隧道正交穿越滑坡体的变形特征及控制技术探讨

2021-07-06尹川王剑非周文皎万军利李知军

铁道建筑 2021年6期

尹川王剑非周文皎万军利李知军

1.云南建设基础设施投资股份有限公司，昆明650011；2.云南省建设投资控股集团有限公司，昆明650011；3.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京100081

开挖、地震、降雨等因素容易诱发滑坡复活、启动和变形破坏，使得穿越其中的隧道产生破坏，严重影响铁路和公路的建设和运营。1970年以来，越来越多的研究人员关注并研究滑坡-隧道问题。山田刚二等［1］首次提出将滑坡问题和隧道问题结合起来研究的观点，并研究了隧道滑坡病害发生的基本地质条件和诱发原因。周德培等［2］探究了蠕动型滑坡的病害诱因及其变形破坏机理，并提出了五类滑坡-隧道地质模型。马惠民、吴红刚等［3-7］开展了大比例室外模型试验，并利用理论分析和数值计算反演分析研究了隧道不同穿越形式下的变形特征。魏家旭、张玉芳、周文皎、李家龙等［8-13］针对典型滑坡-隧道问题开展滑坡及隧道的变形机理研究，利用地质分析判断、原位监测、数值模拟等方法提出了合理的控制技术，降低了工程代价，保证了线路安全通车。

以上学者针对隧道以不同角度和位置穿越滑坡的问题开展了受力特征、变形机理、整治方案等方面的研究。在隧道正交穿越、平行穿越和斜交穿越滑坡体三种情况中，最为常见和突出的问题是隧道-滑坡正交问题。这里正交指滑坡轴向与隧道轴向呈70°～90°相交。

根据隧道正交穿越滑坡体（尤其指滑带）的空间关系可分为隧道从滑坡体内、滑带上以及滑床内三个位置穿越，如图1所示。其中①为隧道位于滑坡体内；②为隧道穿越滑面；③为隧道位于滑床内。当隧道-滑坡为正交关系时，隧道施工扰动可能引起滑坡体的局部蠕动变形，继而引起其整体复活滑动，使得穿越滑坡体段的隧道产生开裂形变甚至破坏，严重威胁隧道安全和边坡稳定。

图1 隧道正交穿越滑坡体分类

现阶段的研究只局限在隧道与滑坡的相对位置分类及各种穿越形式下的变形特征，并没有明确其破坏模式，难以开展后续整治工作。因此，本文在现有分类的基础上，基于滑坡的破坏特征及滑坡-隧道相互作用，在仅考虑单滑面的条件下，按照隧道正交穿越滑坡体的相对位置，总结提炼六种隧道变形破坏模式，命名采用“发生部位-破坏方向及受力特征”的模式，并从隧道正交通过滑坡体内、滑带及滑床三种情形进行详细分析，提出适宜的控制技术。

1 隧道位于滑坡体内

在隧道设计时须考虑隧道所穿越地段的工程地质条件、围岩强度等级、隧道埋深等。在隧道穿越滑坡体内时，隧道既受到围岩土体传递的压力，又受到滑坡传递的推力，存在隧道从滑坡体的牵引段、主滑段和抗滑段三种位置穿越的情形。沿滑动方向，在滑坡变形过程中牵引段和主滑段向前挤压抗滑段，滑坡上部（后缘）的滑坡推力较下部（前缘）更大。隧道的埋深、横截面大小也是影响隧道受力的重要因素。当隧道从较薄的滑坡体中下部（主滑段下部或抗滑段）浅埋穿越时，隧道将承受并传递较大的滑坡推力，受滑坡推力及浅埋偏压作用等影响，其变形较穿越较厚滑坡体的变形更严重。因此，综合考虑隧道埋深、穿越位置等因素，将隧道正交穿越滑坡体内的情况分为隧道从较厚滑坡体内和从薄滑坡体内穿越两种情况。

1.1 隧道从较厚滑坡体中穿越

当隧道从较厚滑坡体中正交穿越时（图2），斜坡对隧道的偏压作用不明显。一般而言，隧道在穿越滑坡体内和滑坡侧界处的受力是不同的。滑坡侧界-滑坡体横向错断破坏模式下的隧道受力及变形如图3所示。

