隧道穿越富水淺埋軟巖及古滑坡段施工關鍵技術研究

蔣若愚 （中鐵二十五局集團第四工程有限公司，廣西 柳州 545007）

1 引言

近年來在國家西部大開發現代化戰略的號召下，我國西南部地區的交通基礎設施建設的飛速發展。但是由于我國西南地區地勢起伏較大，地形復雜，在道路修建和選線過程中，受整體規劃、地形等因素的限制，不可避免的會出現采用隧道穿越淺埋段或滑坡段等特殊地段的情況。當在進行穿越淺埋段或滑坡體段的隧道施工時，容易引起隧道結構變形、滑坡體失穩、塌方等后續工程事故或地質災害。如何采用有效措施確保隧道穿越淺埋滑坡體段施工安全及施工效率，對淺埋隧道穿越滑坡體段的修建具有重要價值和參考意義。本文以新建成都至蘭州鐵路松潘隧道進口為工程背景，在現場調查的基礎上開展了滑坡體穩定性分析及隧道施工方案優選工作，研究成果對類似淺埋隧道穿越滑坡段的修建具有一定參考價值和理論指導意義。

2 工程概況

松潘隧道全長8048m，為單洞雙線隧道，設計時速200km/h，隧址位于岷江左岸，地處岷江活動斷裂南段右側150～700m，位于岷江斷裂的下盤（被動盤）。東關古村1#滑坡位于松潘縣境內松潘隧道上方，鐵路沿線里程D4K241+420～+470位置，該段隧道埋深約42m。洞內開挖時東關古村1#滑坡中前段的地面沉降發生近方形地面下陷，周邊出現地裂縫，形成變形輕微的地裂縫，當時地表沉降量為2～3m，嚴重威脅到滑坡體中部下方的隧道工程的施工及滑坡體下方居民人身財產安全（圖1）。斜坡一旦失穩，危害程度非常大。隧址地層巖性主要為炭質板巖、炭質千枚巖，薄層狀，局部夾白色方解石巖脈，巖質軟，受岷江斷裂構造影響，局部層理扭曲，可見擠壓構造痕跡，小型褶皺發育，節理裂隙發育，圍巖破碎～極破碎，局部圍巖手可捏碎，局部基巖裂隙水發育，呈股狀滲流，炭質板巖、板巖、炭質千枚巖遇水易軟化，掌子面及拱頂掉塊嚴重，圍巖穩定性差。

圖1 隧道與滑坡的位置關系

3 滑坡基本特征

3.1 滑坡發育分布特征

東關古村1#滑坡位于松潘縣境內新建鐵路成都至蘭州線-松潘隧道D4K241+420～+470段上方山體處，屬于構造侵蝕地貌；主滑方向為287°，滑坡海拔介于2850～2980m之間；滑坡平面形態呈舌形，剖面形態呈圓弧形，縱長約400m，橫寬約150m，平均厚度約6m，面積 6×104m2，體積約 36×104m3；滑坡坡體平均坡度約26°，局部小于小于20°。此外，附近地面多處發生沉降，沉降面積約為300m2，沉降量2～3m，塌陷后緣有裂縫，滑坡后緣有一定程度的下挫。

3.2 滑坡變形特征

通過現場對該滑坡工程的詳細地質調查，其變形具有以下3個特點：

圖2 東關古村1#滑坡全貌

圖3 東關古村1#滑坡2～2工程地質剖面圖

①滑體物質主要為含碎石粉質粘土及粉質粘土，厚度3～8m，滑坡體積約36×104m3，規模為中型滑坡，發生破壞時以淺表部滑塌為主要方式；

②滑坡變形特征表現為滑坡體后緣下挫變形、中部變性裂縫、中前部地面塌陷；

③滑坡在天然狀態下處于穩定狀態，根據調查結果，滑坡范圍內發生的滑塌發生于汛期連續降雨后，故其變形時間主要為連續降雨后。

3.3 滑坡巖土物理力學性質

根據現場勘查結果，構成滑床的巖石為三疊系上統新都橋組（T3x）砂巖、板巖，位于強風化帶。由試驗結果可知：試驗巖石單軸飽和抗壓強度都基本小于30MPa，特別是塌陷區巖石單軸飽和抗壓強度都基本小于15MPa，均屬較軟巖。

