某淺埋偏壓隧道出口段斜坡治理

鄭茂營 陳風光

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北武漢 430056)

1 工程背景

芭蕉特長隧道是包茂高速安康至陜川界(毛壩)段的控制性工程之一，為分離式隧道。左、右洞起訖樁號分別為ZK271+624～ZK274+638，YK271+636～YK274+632。洞門采用端墻式，出口段兩洞室軸線間距約16 m，其中左洞出口段ZK274+600～ZK274+638存在淺埋及偏壓情況。

地層巖性覆蓋層主要由上覆殘坡積(Qedl)含碎石角礫粉質粘土、崩坡積(Qedl)碎塊石、滾石夾粉質粘土構成，下伏基巖地層由志留系下統陡山溝組(S1ds)絹云母板巖等構成。

2 初期施工情況

右幅出口YK274+500～YK274+550段于2009年6月襯砌施工完畢，2009年11月份發現該段襯砌出現環向開裂，左幅出口ZK274+540～ZK274+580段于2009年11月初支施工完畢，當月下旬發現該段出現支護開裂，拱架變形現象，隨即對左洞支護段落進行周壁小導管注漿加固，右洞襯砌段落進行仰拱地表注漿加固。2010年3月，左洞相應段落仰拱開始施工后不久，右洞YK274+500～YK274+550段襯砌開裂加劇，且YK274+550左側附近段落開裂處出現襯砌混凝土剝落，二襯鋼筋已經外露，橫向出現2 cm以上的位移，且山頂明顯出現開裂，并呈現加劇趨勢。

3 原因分析

2010年3月25日～3月28日，經過現場查看并對芭蕉隧道出口處治方案進行了專家評審會，分析得出有以下原因:

1)施工順序不合理:應該采取CD法先施工左洞，再施工右洞。但實際先施工右洞，左洞也未采用CD法施工。

2)偏壓作用:隧道開挖后應力釋放，出現應力重分布，右洞內側出現最大正彎矩，而發生張拉破壞，左洞內側壓力通過型鋼往外傳遞，容易與噴射混凝土發生分離即出現噴射混凝土開裂，同時型鋼往外的移動受到約束而轉向軸線方向往洞口外移動。

3)臺階過長:隧道采取臺階法施工，二襯離掌子面太遠，初期支護不能長時間地抵抗圍巖的松弛壓力，在偏壓狀態下，往往會產生這種沒有滑動面、緩慢的坡面移動(坡面蠕動)。

4)未做反壓:在淺埋偏壓地段未全部(原設計僅在ZK274+618～ZK274+638段反壓)施作反壓回填，無法提供足夠的彈性抗力，結構兩側的水平不平衡力只有靠襯砌基底摩擦力來平衡。

5)雨水作用:在雨季地表水下滲作用下，圍巖C，Φ值降低，墻腳受水浸泡，而引起墻腳下沉及水平位移，甚至導致結構失穩，同洞口段山體下滑趨勢更加明顯，并產生較大的斜向力，在斜向力作用下，襯砌混凝土便出現剪切破壞。

4 處治方案

綜上分析，坡體在施工前是穩定的，其開裂是由于隧道開挖地形、地質偏壓引起較大變形產生的，判斷為坡體蠕動變形，如不及時處治，勢必會導致隧道出口山體失穩。

為此對洞內采用周壁注漿加固，同時對左洞ZK274+540～ZK274+580段仰拱未及時封閉成環的段落加快仰拱封閉成環。洞外橋臺外側、左洞邊線外側采用抗滑樁支擋，淺埋偏壓段地表采用回填M7．5漿砌片石處理。此外，為加強抗滑樁下部土體的穩定，對洞口施工便道擋墻段落延長以及擋墻上部邊坡采用錨桿框防護。

下面對左洞出口段斜坡采用抗滑樁支擋進行詳細設計。

5 斜坡加固設計

5．1 計算方法——剩余推力法

根據斜坡的工程地質條件及特征分析，該邊坡可采用適用于折線型滑面的剩余推力法進行穩定性計算。在應用此方法進行計算時，視巖土體為剛體，以平面二維課題來處理，即沿潛在滑面(視為滑面，以下稱為“滑面”)走向取單位寬度的巖土體(視為滑體，以下稱為“滑體”)進行計算，不考慮兩側巖土的摩擦力及其之間的擠壓力。