图2 隧道从较厚滑坡体中穿越示意

图3 滑坡侧界-滑坡体横向错断破坏模式下隧道受力及变形

在滑坡体左右界处，由于周围稳定岩体的摩阻力形成左右侧两对力偶，对穿越其中的隧道产生剪切作用。滑坡蠕动变形时，其剪切力将逐渐产生并增大。如果滑坡侧界的剪切力大于衬砌结构的抗剪强度，那么隧道将产生剪切裂缝甚至破坏。

由图3（b）可知，滑坡体内的隧道主要承受上覆岩土的挤压力P、隧道山侧传来的滑坡推力F以及隧道河侧承受的岩土抗力K。在这些力的共同作用下，隧道整体向河侧变形偏移。由于滑坡体内沿滑坡主轴向两侧的滑动速度逐渐减小，因此不同滑动速度引起的变形导致不同位置的隧道产生不同破坏程度的横向变形，表现为相互错动的横向破坏。隧道穿越滑坡体内部的长度较长时，横向变形会表现为弯曲变形，这种破坏模式称为滑坡侧界-滑坡体横向错断破坏。

成昆（成都—昆明）铁路林场隧道［14-16］位于四川省青杠至沙坝段内，在隧道选线和建造时就发现该处隧道正交穿越一古滑坡（图4）。设计时采用了适宜的整治方案，使得该段线路在建成后的24年（1969—1991年）内一直处于安全运营的状态。但1991年7—9月连续强降雨使得地表短时间内汇水并下渗，增加了滑坡体自重，同时也使得滑坡体的滑动带向更深部牵引至基岩（玄武岩）顶部的风化带处，加之坡脚常年受河流冲刷下切，致使古滑坡复活，后缘裂缝逐渐张开，隧道内出现20余条横向裂缝及错台，整体向河侧变形偏移约540 mm，沉降约100 mm。

图4 成昆铁路林场隧道滑坡平面示意

该隧道病害与隧道开挖并无直接关系，主要是受河流长期冲刷下切的影响，短时间强降雨导致古滑坡体复活。隧道整体均处在滑坡体内（隧道全长75 m，滑坡宽320 m），因此，隧道整体向河侧偏移，没有受到侧界的剪切作用。该隧道的病害整治采用了大量的抗滑工程，整治费用较高。

1.2 隧道从较薄滑坡体中穿越

隧道正交穿越抗滑段或主滑段前部时，滑坡体抗滑段及主滑段厚度较小，属于浅埋隧道，抗滑段几乎被隧道占据，绝大部分滑坡推力由隧道承受和传递，隧道围岩承担较少。隧道施工时抗滑段的抗滑力被快速、大量地移除，使得抗滑力几乎为0，引发上部岩体向隧道开挖处变形和挤压，开挖处地表隆起鼓胀。同时，后缘裂缝张开贯通，雨水下渗软化滑面，进一步加剧隧道变形破坏。在隧道山侧边墙和山侧拱肩处受压较严重，且沿着隧道轴向有纵向裂缝展布，其变形破坏的发展周期及破坏程度较滑坡侧界-隧道横向错断破坏更严重。这种从较薄滑坡体内穿越的破坏模式称为薄滑坡体-隧道纵向挤压破坏。

南昆（南宁—昆明）铁路尾组一号隧道［17］位于八渡站至文佃站区间。斜坡赋存一古滑坡体，岩层顺倾172°∠33°，该隧道以NW34°从斜坡体中下部穿越，如图5所示。2017年9月连续强降雨（降水量191.7 mm），致使隧道仰坡产生明显的变形，隧道内出现长约4～7 m的横向贯通裂缝，裂缝渗水明显，在滑坡右侧界处有环向贯通剪切裂缝展布，错开约10 mm。