3.4 滑坡變形機制分析

現場調查及勘探資料表明，本處滑坡中前部主滑區受下方隧道開挖過程中的爆破影響，使中前部產生集中應力，坡體應力調整，中前部巖層失穩產生塌陷區。可見，該滑坡的變形機制及破壞過程為：中間滑動區滑帶多是地質上已存在的相對軟弱帶（面），在連續降雨后受水軟化強度降低，一旦關鍵阻滑段對中間滑動區支撐減弱，將導致滑體逐漸產生變形；隨著中間滑動區的變形，致使后緣滑動區隨之向下滑移變形；最終形成前部牽引中部，中部滑體失去阻滑段牽引后部的牽引模式。

4 滑坡穩定性計算與評價

4.1 滑坡穩定性計算

4.1.1 計算模型與工況

①計算模型

勘探資料表明，該滑坡體滑帶位于巖土交界面，呈平順曲線型，可能會沿巖土交界面產生折線型整體性滑動。故本次計算按折線型滑動面破壞模式計算其整體穩定性。同時基于極限平衡理論采用折線型滑動面的傳遞系數法計算滑坡體的穩定性和剩余下滑力，計算模型見圖4，相關計算公式如下。

圖4 傳遞系數法（折線型滑動面）（堆積層滑坡計算模型）

式中：

γi—推力作用下滑坡安全系數；

Ψi—第i條塊至第i+1條塊的剩余下滑推力傳遞系數；

Ti—第i條塊在滑動面上切線方向反力，單位：kN/m；

Ri—第條塊滑動面抗滑力，單位：kN/m；

Kf—穩定系數；

Ni—第i條塊體在滑動面上的反力；

ci—第i條塊體巖土體的粘結強度標準值；

φi—第i條塊體滑帶土的內摩擦角標準值；

Li—第i條塊體滑動面長度；

θi—第i條塊體底面傾角，反傾時取負值；

Wi—第i條塊自重及地面荷載之和。

②計算工況

根據東關古村1#滑坡的地質環境背景及形成機制，計算工況考慮了3種工況：工況一，自重狀態；工況二，自重+暴雨；工況三，自重+地震。

4.1.2 計算剖面選取

本次穩定性計算選取滑坡區2-2’剖面，計算剖面模型、條塊劃分見圖5。

圖5 坡體2-2′剖面穩定性計算條分圖

4.1.3 計算參數選取

①滑體土重度的確定

計算模型中，滑坡區滑體的天然重度平均值取17.98kN/m3，飽和重度取19.62kN/m3。

②抗剪強度取值分析

參考滑體地質情況及物質組成，根據試驗室試驗結果，并通過反算檢驗以及類似工程經驗取值對比等方法綜合確定滑體土抗剪強度參數的取值，如表1所示。

滑帶土抗剪強度參數表 表1

③參數取值

滑坡穩定性計算滑帶物理力學參數取值如表2所示。

滑坡穩定性計算滑帶參數表 表2

4.1.4 滑坡穩定性計算與結果評述

①評價標準

根據《滑坡防治工程勘查規范》（GB/T 32864—2016）將該滑坡防治工程級別劃分Ⅲ級，其穩定性評價標準見表3。

②滑坡穩定性評價

本次東關古村1#滑坡穩定性計算選取了2-2’剖面。通過穩定性計算，按評價標準劃分其穩定性結果見表4。

計算結果表明：東關古村1#滑坡各剖面的穩定狀態與本次調查的情況基本吻合；天然工況下（工況 1），2-2’剖面穩定系數Fs=1.76≥1.15，均處于穩定狀態；暴雨工況下（工況 2），2-2’剖面穩定系數 Fs=1.05，1.05≤Fs＜1.15，處于基本穩定狀態；天然+地震工況下（工況3），2-2’剖面 Fs=1.52≥1.15，均處于穩定狀態。

