三凱高速公路寨頭隧道設計、施工、病害的思考

薛文勛

【摘 要】隧道施工在“弱爆破、短進尺、強支護、早封閉”的施工思路指導下，根據實際圍巖變化情況，調整施工方案，在淺埋段，一般地質條件較差，易受地表因素影響。此時隧道施工難度主要表現為成洞困難，常發生塌方、冒頂事故、邊仰坡開挖后易發生坍塌，在洞內由于圍巖的變化需調整支護參數、施工方案，科學的施工方法和施工工藝是控制病害發生和發展的重要方面，它包括施工季節的選擇、開挖順序的確定、防護工程的及時實施等方面。加強施工中動態監測，采用信息施工法，可以有效地指導施工和驗證設計的合理性及可靠性。三穗至凱里高速公路寨頭隧道施工就是其中的一例，在這方面取得一點經驗，現談談體會。

【關鍵詞】隧道 施工 病害 思考

一、工程概況

三穗至凱里高速公路屬國道主干線上海至瑞麗公路在貴州境內的一部份，雙向四車道，路基寬度為24.5米，設計時速為80km/h，隧道較多，寨頭隧道為其中的一座，寨頭隧道為聯拱隧道，單洞限界凈寬：2×3.75m車行道+2×0.5m路緣帶+2×0.25m余寬+0.75m檢修道=9.75m。限界凈高：5.0m。路面橫坡：單面橫坡3%。設計荷載：汽車-超20級、掛車-120。隧道樁號為：K74+420~K74+765，隧道長度為：345米。

寨頭隧道屬三凱高速公路第四合同段，原線路設計中里程為K74+510~+760，全長250m，連拱隧道，在K74+510~+560段，采用暗挖形式通過高陡自然斜坡，襯砌形式采用II類加強襯砌，K74+560~+600段為明洞。后經地質勘察證實，K74+420~+560段為一老滑坡體，K74+420~+510段的滑體已滑走，自然地形較陡，如按設計坡率刷方，將出現70~90m的高邊坡，K74+510~+560段的滑體尚未發生大滑動，在地形上形成一山脊。鑒于這種情況，有關設計單位對此段進行了設計變更，在確定方案時主要考慮以下三個因素：①K74+510~+560段隧道位于老滑坡殘留體上；②出現高邊坡；③線路左側下部為一小學，如果進行刷方，施工爆破產生的飛石和危石威脅學生安全，小學搬遷費用大。經多方論證，決定將隧道向三穗方向延長90m，即隧道進口的線路里程改為K74+420，延長隧道形式采用抗偏壓框架和抗偏壓擋墻；另外對K74+510~+560段的滑體設置抗滑樁進行支擋，具體工程措施如下：（1）K74+420~+560段地表注漿：在該段范圍內采用地表注漿進行預加固，沿線路長140m，垂直線路寬34.3m，加固深度4~10m。（2）K74+485~+520段抗滑樁：在距右線隧道中線右側10m處設置一排抗滑樁，共計8根，樁身截面為2m×3m，樁中至中間距5m，樁長28~35m，抗滑樁頂采用地梁連接成整體。（3）K74+420~+500段抗偏壓框架：左線采用抗偏壓框架，右線仍采用暗挖隧道。抗偏壓框架具體設計為：①外墻：承載樁為基礎，樁間設置30cm厚的擋渣板，樁與樁采用地梁連接，地梁上施做外墻，樁間外墻采用拱形連接，外墻頂寬1m，胸坡1：0.3，底寬4.24m，高10.8m，采用現澆鋼筋混凝土；②內墻：由1.5m×2.5m的中墻樁與中墻擋板、外加30cm厚的防水墻組成；③頂板：頂板為跨度11.4m、厚1m的鋼筋混凝土板；④底板：底板為跨度11.4m、厚1.2m的鋼筋混凝土板。（4）K74+500~+535段抗偏壓擋墻：K74+500~+535段左幅隧道因地形原因處于偏壓狀態，所以在隧道外側設置抗偏壓擋墻結構。抗偏壓擋墻采用矩形承載樁作基礎，樁間設置擋渣板，樁與樁之間采用地梁連接，在地梁上設置擋墻。隧道采用暗挖法施工。

