黃土地區(qū)淺埋隧道洞口邊坡穩(wěn)定性研究

王超

（中鐵十六局集團(tuán)鐵運(yùn)工程有限公司，河北 高碑店 074000）

0 引言

近年來，在黃土上修建的隧道工程越來越多。隧道入口段受工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件和人為因素的影響，在施工過程中容易發(fā)生邊坡斷裂和坍塌，嚴(yán)重影響隧道設(shè)計(jì)。整體穩(wěn)定性造成了嚴(yán)重的安全事故和巨大的工程經(jīng)濟(jì)損失。因此，有必要開展黃土區(qū)邊坡穩(wěn)定性及隧道入口段控制技術(shù)研究。對(duì)已建成的多條黃土隧道進(jìn)場(chǎng)的研究表明，大多數(shù)黃土隧道進(jìn)場(chǎng)困難，經(jīng)常面臨上升坡開裂、滑坡、圍巖變形大等問題。

1 工程概況

橫山隧道位于陜西省榆林市橫山縣邊墻壕村以東，起訖里程為DK165+160 ～ DK165+944，全長(zhǎng)784m，均為Ⅴ級(jí)加強(qiáng)和Ⅵ級(jí)圍巖，最大埋深約22m。隧道處于黃土梁峁區(qū)，地形起伏較大，隧道進(jìn)出口黃土溝壑下切較深，洞身亦發(fā)育黃土沖溝，但下切較淺，隧址區(qū)多劈為耕地，植被以雜草和灌木為主。圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)和Ⅵ級(jí)，隧道所處地層主要為新老黃土，強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、砂巖等，巖石強(qiáng)度較低，圍巖穩(wěn)定性差，存在塌方等風(fēng)險(xiǎn)，下伏煤系地層，隧道洞身位于風(fēng)積砂層和黃土地層中，圍巖自穩(wěn)性很差。如圖1所示。

圖1 橫山隧道位置示意圖

2 進(jìn)洞施工方案

（1）隧道入口施工前，應(yīng)先檢查邊坡周圍山體的穩(wěn)定性，清除松散不穩(wěn)定體，以及入口附近的黃土溶洞、空洞和裂縫進(jìn)行施工。（2）洞頂排水系統(tǒng)應(yīng)在洞口邊仰坡開挖前完成。（3）邊仰坡應(yīng)自上而下，分段開挖，邊坡防護(hù)，及時(shí)封閉，不應(yīng)掏槽開挖或上下重疊開挖。（4）邊坡開挖應(yīng)預(yù)留30cm改造層，邊坡必須及時(shí)用人工刷、壓實(shí)、平整，防止超挖，保證邊坡平整。（5）洞口施工場(chǎng)地布置及便道開挖不得影響隧道邊仰坡的穩(wěn)定，并應(yīng)避免大開大挖。（6）隧道進(jìn)洞前應(yīng)按設(shè)計(jì)要求完成邊仰坡防護(hù)工程及超前預(yù)支護(hù)，在邊仰坡穩(wěn)定的前提下方可進(jìn)洞。（7）隧道入口施工過程中，應(yīng)適當(dāng)增加監(jiān)測(cè)測(cè)量頻率，加強(qiáng)對(duì)側(cè)坡和淺層地表裂縫和變形的監(jiān)測(cè)。（8）隧道入口段宜倒轉(zhuǎn)，靠近隧道掌子面開挖。第一支撐應(yīng)盡快形成封閉結(jié)構(gòu)，并盡快建成明洞和二次襯砌[1]。

3 黃土地區(qū)淺埋隧道洞口邊坡穩(wěn)定性分析與監(jiān)控量測(cè)

3.1 滑坡原因分析

（1）洞口邊坡為巖石堆積邊坡，當(dāng)該類邊坡頂部堆積體剪應(yīng)力發(fā)生明顯變化時(shí)，容易發(fā)生沿著分型線滑動(dòng)，造成剪切滑移。（2）洞口刷坡后，洞口上方局部巖體塊體的抗滑強(qiáng)度降低，導(dǎo)致局部塊體向前移動(dòng)，從而降低對(duì)后塊體的支撐作用，身體也向前移動(dòng)。（3）隧道開挖為隧道上方巖體的運(yùn)動(dòng)提供了通道面，使隧道上方的巖體向隧道內(nèi)位移。當(dāng)埋地隧道深度較淺時(shí)，地面沉降相對(duì)較高。（4）溶洞開挖時(shí)，采用漸進(jìn)局部開挖的方法，對(duì)圍巖擾動(dòng)較大，二次覆層和倒底不及時(shí)固定，削弱了山體本身的穩(wěn)定性[2]。

3.2 監(jiān)控量測(cè)

