山嶺隧道洞口淺層滑坡處治關鍵技術研究

李洋溢, 袁 通, 秦鮮卓

(廣西交通設計集團有限公司， 南寧 530000)

隨著國家經濟的穩步發展，交通強國建設的大力推進，修建高速公路面臨的地形地質條件越來越復雜，特別是西南部山嶺重丘區，路線線位大多需要穿越崇山峻嶺，有些高速公路項目橋隧比例高達70%～80%。目前地質選線的理念變得愈發重要，設計階段會盡量選擇繞避不良地質體的方案，但受地形地質條件、工程經濟以及勘察深度等因素的制約，隧道工程建設仍不可避免地會受到各種不良地質災害的影響。

當隧道線位穿越滑坡體地帶，尤其是滑坡體位于隧道洞口淺埋段時，隧道洞內施工擾動很可能會誘發滑坡體的變形和滑動，進而引起隧道整體變形、初支開裂、襯砌侵限等問題，嚴重時可能會造成重大安全事故，產生巨大的經濟損失，帶來非常不好的社會影響。由此可見，研究隧道施工與滑坡體變形的相互作用機理、減少隧道施工對滑坡體變形的影響、制定合理可靠的滑坡體加固處治措施對于隧道施工及運營期的安全意義重大。

目前，學者們對于隧道與滑坡空間不同位置的變形破壞機理、隧道-滑坡體系類型及相互影響機理、隧道穿越滑坡體綜合處治措施等問題進行了大量研究，研究方法包括理論分析、數值模擬計算、室內模型試驗等。

理論分析方面：張治國等[1]基于隧道開挖對圍巖擾動范圍公式，結合隧道上部松動巖體的分析，得出隧道正交穿越滑坡體的最小安全距離公式，并對滑坡體穩定性進行數值分析；劉天翔、張忠福[2]以某高速公路正交穿越滑坡體隧道工程為研究背景，分析隧道-滑坡體系的相互作用而引發的工程病害機制；陶志平、周德培[3]對位于滑坡體地帶的多座隧道展開調研，建立研究滑坡體變形與隧道變形關系的地質力學模型。數值模擬方面：毛堅強、周德培[4]利用有限元算法對隧道-滑坡的相互作用原理展開研究，得到隧道變形與滑坡體變形的相互規律；吳紅剛等[5]對隧道-滑坡體系類型與變形模式進行詳細闡述，利用FLAC3D有限差分軟件，研究隧道-滑坡體系相互作用的規律。模型試驗方面：秦睿、陳小云[6]以楊家灣隧道滑坡體為研究背景，自制室內模型試驗，研究楊家灣隧道-滑坡體系的變形機理；陶志平、周德培[7]根據室內力學地質模型，分析滑坡體變形與隧道相互作用機理、襯砌壓力變化規律及坡體和隧道變形特征。

本文以樂業至百色高速公路永樂隧道工程為研究背景，針對其地形地質條件及滑坡體情況，結合洞內變形與滑坡體變形相互作用機理，對隧道穿越洞口淺埋段滑坡體施工關鍵技術進行研究，并針對性地提出“洞外加固處治+洞內嚴格控制沉降”的綜合處治方案。本文創新性地提出洞外采用更貼合實際的錨筋樁處治方案，洞內從開挖方法改進、嚴格控制洞內變形措施等入手，雙管齊下，有效確保隧道洞口段施工安全，相關研究可為今后洞口滑坡處治工程提供參考與借鑒。

1 工程概況與地質條件

1.1 工程概況

永樂隧道位于樂業至百色高速公路第三合同段百色西環線，為雙向四車道山嶺隧道，布置形式為分離式，開挖跨度為12.86 m。隧道左線起訖樁號為ZK173+815～ZK174+315，設計長度500 m，最大埋深約122.9 m；右線起訖樁號為YK173+830～YK174+315，設計長度485 m，最大埋深約119.2 m。隧址區山勢險要，山體連綿，溝谷較發育。