2003年4月隧道自出口向進口方向開始單向掘進，至2004年6月，K74+600~+760段隧道貫通，K74+560~+600段的明洞基礎形成，隨即開始K74+510段中導洞的開挖工作，至2004年8月，中導洞開挖了20m。受中導洞開挖和自然降雨的影響，加之K74+485~+520段抗滑樁尚未施工，K74+510~+560段的老滑坡殘留體出現變形跡象，在距線路中線60m的右側山坡上出現一長50m、寬3~6cm的貫通裂縫，2004年10月，坡體變形加速，中導洞混凝土開始開裂、掉塊。根據坡體變形情況，設計單位對設計進行變更，主要內容有：①調整原設計變更中抗滑樁，抗滑樁位置向山側平移5m，范圍調整為K74+485~+565，抗滑樁數量調整為14根，樁截面調整為2.2m×3.4m，樁長32~55m；②在K74+535~+560段隧道開挖輪廓線左側增設一排抗滑樁，共計5根，樁身截面為2m×3m，樁中至中間距6m，樁長30m；③為盡快穩定山體和保障抗滑樁的施工安全，在抗滑樁靠山側的坡面上增設預應力錨索框架，共計24片，96根預應力錨索。至2005年8月，抗滑樁與預應力錨索框架施工完畢，

坡體趨于穩定，隧道轉入正常開挖。

綜合治理平面圖

二、工程地質條件及評價

1.地形、地貌：寨頭隧道位于臺烈鎮寨頭村北面，地處貴州高原東部苗嶺山區。隧道進、出口高程分別為698、692米，隧道軸線峰頂高程為710~740米。由元古界上板溪群清水江組第三段板巖等變質形成的峰叢及溝谷，屬構造剝蝕的由淺變質巖組成的中低山地貌。隧道軸線由近北東向至南西向沿山體斜坡橫穿山脊，其南東南為斜坡地形，植被發育。

2.不良地質現象：隧道進口段位于山體斜坡上，坡度較陡，沖溝中有一較厚堆積體，其成分主要為殘坡積強風化板巖碎塊及砂質粘土，厚約0~20米。碎石約占55~70%，塊徑為2~10厘米。

3.工程地質評價：隧道工程區附近巖土構成情況，可分為兩個區，即I、II區。其中I區主要為沖溝、山脊、斜坡等地段，其上覆蓋層為殘坡積碎石土，厚度為0.50~10.00米，下伏基巖為元古界上板溪群清水江組第三段（P璽bnbq3）灰色、深灰色薄至中層狀板巖及變余砂巖；II區主要為河谷、河漫灘、山間平地等地段，其上覆地層主要為沖洪積卵石土及耕土等組成，基巖為元古界上板溪群清水江組第三段（P璽bnbq3）灰色、深灰色薄至中層狀板巖。

三、施工中遇見問題治理對策與工程措施

1.治理對策與工程措施

寨頭隧道地質災害治理工程設計主要采用了“減、錨、擋、固、疏”等手段，即清方減載與錨固支擋相結合，輔以灌漿加固和截排地表水、疏排地下水。工程措施主要有：錨索框架(錨墩)、掛網噴錨、抗滑樁（錨索抗滑樁）、樁板墻、灌漿加固、大管棚、超前小導管等，下面就各種工程措施簡述如下：

（1）清方減載：在條件允許的情況下，清方減載是較為經濟的一種措施。但由于隧道附近邊坡的自然坡度較陡，一般為20~50°，過度的清方又會增大邊坡高度，往往會出現“搬山頭”現象，大大增加坡面防護的工程量，同時對自然植被破壞較大，所以采取這種措施時，應把握好尺度，要進行各種方案的比選取。

（2）預應力錨索：巖土錨固是近年來發展較快的、成熟的技術、廣泛應用于巖土工程諸多領域，它具有可提供大噸位的主動力、工程布置靈活、經濟、施工方便等優點，在三凱高速公路的滑坡治理和高邊坡加固中大量使用，尤其是在滑坡的剪出口較高或有多層滑帶時，效果較為明顯；在預應力錨索端部一般設置鋼筋混凝土框架或錨墩作為反力裝置；在治理大型地質災害時，一般與（錨索）抗滑樁組合使用。（3）（錨索）抗滑樁：作為一種大型的支擋工程措施，是治理滑坡的主要手段之一，特別是錨索抗滑樁，其受力合理，截面小，能提供較大的抵抗力。與預應力錨索框架組合使用，在坡腳設置（錨索）抗滑樁，上部設置預應力錨索框架，這種組合在工程實際中十分常見，事實證明是經濟合理的,例如k74+410---k74+700邊坡病害治理。

（4）灌漿加固：在坡體松散或坡體由坍塌體組成，無法形成設計坡面時，可采用此方法。邊坡開挖之前，預先在自然坡面上打孔注水泥漿，對坡體進行加固；但因灌漿效果不易評價，應用時一般只作為輔助工程，例如k74+410---k74+700邊坡病害治理。