滑坡穩定狀態劃分 表3

東關古村1#滑坡穩定性評價統計表 表4

4.2 滑坡穩定性的定性分析

對多個天然、地震工況下進行分析，該滑坡整體均處于穩定狀態，在暴雨工況下處于基本穩定狀態。但通過前述變形體的形成機制及破壞模式的分析，滑坡在連續降雨后滑坡體有可能會出現開裂、沉降、前緣溜滑等情況，若前段塌陷段不予治理或處治不當，在暴雨情況下極易導致滑坡產生滑移甚至失穩破壞。

5 淺埋軟巖隧道穿越滑坡段防治方案建議

根據滑坡穩定性與剩余下滑力結果分析，滑坡再次變形破壞的可能性大，結合現場場地條件制定施工關鍵技術方案。

5.1 松潘隧道 D4K241+420～+470滑坡體段及塌陷區施工方案

松潘隧道D4K241+400～D4K241+470段地表采用φ89mm鋼管樁注漿（如圖6、7所示），注漿管間距1.0m×1.0m，采用交錯布置方式：橫向加固范圍為隧道中線左側15m（靠山側）至右側12m；豎向加固深度為拱頂開挖輪廓線外50cm至其上方10m，兩側邊墻外加固深度中下臺階鋼架連接板處。注漿加固范圍以外部分鋼管樁樁身不開孔作為止漿段。

圖6 地表φ89mm鋼管樁平面布置圖

圖7 φ89mm鋼管樁注漿加固橫斷面布置圖

5.2 隧道支護施工方案

松潘隧道進口按新奧法原理組織施工，管棚施工段落隧道圍巖為V級，采用臺階法加臨時仰拱開挖。開挖過程中采用H型鋼架+噴錨支護，光面爆破。同時嚴格控制超欠挖，減少對圍巖的擾動和地表周邊地區生態環境的破壞。保證開挖成形質量，減少超挖回填。根據現場情況及作業環境，隧道采用超前搭接中管棚加大外插角小導管預注漿相結合的超前支護施工，管棚外插角10°～15°，φ42小導管外插角45°，環向間距均為40cm，管棚縱向6m一環，單根長9m，小導管縱向3.0m一環，單根長5m（如圖8、9所示）。

圖8 管棚及小導管安裝布置橫斷面示意圖

圖9 管棚及小導管安裝布置縱斷面示意圖

6 現場監控量測及實際處治效果

為保證松潘隧道進口順利穿越淺埋段滑坡體，在滑坡體區域范圍設置地表位移監測點，隧道內部設置監控量測點，在隧道開挖過程中監測滑坡體及隧道變形情況。根據施工期間的監控量測數據及結果顯示：在開挖支護前期，隧道內拱頂有一定變形，后期當鋼架、鋼筋網片和噴射混凝土等初期支護封閉完成后，變形逐漸收斂，總量均為20cm左右，隧道變形總體穩定。而地表變形在開挖完成后變形總量約10mm，在規范允許和可控范圍內。

7 結論及建議

淺埋隧道在穿越滑坡體段施工時，由于其地質情況的復雜性，易造成隧道塌方、初支等襯砌變形等情況發生，對隧道安全及施工進度帶來很大影響和隱患。本文對某滑坡體的穩定性進行了分析，開展了淺埋軟巖隧道穿越滑坡段施工關鍵技術研究、滑坡體處治方案優選和現場監控量測工作，采取地表鋼管樁加固、洞內超前搭接中管棚加大外插角小導管預注漿相結合的超前支護施工等關鍵技術，有效地控制隧道及周邊地表的變形情況，達到了較好的處治效果，確保了隧道在滑坡段的如期穿越和施工安全。本文施工關鍵技術及結論對類似淺埋隧道穿越滑坡段的修建具有一定參考價值和理論指導意義。