图5 尾组一号隧道滑坡全貌

该隧道病害是强降雨导致的古滑坡体整体复活。受滑坡影响，隧道向河侧偏移，有明显错动。采用了布设抗滑桩等支护形式进行整治，费用较高。

2 隧道位于滑面（带）上

隧道正交穿越滑坡体的滑面（带）时，隧道受到上覆岩土压力P、隧道山侧传来的滑坡推力F及隧道河侧承受的岩土抗力K，如图6所示。此时，隧道类似一个位于土体中的薄壁空心圆筒，抗剪截面积不大，抗剪能力较弱，受滑带蠕动变形时在滑面附近易产生剪切破坏。使其产生变形开裂或破坏失效的因素主要为隧道开挖施工和降雨。一方面隧道的开挖使得滑面被切割，隧道结构承担并传递滑坡推力，由于隧道衬砌结构只能承受小变形，与土体相比其抗力较小，极易被剪断破坏。另一方面，受隧道开挖卸荷的影响，隧道周边形成一定的松动圈，围岩松动形成较大的空隙，引起地表水或者地下水向隧道方向（尤其是滑面位置）的聚集和流动，软化滑面岩土，导致滑坡体沿着滑面向下蠕动变形，进一步诱发隧道的失稳开裂。隧道从滑面位置穿越的破坏模式称为滑面-隧道纵向剪切破坏。

图6 滑面（带）-隧道纵向剪切破坏模式下的隧道受力

隧道穿过滑面（带）不同位置时的变形特征不同。①当隧道正交通过滑坡体牵引段滑面（带）时，受后缘张开下错的影响，隧道会沿着滑面附近产生水平拉伸破坏并逐渐产生竖直方向的下错挤压破坏；②当隧道正交通过滑坡体主滑段滑面（带）时，在隧道穿越滑动面附近产生平行于滑面（带）的斜向剪切裂缝，严重时产生剪切错断；③当隧道从滑坡体抗滑段滑面正交穿越时，隧道沿滑动面除产生剪切破坏外，还受到滑坡推力而引起挤压变形。

成昆铁路毛头马1#隧道、汕湛（汕头—湛江）高速公路水墩隧道、广乐（广州—乐昌）高速公路大源1号隧道等的破坏均属于滑面-隧道纵向剪切破坏。其中较为典型的是水墩隧道，其以近正交形式从老滑坡体的滑带处穿越，现场揭露的地层主要为上覆的滑坡堆积层和下伏的砂岩、花岗岩；斜坡中分布较多的马刀树；隧道开挖前地表多处裂缝展布贯通，裂缝最大宽度约20 cm。

受隧道开挖和长期降雨影响，围岩稳定性下降，加之隧道开挖切割滑带，导致隧道承担并传递了较大的滑坡推力作用，在滑带附近的隧道产生较多的裂缝，使得隧道衬砌产生变形破坏及洞顶塌方病害，地表塌陷。隧道的病害不仅引起了周围岩土体变形，地下水向该区域富集，还导致老滑坡体的局部变形和复活（图7）。

图7 水墩隧道滑坡-隧道病害断面

3 隧道位于滑床内

滑床在滑坡失稳变形期间一般不发生变形，但滑面以下一定距离内的岩土体仍会受滑坡滑动影响，使靠近滑面处的部分滑床岩土体可能发生变形，当隧道从这些位置穿越时可能产生变形甚至破坏。根据滑床的形态，隧道可能从滑坡的后缘后部、前缘前部及滑面下部的岩土体三个位置穿越。这三种情况下隧道的受力机理和变形特征差异很大。

3.1 隧道从滑面以下岩土体内穿越

隧道在滑面（带）以下开挖，受力来自岩土压力P和滑坡产生的扰动力Q（图8），主要表现为隧道顶部滑坡滑动引起的岩体松弛堆塌，局部可能产生坍塌或挤压变形。隧道开挖形成的松动圈（扰动范围）使得隧道与滑面（带）之间原有的隔水层产生空隙，引起不平衡的地下水压，致使承压水向隧道位置不断补给，同时滑面不断软化，加剧松动圈围岩松动，易出现挤压或者堆塌破坏。这类破坏模式称为滑床-隧道纵向坍塌破坏。这种情形多发生在隧道开挖位置位于古滑坡堆积体或岩堆体下部，受隧道开挖岩体松弛、地下水下渗等影响，隧道发生塌方冒顶，多数情况会牵引地表产生塌陷，且地表出现明显的滑坡裂缝。此时滑坡局部稳定性下降，如不进行及时整治可能会牵引滑坡整体发生变形蠕动。