在考慮重力、靜(動)水壓力和地震力作用的情況下，穩定性系數為:

其中，Tk為滑體的抗滑力;Tx為滑體的下滑力。

對于單個滑塊而言，其剩余推力為:

其中，Tki為第i條滑塊的抗滑力，kN;Txi為第i條滑塊的下滑力，kN;Ei為第i條滑塊的剩余下滑力，kN;ψi為第i條滑塊的傳遞系數;Wi為第i條滑塊的自重，kN;αi為第i條滑塊的滑面與水平面的夾角(取銳角);Li為第i條滑塊的滑面長度，m;PWi為第i條滑塊中靜水壓力產生的側水壓力，kN，方向為滲流方向，大小為:PWi-1=0．5 × ρw×h1i2，PWi=0．5 × ρw× h2i2(h1i，h2i分別為滑塊兩側地下水位線到滑面的距離);Ui為第i條滑塊中動力水頭產生的浮托力，kN，方向為垂直滑面向外，大小為:Ui=0．5×(h1i+h2i)×ρw×Li;Qi為第i條滑塊所受到的水平地震力，kN。

靜水壓力受力圖見圖1。

圖1 靜水壓力受力簡圖

5．2 潛在滑動面確定及計算剖面條塊劃分

根據勘察所提供的工程地質剖面資料，將控制性剖面Ⅱ—Ⅱ的覆蓋土層(編號①)層面和強風化層(編號②-1)層面分別當作潛在滑動面進行穩定性分析，條塊劃分圖見圖2，圖3［1］。

圖2 覆蓋土層（①）條塊劃分圖

圖3 強風化層（②-1）條塊劃分圖

5．3 計算方案

本區地震基本烈度為6度。故其地震加速度取0．05g，即0．49 m/s2。根據JTJ 004-89公路抗震設計規范的有關規定，擬建工程屬重要構造物，故按地震基本烈度7度設防。

根據勘探鉆孔揭露，坡體覆蓋層含大量碎石、塊石，其透水性較強。鑒于此，認為靜(動)水壓力對坡體的作用力可忽略不計，地下水的影響應主要考慮其使計算對象飽水引起的重度、強度變化。

5．4 計算工況與安全等級

按照該處的工程水文地質條件、斜坡變形破壞的主要誘發因素和工程重要性等級，考慮地震及暴雨作用，擬定以下三種工況進行穩定性計算:

工況一:天然狀態;

工況二:飽水狀態;

工況三:飽水+地震狀態。

根據GB 50330-2002建筑邊坡工程技術規范，當采用折線滑動法進行邊坡穩定性計算時，對于一級邊坡安全系數應取1．35。

5．5 計算參數的選取

根據土工試驗結果和相似工程類比，綜合確定邊坡巖土體的計算參數［1］(見表1)。

表1 斜坡穩定性分析計算參數表

5．6 剖面穩定性計算及評價

將剖面各層不同工況下的穩定性系數計算結果匯總見表2。

表2 穩定性系數計算成果表

根據穩定性計算結果，可以作出以下基本評價:

1)整體土層，在天然工況下穩定性系數大于1．2，處于穩定狀態;在飽水工況下穩定性系數略小于1．1，處于基本穩定狀態;在飽水+地震工況下穩定性系數略小于1．0，處于極限穩定～欠穩定狀態。

2)強風化層，在天然狀態及飽水狀態下穩定系數大于1．1，處于穩定狀態;在飽水+地震狀態下穩定系數略大于1．0，處于基本穩定～極限穩定狀態。因此，強風化層總體是穩定的。

5．7 邊坡剩余下滑力計算

根據前述折線滑動模型，采用剩余推力法對各剖面各土層進行下滑推力計算。各剖面分層土條劃分與剖面穩定性計算的劃分一致。

根據工程設計資料，確定在鄰近隧道左洞工程位土條塊(編號18)后進行加固支擋較為合理。經過計算，在飽水+地震工況、不同安全系數下18號條塊處的剩余推力值歸納如表3所示。

