高地震烈度區隧道洞口高陡崖壁穩定性分析及加固技術

羅培新

（中國鐵路烏魯木齊鐵路局集團有限公司庫爾勒鐵路建設指揮部，新疆 巴音郭楞蒙古自治州 841300）

1 引言

伴隨著國家基礎設施建設規模的不斷擴大和地區經濟發展，中西部地區的鐵路建設也在有序推進。特別是在一些地質條件復雜地區修建鐵路的情況越來越多。西南地區屬于中國地震頻發地區，隧道施工區域圍巖地質條件復雜生態環境脆弱、地災頻發、施工敏感、洞口巖堆、破碎圍巖、高地應力、涌水、巖爆、軟巖大變形等災害較為常見。隧道洞口進洞施工過程中容易遇到高陡崖壁、高陡邊坡的加固及災害防控等難題，也往往成為制約隧道施工工期和影響后期隧道運營安全的重要因素之一。

關于高陡邊坡開挖影響及合理施工影響控制等方面也有相關的研究及應用。王吉亮等人[1]認為在邊坡高陡等條件下，邊坡的開挖可能引起邊坡出現傾倒變形、順層滑移變形等問題。張騫[2]對高烈度地震區順層高陡邊坡失穩機理與控制對策開展研究，建立了高烈度地震區高陡巖質順層邊坡失穩的控制體系。黃潤秋[3]對復雜地質條件下偏壓雙連拱隧道圍巖—邊坡體系施工過程中的力學變化規律進行了研究。

高地震烈度區隧道洞口施工與臨近高陡崖壁施工中存在相互影響，如何確保邊坡加固與隧道洞口工程，乃至隧道正洞施工安全至關重要。本文主要結合具體的工程應用實例，開展相關工程施工的技術研究及工程應用。

2 工程概況

工程依托為在建成蘭鐵路，該區域內地震頻發地區大地震余震活動頻繁，汶川地震觸發地質災害發育強烈發育。標段內某隧道出口屬構造剝蝕高中山地貌，地形切割強烈，山體自然坡度75°～85°，陡崖高差近220 m，地勢險峻，局部有零星落石、掉塊，洞口段穿越崖腳體積為5.4×105m3的大型松散巖堆體。洞口高陡倒懸千枚巖崖壁分布于隧道出口，上方巖質陡崖的崖腳有較嚴重的倒懸現象，倒懸橫向發育范圍長約60 m。存在大量危石、落石；巖體軟硬不均、風化強弱不一、局部存在空洞，時有危石崩落，嚴重影響施工及運營安全。出露基巖為砂巖夾千枚巖，局部為炭質千枚巖，砂巖為鈣質膠結，巖質較硬；千枚巖、炭質千枚巖巖質較軟。

隧道洞口上方倒懸陡崖賦存情況如圖1所示。

3 施工重難點分析

由于隧道地處地震頻發地區，洞口圍巖具有節理裂隙發育、倒懸千枚巖陡崖坡度大、倒懸長度大等特點。在施工過程中為確保洞口進洞及洞口邊坡開挖施工安全，需要重點解決以下問題：①洞口倒懸陡崖段巖體的總體應力分布情況評估。洞口倒懸千枚巖陡崖段巖體破碎、節理裂隙發育。陡坡開挖前，需要系統評估出巖體的總體受力情況，摸清受力的集中區域，確定出施工中需重點加強和進行變形控制的薄弱點，為變形控制方案的制訂提供理論參考。②節理裂隙發育陡崖的控制爆破施工。邊坡陡崖段存在節理裂隙發育、坡陡、臺階高度大等問題，如何采取合理的控制爆破參數，最大程度地降低爆破對預留巖體的影響，減輕圍巖損傷程度，是爆破施工中需要重點控制的方向之一。

4 總體實施方案

4.1 受力分布情況數值模擬評估

通過建立有限元數值模型，對隧道洞口邊坡自然狀態應力分布情況進行數值模擬分析。數值模擬結果顯示：斜坡最大水平拉應力分布在隧道出口上方，最大豎向應力分布在坡頂，最大剪應力出現在隧道出口；坡腳卸載清方造成倒懸坡體產生潛在破壞趨勢，隧道口倒懸凸出坡體存在局部破壞點，開挖臨空邊坡可能會發生失穩破壞。

斜坡自然狀態數值模型如圖2所示，水平方向應力云圖如圖3所示，邊坡分析潛在破壞點如圖4所示。

圖2 斜坡自然狀態數值模型

圖3 水平方向應力云圖

圖4 邊坡分析潛在破壞點

豎直、水平向位移分別如圖5、圖6所示。離散元數值模擬分析表明：最大水平位移出現在隧道口下部，最大垂直位移出現在隧道口上部；斜坡整體穩定。在隧道口上方，存在6～8 m的巖體，處于臨界穩定狀態，受到地震或施工擾動，會發生破壞、掉落。