图8 滑床-隧道纵向坍塌破坏模式下的隧道受力及变形

这种破坏模式下对于隧道与滑面之间的最小安全距离（扰动半径）有不同的计算方法和研究观点，一般认为最小安全距离集中在5～12 m。从受力上分析，隧道除受围压作用外，还受到滑坡挤压作用。这些力的传递均与围岩等级、坡体结构等因素有关。此外，施工工艺所引起的扰动影响也是不可避免的。因此，对于最小安全距离的计算有较大的差异，应明确不同围岩等级下的安全距离。

香丽高速公路古那湾1号隧道［18］从一古滑坡堆积体下方正交穿越。松散堆积体厚度约15～20 m，多为第四系残积相碎石土，成分较杂，斜坡下伏地层主要为三叠系板岩和灰岩。在隧道开挖过程中，受地下水活动、施工扰动卸荷等影响，隧道出现了塌方冒顶。受坍塌影响地表192 m×136 m范围内产生变形，整体似鸭梨状。在隧道洞顶的地表处形成了一个直径63 m的塌坑，并且沿塌坑周围形成4条长大贯通裂缝，分布在塌坑的两侧及山侧。

古那湾1号隧道的塌方冒顶是受隧道开挖和长期降雨影响，围岩稳定性下降，加之隧道开挖引起上覆松散体松动形成较大的空隙，加剧地下水向该位置的富集，使隧道衬砌产生变形破坏及洞顶塌方病害，地表塌陷。隧道的塌方冒顶不但使得围岩体变形失稳，也一定程度上诱发了古滑坡体的局部复活，如不及时处置可能牵引古滑坡体整体失稳。

3.2 隧道从滑坡体后缘后部穿越

当隧道从滑坡体后缘后部穿越时，如果隧道边墙距离后缘位置较近，可能由于滑坡滑动导致滑坡体结构应力调整而引起隧道受偏压作用，在隧道山侧和河侧衬砌上产生纵向拉张裂缝或者弯曲外移，这样的变形特征类似于滑坡侧界-滑坡体横向错断破坏模式中滑坡体横向错断破坏的情形，但其变形程度较小，破坏程度有限。这种破坏模式称为滑坡后部-隧道纵向牵引偏压破坏。

3.3 隧道从滑坡体前缘前部穿越

当隧道从滑坡体前缘前部穿越时，如果隧道距离滑坡体前缘位置较近，那么隧道开挖可能引起前缘处岩体松弛，强度降低，进而可能引起滑坡产生深层滑面，前缘剪出口可能向河侧更远的位置偏移，前缘可能穿越隧道从而破坏隧道稳定。或者因滑坡体在大滑动固结后，在前缘处形成堆积，加大隧道的上覆土压力。因此，在隧道设计或施工时须考虑增加前缘堆积体的上覆土压力。这种破坏模式称为滑坡前部-隧道纵向偏压破坏。

4 隧道正交穿越滑坡控制技术

由于隧道与滑坡体内的空间关系存在差异，其受力特点和破坏模式也不尽相同，控制技术也应根据实际情况选择。对于解决隧道-滑坡相互作用的问题，应首先明确控制技术的理念和原则。

4.1 控制技术的原则

隧道穿越滑坡地段时，开挖隧道会加剧滑坡体的不稳定，促使滑坡向变形破坏方向发展，也会使隧道产生变形，隧道的进一步变形破坏也会加剧滑坡的失稳破坏。因此，提出的控制对策既要保证解决隧道变形问题，又能整治滑坡失稳。

滑坡体的岩体强度是影响滑坡稳定的重要因素，滑坡的产生、变形及最终破坏的全过程是一个岩体强度不断被剥蚀减少的复杂力学过程［19-20］。一般将滑坡体视为一个刚体结构，采用强度控制的方法和原则来解决滑坡稳定问题。广泛用于滑坡加固的抗滑桩作为一种强支挡的工程措施，其适宜的尺寸和位置可保证滑坡安全和长期稳定。隧道也可视为一个刚体结构，由于须长期抵抗围岩压力并保持安全使用状态，其结构只能承受小变形，在滑坡推力的作用下将无法承受较大的挤压力而发生裂损。因此，考虑隧道穿越滑坡问题时须遵循一定的原则。

