乾山隧道山体滑坡成因分析及整治方案比选

乾山隧道山体滑坡成因分析及整治方案比选
杜翔
【摘要】山体滑坡是隧道建设及运营过程中的重要安全隐患,为进一步探究隧道山体滑坡的形成机理及隧道受力特征,依托乾山隧道山体滑坡案例,分析了该滑坡案例的成因,并采用了ABAQUS软件建立分析模型,基于强度折减法原理重现了山体滑坡、隧道结构开裂的发生,同时对多种整治方案进行了综合比选,最终确定了“增设抗滑桩加固+填土17 m+高山侧山体刷坡”整治方案.经现场实施后,现场效果验证了分析结果的正确性,并证明了整治方案的有效性.可为同类滑坡整治工程案例提供参考.
【期刊名称】《湖南交通科技》
【年(卷),期】2018(044)004
【总页数】5页(P147-150,177)
【关键词】隧道工程;山体滑坡;原因分析;整治措施;方案比选;数值分析
【作者】杜翔
【作者单位】湖南省交通规划勘察设计院有限公司,湖南长沙410008
【正文语种】中文
【中图分类】U458
0 引言
随着国家经济的飞速发展，为满足人们日益增长的出行需求，以隧道建设为代表的
基础建设项目迅速增加。

隧道建设期间往往改变了隧址区的原有岩土结构，因而在面临强降雨或其他不良情况时，隧址区山体滑坡事件愈来愈频发。

截止目前，不少研究人员对隧道山体滑坡进行了研究，尹静等[1]建立了隧道与滑坡土体相互作用
的弹性围岩-隧道结构梁模型，得到了隧道与滑面交界附近范围内受力变形状态最
差的规律结论；陶志平等[2]以东荣河隧道滑坡为原型，进行了室内模型试验，研
究了滑坡体内压力和位移的变化规律；谢正团等[3]现场调查了洪亮营隧道滑坡，
分析归纳了滑坡的形成机理和过程。

上述研究结果经过工程实践验证，能够较好地指导同类工程。

为进一步探究隧道山体滑坡的形成机理及隧道受力特征，本文依托乾山隧道山体滑坡案例，分析该滑坡案例的成因，并采用ABAQUS软件建立分析模型，对多种整治方案进行综合比选，最终确定合理有效的整治方案。

1 乾山隧道裂损及滑坡工程概况
1.1 隧道开裂概况
乾山隧道进口里程DK18+495，出口里程DK29+238，隧道全长10743 m，隧
道最大埋深为515 m。

乾山隧道自2014年7月开始施工，从2015年9月底以来，隧址区降雨量明显加大，于2015年10月8日发现隧道DK19+420～306段衬砌存在通长的贯通裂缝，裂缝最大宽度为0.55 mm，且拱腰(高山侧)向洞内最
大位移为17.6 cm，拱腰(低山侧)向外最大位移为23.1 cm，隧道发生整体偏移。

图1为隧道裂纹分布截面图。

图1 隧道裂纹分布截面图(单位： cm)
1.2 山体滑坡情况
发现衬砌结构异常及整体滑移后，立即对山体进行了巡视，发现地表出现多处裂缝，最长贯通性拉张裂缝长近200 m，裂缝最宽达25 cm，主要分布于隧道高山侧山
体范围，距线位50～160 m范围，滑坡后缘抵近低山山脊。

经测绘调查，该处滑坡长度约160 m，宽度约120 m，高差85 m左右。

图2为滑坡现玚拍摄图。

a) 山顶地表贯通裂缝b) 衬砌贯穿裂缝及现场钻芯图2 滑坡现场拍摄图
2 滑坡产生的原因分析
2.1 地质情况复杂
乾山隧道边坡表层岩石为粉质粘土和全风化云母石英片岩，力学性质差；中下层的云母石英片岩具有顺层产状[4]。

另一方面，表层粉质黏土和中下层云母石英片岩形成了土石分界面，界面刚好穿越衬砌高山侧拱腰和低山侧边墙(衬砌开裂部位)。

见图3。

图3 乾山隧道地质断面图(单位： m)
2.2 土石界面的影响
土岩地层交界处一般地层形成时间较短，上覆土体较柔软、松散，孔隙率较大，含水量相对较高，其下方的岩层坚硬，密实，含水率相对较低。