2.隧道病害分析

（1）隧道進、出口病害

隧道進、出口發生的病害較多，隧道開挖仰坡和進洞時產生了大量的變形破壞，如寨頭隧道進、出口，病害導致隧道中導洞或初襯產生變形、開裂甚至垮塌的現象。多數病害的發生都和坡體自身結構密切相關，而與是否采用隧道方式關系不大，因在隧道進、出口段，隧道開挖和路塹邊坡開挖對坡體穩定的影響基本相同。

在隧道進、出口地質病害中，其危害的表現形式一般是隧道洞身混凝土強度不足以抵擋外力出現變形、開裂現象。產生外力的原因一般有以下三種：①坡體不穩定，（工程）滑坡變形產生的推力；②自然地形導致的偏壓力；③圍巖條件差，坡體內部自身重力引起的圍壓力。治理此類病害時，針對外力產生的三種原因，也可分為三種對策：①采用預應力錨索、抗滑樁等錨固、支擋措施消除坡體變形對隧道洞身的影響；②采用抗偏壓隧道結構形式；③調整隧道支護參數，使之與圍巖特性相匹配。常見的工程措施一般有：預應力錨索、抗滑樁、抗偏壓框架（擋墻）、注漿、超前支護等。

（2）隧道進、出口所在坡體為病害體

病害體的類型不一，如寨頭隧道進口段為老滑坡體，隧道開挖引起病害體復活，或產生新的工程滑坡，導致隧道變形開裂，其變形機制由病害體類型決定。此類病害中，病害體的變形或滑動方向與隧道走向之間的關系是一個非常重要的因素，寨頭隧道進口段滑動方向與隧道走向垂直，此時隧道變形主要表現形式為偏壓，構筑物出現水平的、貫通的剪切裂縫和多條環狀的拉張裂縫，監測資料反映主要為側向擠壓變形。

（3）隧道進、出口位于陡坡地段

三凱高速公路多數地段地勢險峻，橫坡較陡，隧道開挖后，如坡體產生變形，如坡體穩定，一般會出現因地形所引起的偏壓。嚴重時可導致洞身構筑物的變形開裂，主要表現形式為：靠山側洞身上部出現斜向的剪切裂縫，靠河側拱腳混凝土出現壓裂跡象，裂縫形狀不一；另外變形的范圍受地形控制。

（4）隧道進、出口位于淺埋地段

在“早進洞，晚出洞”的設計思路指導下，多數隧道的進、出口都或多或少地有一部份屬于淺埋段。在淺埋段，一般地質條件較差，易受地表因素影響。此時隧道施工難度主要表現為成洞困難，常發生塌方、冒頂事故（如三凱高速公路屯州隧道出現了冒頂事故）。

（5）隧道與病害體的空間關系控制病害的規模和性質

在線路修建過程中，不可避免地要對自然邊坡進行改造。在出現地質病害中，隧道與病害體的空間關系控制地質病害的性質和規模，如隧道在病害體中、前部通過，病害性質一般為工程滑坡，規模較大，而且病害體的滑動方向與隧道走向之間的關系決定隧道變形的表現形式；如隧道在病害體后部通過，病害性質則為地形偏壓，規模小。

3.遇見實際問題情況及治理措施

寨頭隧道K74+440~+565段山體開裂治理方案（1）出現情況：隧道K74+565~K74+545段正在進行中導坑施工，由于本段巖石嚴重風化、破碎，管棚施工時，鉆孔至20米左右，出現鉆頭無法拔出，K74+500~K74+550段隧道山體開裂距隧道中線50m，比設計高程高57m，裂縫寬5cm，主縫長50m。根據施工情況及本段隧道所處的位置、地質地貌，本段山體開裂系淺層滑坡，由于山高坡陡，巖體破碎，且處老滑床上緣。2004年7月12日~19日連降大雨，引發坡頂開裂，即使不施工，裂縫也會產生，與施工無聯系。但是若不對該滑坡體作合理處理，危害極大，必然對隧道的穩定、施工安全造成嚴重不利。對山腳下民房及村民生命安全危害極大。

治理措施：2005年2月1日上午對K74+440~K74+565段開裂山體進行了現場查看，該段山嶺開裂嚴重危及山腰抗滑樁、地表注漿施工及坡腳寨頭小學及周圍村民安全，但若停工待處理，將嚴重影響工期。根據現場查看結果并結合實際情況，為確保工期、并保證施工安全和坡腳學校及村民的生命財產安全、防止事態繼續擴大、采取如下緊急處理措施：1、在K74+440~K74+565段山體開裂范圍內采取注漿固結開裂山體。2、K74+440~K74+565段注漿范圍內設置錨索框架，錨索需嵌入基巖。