4.2 高陡巖壁臺階控制爆破施工技術

4．2．1 總體原則

采用加強松動和光面爆破，自上而下逐級分段、分次爆破技術。山頂往下第一、二、三級邊坡，采取分層分段、分次淺眼爆破，其他下部分級邊坡采用分次深孔爆破。

圖5 豎直向位移云圖

圖6 水平向位移云圖

4．2．2 臺階爆破參數

4.2.2.1 鉆機選型及炮孔直徑

淺孔爆破開挖深度H＜5 m，現場采用YT28鑿巖機鉆孔施工，炮孔直徑d取40 mm；深孔加強松動控制爆破分層高度按照10 m設計，即孔深取10 m，選用100B型簡易潛孔鉆配合CM358履帶式氣動潛孔鉆機鉆孔，鉆孔直徑d取90 mm。

4.2.2.2 底盤抵抗線

根據施工經驗，淺孔爆破底盤抵抗線W1取1.5 m；深孔爆破前排炮孔底盤抵抗線W1取4.0 m。

4.2.2.3 孔深與超深

根據規范及類似工程經驗，淺孔爆破選取超鉆深度h=0.3 m，垂直孔最大深度L=H+h=5.3 m；深孔爆破選取超鉆深度h=1.0 m，垂直孔最大深度L=H+h=11 m。

4.2.2.4 孔距和排距

為了提高爆破質量及效果，淺孔、深孔爆破均采用三角形（梅花形）布孔、排間微差爆破方式，鉆孔密集系數m取0.8～1.0。本工程淺孔爆破選取a=1.3 m，b=1.2 m；深孔爆破選取a=4.0 m，b=3.5 m。

4.2.2.5 裝藥結構及填塞長度

采用孔底氣墊間隔裝藥結構。淺孔爆破空氣氣墊長度取0.2 m，深孔爆破空氣墊長度取0.3 m。堵塞長度淺孔取1.2 m，深孔取2.5m。

4.2.2.6 爆破參數表

臺階控制爆破參數如表1所示。

表1 臺階控制爆破參數表

4.2.2.7 現場實施

現場按照自上而下逐級分段、分次爆破的總體爆破方案，其中第一、二、三級邊坡采取分層分段、分次淺眼爆破的方法組織實施。實現了洞口危巖落石爆破清除，確保了施工及運營安全。施工過程及爆破效果如圖7所示。

圖7 施工過程及爆破效果

4.3 千枚巖陡坡巖壁主被動加固施工技術

4．3．1 噴錨網防護

噴射混凝土施工工藝和施工方法：噴射C25混凝土厚10 cm，分兩次機械噴射，中間鋪設一層鍍鋅機編鋼絲網，錨孔采用Φ49鉆孔，錨桿采用Φ25HRB400鋼筋制作，長度為3.5 m，間距2 m。坡面每3 m間距設一泄水孔，泄水孔上下錯開布置，內設長1.0 mΦ42PVC花管。

4．3．2 12 m 長錨桿制造與安裝

線路左側25～35 m清方坡面（清方區域與原坡面順接范圍）存在局部順層，采用大錨桿進行補強。大錨桿矩形布置，節點間距4.0 m。線路左側35～75 m巖堆后緣陡崖、噴錨網護坡以上至2 510 m高程自然邊坡采用大錨桿防護。

4．3．3 主動防護系統施工

人工清除坡面松散巖土體和尖銳突出體，使坡面平順。測量放線確定錨桿孔位（孔間距允許調整范圍縱向為4.2～4.8 m，橫向為4.7～5.3 m），孔位處人工開鑿一口徑不小于20 cm×15 cm的凹坑，以確保系統能盡可能緊貼坡面。錨桿孔鉆鑿，孔徑不小于Ф35 mm，鉆孔和凹坑的總深度應比設計錨桿長度長5 cm以上。主動網及大錨桿施工前對坡面局部凹腔進行嵌補，嵌補前清除凹腔內浮石，嵌補體與既有坡面采用錨桿連接。

坡面清方、防護完成后整體效果如圖8所示。

圖8 坡面清方、防護完成后整體效果

5 結論與體會

地震區隧道工程洞口危巖落石采取清除或者加固危巖綜合處理技術，能夠有效降低施工階段和運營階段的安全風險。高陡巖壁邊坡爆破網路采用孔內、孔外延時，排間或孔（孔群）間延時起爆技術，能有效減少因雷管段別限制而增加的爆破次數，同時，能夠有效控制單響最大藥量，從而減小爆破振動。高陡崖壁采用嵌補、錨桿框架梁護坡、錨索+大錨桿+噴錨網護坡等加固技術，可有效加固清方后的邊坡，確保巖堆體整體穩定。