当遇到强降雨或其他不良情况时，水易在界面处汇聚，使界面处形成滞水层，致使土岩交界面往往成为山体滑移的主要路径[5]。

此外，在土、岩交界地层中，由于围岩变形规律改变、开挖后围岩应力转移，且常规设计理念(纯岩石或纯土层)与实际围岩情况不匹配，易使隧道出现塌方和围岩变形过大等问题。

2.3 台风和持续降雨的作用
自2015年9月份台风“杜鹃”登陆，隧址区降雨量明显加大。

一方面，持续性降雨致使土体含水率上升，土体重度增大，降低了地层(土石结构)的材料力学性能(如c、φ值、抗剪强度)[6];另一方面，雨水更大程度汇聚在土石交界面处，滞水层含水量丰富，进一步诱发了滑坡的发生。

3 滑坡与隧道相互作用的数值模拟分析
为进一步分析乾山隧道滑坡机理，采用ABAQUS软件开展边坡稳定性分析，基于强度折减法原理模拟乾山隧道边坡失稳过程，实现滑坡灾害的重现。

3.1 计算假定及边界条件
模拟过程中，满足以下假设条件[7]：①同一层土体为满足Morh-Coulomb准则的各向同性体；②不考虑土体剪胀角；③降雨等其他不良影响均以土体强度折减的方式实现。

边界条件：约束模型底部的水平、竖向两个方向位移，以及左右边界的水平方向位移。

3.2 强度折减法原理
本模型采用强度折减法[8]对该边坡进行滑坡模拟，即建模后对岩土体材料参数进行不断强度折减，直至塑性区贯通发生滑坡，再分析隧道在滑坡作用下的受力变化与破坏形式。

具体求解过程中，地层力学参数的取值(c、φ值)按照以下公式：
(1)
(2)
式中：φm为折减后摩擦角；φ为初始摩擦角；cm为折减后粘聚力；c为初始粘聚力；Fr为强度折减系数。

3.3 模型建立及计算参数选取
依据实际情况，选取典型断面(DK19+406.29)进行二维数值分析，模型最大高差112.6 m，水平方向229.3 m，隧道顶距离边坡最高点高差83.2 m。

隧道拱顶距地面8 m，模型(图4)尺寸参数与图3基本保持一致。

各地层材料力学参数的取值参考地勘资料[4]，见表1，而衬砌采用实体单元模拟，弹模取3.15×1010Pa，泊松比取0.2，内摩擦角取62.2°，粘聚力取4.5 MPa。

图4 边坡及隧道计算模型
表1 边坡岩土材料计算参数分层材料密度D/(kg·m-3)弹模E/MPa泊松比
c/kPaϕ/(°)1粉质黏土2 2001000.447.3252强风化石英岩2 3003 0000.3400 303弱风化石英岩2 50020 0000.251 000 45
此外，强度折减过程中需要滑移失稳判据，故设置位移监控点A，当A点位移变化量急剧增加或转折明显时即可认为滑坡发生。

3.4 数值计算结果与对比验证
经计算，当折减系数仅提高至1.35时，A点位移便已急剧增加无法收敛，调取模型塑性区分布情况如图5所示。

由图可知，地层已形成贯穿性塑性区，此时塑性区上覆地层极易发生沿塑性区带的整体滑移破坏，同时该塑性区带与图2中真实滑移面基本一致，验证了该结果的正确性。

图5 地层塑性区分布
进一步地提取此时隧道结构的应力分布情况，如图6所示。

由图可知，隧道结构存在3处应力危险点，分别分布于左拱脚、左拱腰、右边墙，而危险点位置与隧道裂纹实际分布位置(图1)一致。

因此上述结果验证了分析结果的正确性，亦证明了采用强度折减法分析乾山滑坡的可行性。

图6 隧道结构应力危险点分布情况
同时，调取上图3处危险点的结构内力，并依据《铁路隧道设计规范》[9]计算安全系数，见表2。

由表2可知，3处危险点的安全系数已远低于规范要求的“抗剪安全系数不小于2.4”[9]的限值要求，且均是抗剪安全系数小，表明隧道结构应是由于承受过大剪力，致使结构出现裂损破坏。