（2）出現情況：隧道所處地質條件復雜，地表為坡積碎石土層，松散破碎，厚度達8~10米，屬淺埋偏壓隧道。2005年6月19日凌晨，已施工的K74+505~565中導坑左側初期支護出現開裂，裂縫最大寬度達10cm；并且K74+485~565段右側山頂裂縫也進一步發展，且變化較大，6月19日至6月20日，裂縫寬度變化達25mm。經分析研究，由于此前兩天普降大雨，坡積碎石土層變形體松散、空隙率大，受雨水浸泡、滲入，加上該山坡上所設計預應力錨索框架正在施工，但并未張拉，使得裂縫進一步擴大和延伸。由于該段隧道為淺埋隧道，所處地勢較陡，加之覆蓋層為坡積碎石土層，松散破碎且厚度較厚，雨水較容易滲入，增加了對隧道偏壓，使得K74+505~565中導坑左側初期支護出現開裂。由于該段工點工期緊張，而山體變形和傍山偏壓又給孔樁開挖及隧道施工造成安全隱患，故應對該段山體進行綜合整治，以確保隧道施工和后期運營安全。

治理措施：（1）K74+485~565段隧道右側設置一排錨索樁，樁間距6m，樁身截面2.4m×3.6m，樁長27~46m，共計14根。（2）K74+485~565段錨索樁頂以上4m處山坡設置一排預應力錨索框架，共8片，以治理山坡和保證孔樁開挖安全。（3）K74+420~485段隧道頂以上15m處山坡設置一排預應力錨索框架，共7片，以確保該段隧道施工安全。（4）K74+565~585段隧道右側山坡設置4片預應力錨索框架，根據現場地形布置，以確保該段隧道施工和后期運營安全。（5）為防止K74+565處仰坡山體繼續變形而影響明洞安全，在該處仰坡上設置3片預應力錨索框架。

四、施工效果評價

該隧道于2003年4月20日開始施工，2006年8月20日完工，在“弱爆破、短進尺、強支護、早封閉”的施工思路指導下，根據實際圍巖變化情況，調整施工方案，在施工逐步掘進的過程中，出現問題，現場研究處理，通過上述方案的處理，效果顯著，目前沒有發現任何質量問題，工程質量達到設計要求。

五、結語

隨著山區高速公路的不斷延伸，在線路設計中，隧道的數量和長度不斷增加，隧道進、出口不良地質病害愈發常見，因病害位于隧道進、出口，常導致隧道無法進洞，不僅造成建設費用增加，且往往成為影響工期的主要因素。通過對三凱高速公路寨頭隧道施工中發生的不良地質災害進行總結和反思，主要有以下幾點：

（1）在方案設計階段，確定線路走向時應充分考慮線路在通過不良地質區域時可能引發的地質災害，尤其是影響范圍較大的區域性地質構造，并將其作為衡量線路走向是否合理的重要技術指標之一；在施工圖設計階段，地質勘察的重點查清不良地質災害體的坡體結構，在線路設計中調整線路通過災害體的形式或主動進行防護。

（2）加強施工階段的地質工作，通過開挖揭示的地質剖面可以使工程技術人員真實、直觀地了解坡體的工程地質情況，彌補地質勘察的不足，若發現地質情況有變化，可立即調整設計、施工方案。

（3）在工程施工中發生不良地質并影響工程安全后，應采用各種地質勘察手段，查清不良地質的坡體結構和變形機制，選取合理的工程措施對不良地質進行整治，做到有的放矢。

（4）對于隧道進、出口位置，在查清坡體結構后，通過數值分析或類比等方法判斷坡體在開挖后的穩定度，如坡體不穩定，可調整隧道進、出口位置來避開不良地質。一般情況下，易將隧道進、出口向山側內移，使之位于穩定邊坡內。

（5）每種工程措施都有優缺點，要注意各自的適用條件，應根據具體情況選用工程量措施，使其充分發揮作用，才能做到經濟合理。

（6）在隧道施工中，科學的施工方法和施工工藝是控制災害發生和發展的重要方面，它包括施工季節的選擇、開挖順序的確定、防護工程的及時實施等方面。加強施工中動態監測，采用信息施工法，可以有效地指導施工和驗證設計的合理性及可靠性。

(作者單位：貴州省交通建設咨詢監理有限公司）