表3 近工程位的土體條塊剩余下滑推力數值表

5．8 抗滑樁設計

1)隧道淺埋、偏壓段處理。根據實測隧道橫斷面揭示，淺埋偏壓段未經反壓處理的樁號為 ZK274+600～ZK274+618，在ZK274+613斷面左洞外側距離地表厚度不到3 m，淺埋、偏壓情況比較嚴重。通過借鑒對隧道淺埋、偏壓段處理的成功經驗，擬定對本隧道偏壓段經過反壓后地表面距離洞壁不大于5 m［2］以及反壓坡度采用較合理值20%［3］的原則控制。

2)抗滑樁位置布設。根據洞內支護與襯砌的開裂樁號以及地表實測裂縫位置確定左洞外邊線抗滑樁縱向布置樁號為ZK274+560 ～ZK274+618，編號為 No．1 ～No．11。抗滑樁背側朝向為計算剖面方向，為減少施工對隧道的影響，布置在左洞外側邊線約3 m以外。經分析，抗滑樁No．1～No．4需懸挑出來，控制高程為383．5 m，其他抗滑樁則埋入地表內，其中No．1號抗滑樁懸挑高度最高，達到8 m。懸挑的抗滑樁間設置斜向現澆混凝土肋板以便穩固回填漿砌片石。橋臺外側抗滑樁沿路線橫向布置在橋臺位置往大樁號方向偏移1．5 m處，抗滑樁編號為No．12～No．20。樁頂位置以不碰到橋梁帽梁底部為原則，控制高程為370．5 m。

3)抗滑樁內力計算。根據前面剩余下滑力計算可知，埋入地表的抗滑樁(No．5～No．11)最大受力為389．4 kN，懸挑部分的抗滑樁(No．1～No．4)不僅受到地表覆蓋層土體的下滑力，還受到上部回填漿砌片石的下滑力。經計算，懸挑最長的No．1號抗滑樁所受下滑力約810 kN，計算剖面見圖4。通過理正巖土計算軟件6．0版，對抗滑樁、肋板進行了內力及配筋計算，確定了抗滑樁截面尺寸為2 m×3 m，懸挑部分的No．1號～No．4號抗滑樁樁長為35 m，No．5 號 ～ No．11 號抗滑樁樁長為20 m，No．12 號 ～ No．20 號抗滑樁樁長為25 m，肋板厚度為35 cm。懸挑部分抗滑樁內力計算剖面圖見圖4。

圖4 懸挑部分抗滑樁內力計算剖面圖

4)施工要求及注意事項。a．抗滑樁需采用跳樁法，隔一樁施工一樁，分兩批施工，樁孔孔底沉渣不得大于5 cm。b．抗滑樁主受力筋一側迎向下滑土體，抵抗下滑力，所有抗滑樁樁身受力主筋焊接接長時，必須嚴格按照施工規范辦理。c．所有抗滑樁均需穿過孤石，若施工中發現與地質資料出入較大時，應及時通知設計單位。d．施工工程中，應密切注意施工安全，做好地表水，地下水的排放。e．抗滑樁施工完需達到28 d養護期后才可進行路基邊坡的開挖，同時邊開挖邊進行支護。

6 結語

1)包茂高速安康至陜川界(毛壩)段現已通車三年，運營情況良好，表明芭蕉特長隧道出口段斜坡加固設計取得了良好的效果。2)不穩定斜坡位于隧道出口偏壓路段，采用抗滑樁支擋加固設計中充分考慮了這一因素，本工點成功的加固治理經驗對其他類似項目具有重要的借鑒意義。

［1］湖北省神龍地質工程勘察院．芭蕉隧道出口斜坡工程施工補充勘察研究報告［R］．2008．

［2］劉建洪，盧 磊，申景宇，等．偏壓隧道明洞段初步設計淺析［J］．四川建筑，2008，28(2):108．

［3］張艷做．公路隧道超淺埋偏壓段技術探討［J］．山西建筑，2012，38(1):220-221．

［4］阮映輝，童勇江．隧道偏壓明洞在不同洞頂回填傾角下的受力分析［J］．交通標準化，2011(11):149-150．