1）保证滑坡稳定的原则

当隧道通过滑坡体时，不管是哪种通过方式，一旦滑坡变形失稳，一定会引起隧道的裂损和破坏。所以解决该类问题时，首先应保证滑坡处于稳定状态。

2）限制隧道（侧向）变形的原则

在保证滑坡稳定的前提下，虽然滑坡整体稳定，但隧道是承受小变形的结构，滑坡体仍然存在局部变形，可能以致引起隧道偏位或变形破坏。所以须采取限制隧道变形的措施。

3）控制隧道局部受力的原则

隧道的设计一般不考虑滑坡的影响，仅仅考虑围岩等级。在滑坡推力作用下隧道要承担并传递部分滑坡推力的作用，导致隧道出现开裂变形甚至失效破坏。因此，应尽可能减少滑坡体直接作用于隧道结构上，有效控制隧道局部受力不均的情况。

4）避免地下水影响的原则

在滑坡变形或者隧道开挖过程中均可能破坏原有地下水平衡，改变地下水排泄路径，加剧地下水向隧道洞室或滑面位置富集和补给，恶化滑坡稳定条件，影响隧道稳定。因此，须采用避免地下水影响隧道稳定和滑坡稳定的方法。

须指出的是，由于自然环境的变化，滑坡的形态、范围和稳定性仍可能不断变化。比如成昆铁路林场隧道等工程，在选线和建设初期已经采用适宜的方法规避了滑坡的影响，但是自然环境的改变可能依旧威胁隧道的安全。所以，在解决滑坡-隧道的问题时要秉承对其采用控制的原则，而非一劳永逸的治理思路。控制的原则是对当下或未来可能产生滑坡及隧道所处环境中不利的因素进行改变和扭转，以满足实际工程需要。这种控制技术使滑坡及隧道在一定期限内是稳定的，但不排除由于新的外界因素影响而出现的新变化。

4.2 控制技术的提出

通常采用强支挡工程加固边坡的方式解决滑坡-隧道问题，但是这种方式只考虑滑坡的稳定，并没有真正解决隧道的变形问题。因此，在保证稳定滑坡的基础上，提出了一种基于隧道上方地表注浆的综合控制技术。这不是单纯的某一种加固方式或加固方案，而是从控制滑坡稳定和限制隧道变形两方面进行加固手段的融合。

1）控制滑坡稳定的方法有刚性支挡（如抗滑桩、抗滑挡墙等）、柔性支挡（如锚索、锚杆等），或者二者的组合结构（如锚索抗滑桩）。这些研究成果相对成熟，应用广泛。

2）限制隧道变形可采用地表分段多次控制注浆技术。这种技术可对隧道围岩的裂隙、空洞等进行注浆加固填补，改善围岩体的强度和稳定性，减少其孔隙率，提升其整体性。注浆体对裂隙、空洞的填补还可阻隔地下水向滑带或隧道洞室的补给通道，抑制地下水向施工范围移动，使得隧道围岩形成一个“无水”区，提高隧道两侧及拱顶位置岩体强度和抗渗性。注浆的主要载体钢花管也可作为一种桩体，与周围岩层一起组合成一个整体，在隧道周围形成群桩地下连续墙的形式，相当于把隧道套在一个相对稳定的刚体内。这种刚体结构既满足控制隧道变形的要求，又一定程度上满足传递和承担滑坡推力的作用，减少隧道传递滑坡推力，有效遏制滑坡体的滑动。该技术可有效解决施工安全性低、施工周期长等问题，具有快速施工、高效整治滑坡稳定和隧道变形的特点，起到了既整治滑坡稳定问题又限制隧道变形的双重作用。

通过采用这种综合控制技术，广乐高速公路大源1号隧道、汕湛高速公路水墩隧道等的滑坡-隧道病害均得到了良好的治理，长期监测发现，整治后隧道满足正常使用要求，边坡也没有发生新的变形。