（1）量測(cè)方法和要求：①隧道內(nèi)觀測(cè)可分為開挖面觀測(cè)和施工斷面觀測(cè)兩部分。每次開挖后應(yīng)對(duì)開挖面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如在觀測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)附近巖石狀況惡化，應(yīng)立即采取適當(dāng)?shù)木S護(hù)措施；觀測(cè)結(jié)束后，應(yīng)按時(shí)制作開挖面地質(zhì)草圖和地質(zhì)條件記錄卡。在節(jié)理裂隙發(fā)育的硬巖鑲嵌、塊狀、脆性斷面，應(yīng)注意觀察節(jié)理、裂隙方向和圍巖發(fā)育程度，易崩塌的巖塊應(yīng)注意觀察。及時(shí)扭曲或噴射混凝土。每天至少對(duì)施工段進(jìn)行一次觀察，主要觀察噴射混凝土、錨桿、鋼框架和二次覆層的運(yùn)行情況。洞外觀察應(yīng)以洞口及洞體埋深淺為重點(diǎn)。觀察應(yīng)包括地表裂縫、地表下沉、穩(wěn)定坡度和根部以及地表水入滲[3]；②圍巖變形及隧道初期支護(hù)測(cè)量圍巖及初期支護(hù)變形測(cè)量是施工管理的重要組成部分，是施工安全和質(zhì)量的保證。過梁變化、拱頂下沉、地表下沉（淺埋段）等測(cè)量位置應(yīng)設(shè)置在同一段上，以利于了解變形規(guī)律[4]；③量測(cè)斷面間距為5m、開挖時(shí)水平收斂基線布置2～3條，拱頂下沉測(cè)點(diǎn)每個(gè)斷面內(nèi)布1～3點(diǎn)。各測(cè)點(diǎn)布置如圖2。水平收斂上下兩測(cè)線間距約為3.5m，下方測(cè)線距離內(nèi)軌頂面距離約為1.5m；④地表下沉量測(cè)，橫斷面方向地表下沉的測(cè)點(diǎn)間隔取2～5m，在一個(gè)測(cè)量斷面內(nèi)設(shè)7～11個(gè)測(cè)點(diǎn)。地表下沉的測(cè)量從開挖前的H+h（隧道深度+隧道高度）開始，直到襯砌結(jié)構(gòu)關(guān)閉并停止下沉，如圖3。

圖2 隧道圍巖埋設(shè)點(diǎn)示意圖

圖3 地表沉降觀測(cè)示意圖

（2）測(cè)量頻率。每次開挖后應(yīng)對(duì)開挖面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，施工段至少每天監(jiān)測(cè)一次。觀察門楣變化、拱頂下沉和地表下沉等要素的測(cè)量頻率應(yīng)根據(jù)位移速度和被測(cè)斷面距開挖面的距離來確定。

4 數(shù)據(jù)處理與分析

4.1 坡度垂直位移

邊坡的豎向位移反映了邊坡的豎向位移，有兩個(gè)參數(shù)：累積豎向位移和速度。“+”表示下沉，“-”表示上升。1～6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大累計(jì)垂直位移為7.4mm；垂直位移的最大變化率為0.023mm/d。每個(gè)點(diǎn)的最大日平均變化高于指定的規(guī)格值。它顯示出逐漸收斂的趨勢(shì)，直到最終穩(wěn)定下來。

4.2 邊坡水平位移

斜坡的累積水平位移和速度，“+”表示沿斜坡向外，“-”表示沿斜坡向內(nèi)。1～6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大累積水平位移為5.6mm；水平位移變化率的最大值為0.020mm/d。每個(gè)點(diǎn)的最大日平均變化沒有超過規(guī)定的規(guī)格值。水平位移趨勢(shì)呈現(xiàn)逐漸收斂的趨勢(shì)，最終趨于穩(wěn)定并基本保持不變。

4.3 邊坡深位移

檢測(cè)深邊坡位移，確認(rèn)和確定發(fā)生位移的結(jié)構(gòu)特征，確定潛在滑動(dòng)面的深度，確定主要滑動(dòng)方向，量化和評(píng)估邊（滑坡）邊坡的穩(wěn)定性，評(píng)估加固效果邊坡（山體滑坡）。坡度整體沿坡面外移，坡峰位移最大。隨著巖體的增加，位移逐漸減小。邊坡整體位移變形在穩(wěn)定性上趨于漸進(jìn)，深部位移監(jiān)測(cè)后期無明顯變形活動(dòng)，表明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)[5]。

4.4 地下水位下降

通過觀察地下水位的變化，可以評(píng)估邊坡排水處理的有效性。邊坡地下水位變化監(jiān)測(cè)結(jié)果，“+”表示水位下降，“-”表示水位上升。1號(hào)監(jiān)測(cè)孔地下水位共下降0.45m，2號(hào)監(jiān)測(cè)孔地下水位共下降0.32m。后期穩(wěn)定，無異常，說明邊坡排水系統(tǒng)合理。

5 現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

隧道洞口段一般處于地表侵蝕嚴(yán)重、風(fēng)化裂縫發(fā)育的斜坡上。此外，入口段隧道一般較淺，結(jié)構(gòu)頂部巖土難以形成承重拱，入口段上坡易拉斷，地表水進(jìn)入內(nèi)部。過濾時(shí)，其穩(wěn)定性難以保證。國(guó)內(nèi)外對(duì)隧道入口邊坡的穩(wěn)定性研究都比較重視。在各國(guó)的規(guī)范、工程手冊(cè)和專著中，對(duì)隧道入口段的設(shè)計(jì)和施工都有特殊規(guī)定。邊坡穩(wěn)定性分析有比較成熟的理論和方法。由于黃石土體強(qiáng)度低，垂直節(jié)理發(fā)育，在地表水的作用下水體軟化，易沖刷，黃土區(qū)隧道入口段的邊坡如果沒有適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)，很容易造成隧道入口處的塌陷。倒塌并危及隧道整體穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)對(duì)黃土隧道入口段邊坡穩(wěn)定性的研究較多，主要集中在以下幾方面：黃土隧道圍巖應(yīng)力變形規(guī)律研究；黃土隧道入口段承重結(jié)構(gòu)力學(xué)特性；黃土隧道加固技術(shù)。

6 結(jié)語

合理的施工方案和施工措施對(duì)隧道入口邊坡的穩(wěn)定性至關(guān)重要。盡量減少對(duì)圍巖的干擾，做到“像開挖、跟腳、早封閉、快鋪設(shè)”，適時(shí)插入倒底和二襯，盡快封閉圍巖結(jié)構(gòu)，形成合理的受力體系。加強(qiáng)隧道施工過程中的監(jiān)測(cè)測(cè)量和邊坡穩(wěn)定性分析，確保結(jié)構(gòu)安全。