表2 危险点内力及安全系数位置轴力/kN剪力/kN弯矩/(kN·m)安全系数左拱腰1 776.5-1 592.85-19.060.596(抗剪)左拱脚2 865.71-1 027.852 322.2 0.923(抗剪)右边墙450.832 251.483 029.790.422(抗剪)
4 整治方案综合比选
4.1 滑坡整治方案
基于乾山隧道山体滑坡情况，提出了3种整治方案，根据整治力度分别为增设抗
滑桩加固、增设抗滑桩加固+填土17 m(分层进行填土)、增设抗滑桩加固+填土
17 m+高山侧山体刷坡，后文分称工况1、工况2、工况3。

具体情况如图7。

图7 整治方案示意图(单位： m)
4.2 整治方案比选分析
在已经重现滑坡灾害的模型上，对上述3种整治方案依次进行模拟分析，探究各
方案下边坡稳定性、隧道结构安全性，以综合评价各方案效果。

4.2.1 塑性区分布情况
在滑坡灾害重现模型上(强度折减系数为1.35时)，施加各整治措施，提取塑性区
分布如图8所示。

由图可知，当地层仅施加抗滑桩加固时，已经能够大幅度减小
塑性区分布，且塑性区没有出现贯通，表明在已发生滑坡灾害的同等强度折减程度下，抗滑桩加固便已能够大大降低滑坡几率；随整治力度的进一步提高，地层塑性区分布更少，应不会出现大面积滑坡现象。

综合各工况，从塑性区的角度来看，工况1已经能够满足整治工程需求。

4.2.2 隧道结构安全性情况
在滑坡灾害重现模型上(即强度折减系数为1.35时)，施加各整治措施，提取隧道
结构危险点内力值，并计算其结构安全系数，结果见表3。

由表可知，当仅施加抗滑桩加固时，隧道结构危险点安全系数相较于未加固前虽有一定提升，但是仍远低于规范中“抗剪安全系数不小于2.4”[9]的限值要求；当施加抗滑桩加固+填土
17 m时，隧道结构危险点安全系数提升至2.433，虽能够满足限值要求，但是安
全余量非常小，当隧址区面临更大程度的不良情况时亦有可能会出现结构裂损破坏；当施加抗滑桩加固+填土17 m+高山侧山体刷坡时，危险点安全系数已提升至
3.765，不仅满足规范要求，更具有一定安全储备，对今后隧道滑坡灾害、隧道结构裂损病害能够起到有力预防作用。

从隧道安全性的角度来看，必须采用整治力度较大的工况3方能保证结构安全性。

a) 工况1塑性区分布 b) 工况2塑性区分布
c) 工况3塑性区分布图8 各工况塑性区分布情况
表3 各工况隧道结构危险点安全系数工况号位置安全系数工况1右边墙0.946(抗剪)左拱腰1.323(抗剪)工况2右边墙2.433(抗剪)右拱腰2.744(抗弯)工况3右拱腰3.765(抗弯)右拱脚4.122(抗弯)
4.2.3 地层位移情况
进一步地，在上述分析模型的基础上提取各工况地层位移，并将最大位移情况列于表4。

由表4可知，当仅施加抗滑桩加固时，已经能够大幅降低地层位移量值，山体滑坡现象基本已不存在；逐步提高整治力度，地层位移进一步降低，当施加抗滑桩加固+填土17 m+高山侧山体刷坡时，地层位移量值仅为13.2 mm；从地层位移情况来看，工况1已经能够满足整治工程需求。

表4 各工况地层最大位移工况号最值位置最大位移值/cm未整治隧道上方地表21.17工况1隧道低山侧地表4.21工况2隧顶围岩2.26工况3隧道左拱腰围岩1.32
4.3 方案比选结果
若仅从边坡塑性区分布、地层位移特征来看，整治方案1的整治力度即可满足工程要求，分析原因，这应是由于采用刚度较大的抗滑桩加固后，能够较大程度地抵抗高山侧山体的滑移变形，且受抗滑桩阻挡作用使得边坡塑性区无法贯通。

但若需综合考虑隧道结构安全性，则需要提高整治力度，仅采用抗滑桩加固远不能满足隧道结构安全性要求。

分析原因，这应是由于山体虽受抗滑桩阻挡，滑移位移量值已
较小，但是隧道结构上方荷载存在较大偏压，且隧道顶部存在较为贯通的塑性区带，导致隧道结构承受较大的不对称压力与沿塑性区带方向的滑移剪切力。

因此，综合多方面考虑，可以认为，需要采用“增设抗滑桩加固+填土17 m+高山侧山体刷坡”的整治方案方能同时保证山体边坡的稳定性和隧道结构的安全性。

最终，现场采用了上述整治方案，整治实施后该处山体经过数年检验(尤其是雨季)，边坡稳定性良好，隧道结构既有裂缝未有发展，且没有出现新增裂缝，现场效果证明了该方案的有效性。

5 结论
1) 基于乾山隧道山体滑坡情况，认为该滑坡出现的主要成因包括：由上覆粉质粘
土和下覆顺层石英片岩组成的复杂边坡地质条件、隧身大范围穿越土石交界面、台风影响下的持续性强降雨。

2) 采用ABAQUS数值仿真软件，基于强度折减法重现了乾山隧道山体滑坡的发生，贯通塑性区带、隧道结构应力危险点均与现场实际吻合较好，不仅验证了本文模型的正确性，亦证明了采用强度折减法分析乾山隧道山体滑坡的可行性。

3) 从边坡塑性区分布、隧道结构安全性、地层位移特征三个方面对“增设抗滑桩
加固”、“增设抗滑桩加固+填土17 m”、“增设抗滑桩加固+填土17 m+高山侧山体刷坡”这3种整治方案进行了综合比选，认为需要采用第3种方案方能同
时保证山体边坡的稳定性和隧道结构的安全性。

4) 现场采用了“增设抗滑桩加固+填土17 m+高山侧山体刷坡”的整治方案，经
数年检验(尤其是雨季)，边坡稳定性良好，隧道结构既有裂缝未有发展，且没有出现新增裂缝，一方面证明了本文分析结构的正确性，另一方面验证了“增设抗滑桩加固+填土17 m+高山侧山体刷坡”方案的可行有效，更能为同类滑坡整治工程
的设计与施工提供参考。

5) 实际隧道山体滑坡灾害往往处于极其复杂的地质环境中，滑坡的发生与治理亦
涉及多个交叉学科领域，相比之下本文有限元分析模型考虑的情况相对简单，因此，在后续工作中将从更深层次、多领域综合分析的角度对滑坡问题进行研究。

参考文献：
【相关文献】
[1] 尹静, 邓荣贵, 钟志彬,等. 横穿滑坡变形区隧道受力变形规律及影响因素分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2016(2):3615-3625.
[2] 陶志平, 周德培. 用抗滑桩整治滑坡地段隧道变形的模型试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2004, 23(3):457-457.
[3] 谢正团, 郭富赟, 王思源,等. 宝兰客运专线洪亮营隧道滑坡成因机制探讨[J]. 兰州大学学报(自然
科学版), 2015, 51(6):815-822.
[4] 中铁第四勘察设计院有限公司.南龙施(隧)05.乾山隧道设计图[Z].2013.
[5] TB 10027-2012,铁路工程不良地质勘察规程[S].
[6] 郑颖人.边坡与滑坡工程治理[M].北京：人民交通出版社，2010.
[7] 费康, 张建伟. ABAQUS在岩土工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社, 2013.
[8] 翁发根, 滕英超, 范营营. 应用ABAQUS软件结合强度折减法分析边坡稳定性[J]. 石家庄学院学报, 2016, 18(6):51-56.
[9] TB 10003-2016,铁路隧道设计规范[S].
[10] 钟浩.基于FLAC3D动态分析隧道开挖对边坡稳定性的影响[J].公路工程，2010，35(4)：147-149.。