1.2 工程地質條件

根據地質鉆探及工程地質測繪，隧道區地層主要由第四系沖洪積層(Qal+pl)、第四系殘坡積層(Qel+dl)、三迭系中統河口組中段地層(T22h)、下段地層(T12h)組成，隧道洞身段圍巖裂隙發育，完整性較差，風化程度以強～中風化為主。隧道出口段由殘坡積土、強風化泥巖與強風化粉砂質泥巖組成，巖體結構松散，且發育有多個滑坡體，工程地質整體穩定性較差。

結合室內巖石試驗成果、鉆探和物探成果以及類似工程經驗，并參考相關的規范建議值，綜合得到隧道各類圍巖的力學參數推薦值，見表1。

表1 圍巖物理力學參數

2 滑坡體情況及施工難點分析

隧道出口端附近存在多個影響隧道結構穩定的滑坡體，其中規模較大的有HP8、HP9兩處，滑坡體與隧道洞口平面位置關系如圖1所示。

圖1 隧道洞口淺層滑坡體平面示意圖

1)HP8滑坡體位于YK174+220～隧道出口右側，平面呈圓弧形。滑坡體長約100 m，高度40～45 m，厚度5～15 m，滑坡體方量約50 000 m3。滑坡體后緣呈圈椅狀，前緣見鼓丘隆起，滑坡主體為覆蓋層，土層較厚，隧道開挖前滑坡體暫處于相對穩定狀態。該滑坡體距離隧道出口較近，滑動方向與路線大角度相交，對隧道施工安全及運營穩定影響較大。

2)HP9滑坡體位于隧道出口位置，平面呈圓弧形。滑坡體長約90 m，高度50～60 m，厚度5～10 m，滑坡體方量約40 000 m3。滑坡體后緣呈圈椅狀，滑坡主體為覆蓋層，土層較厚，隧道開挖前滑坡體暫處于穩定狀態。該滑坡體滑動方向與路線走向小角度斜交，對隧道施工安全及運營穩定影響很大，由于隧址區雨量極為豐富，加上隧道施工擾動等因素，該滑坡體易轉換變成不穩定狀態。

根據隧道洞口滑坡體情況，筆者總結該隧道施工難點主要有：滑坡體位于隧道洞口淺埋段，拱頂距離滑動面較近，該段地層以第四系殘坡積土為主，土層結構松散，使得隧道施工擾動極易影響巖體的整體穩定，導致過大的隧道洞內沉降，從而引起滑坡體的變形；再加上隧址區雨季非常頻繁，雨水下滲會降低土層物理力學參數，使得滑坡體穩定性控制以及隧道洞內沉降控制變得更為困難。若隧道施工控制措施不合理，將極大影響隧道施工安全，從而可能引發滑坡體失穩變形和洞內襯砌結構開裂等問題。

3 滑坡體綜合處治措施

3.1 洞內變形與滑坡體變形相互作用機理

隧道洞內沉降變形與洞外滑坡體變形之間存在相互作用、相互影響與相互制約的關系[8]。當隧道穿越滑坡帶時，隧道開挖會對滑坡體附近巖體產生影響，加上地表降雨及地下水下滲，會降低巖體的力學參數指標，使得坡體的穩定性減弱，從而引起滑坡體的變形。而滑坡體的變形會產生巨大的滑動力，反過來會作用于隧道洞內結構，導致隧道出現過大的沉降變形。隧道洞內的沉降變形反過來又會誘發與加快滑坡體的變形趨勢，如此反復作用，最終將引起滑坡體的整體失穩。隧道洞內變形與滑坡體變形相互作用機理如圖2所示。

圖2 隧道洞內變形與滑坡體變形相互作用機理

分析上述影響規律可知，不僅需對滑坡體進行有效加固治理，還應嚴格控制隧道洞內沉降變形，減少隧道施工對滑坡體的擾動，兩方面措施雙管齊下，才能確保隧道安全順利穿越滑坡體地帶。根據上述作用機理，筆者結合隧道洞口段地形地質條件和主要施工難點，針對性提出“洞外加固處治+洞內嚴格控制沉降”的綜合處治方案。

3.2 洞外加固處治措施

目前，工程實踐中關于滑坡處治的支擋加固措施主要有抗滑樁、常規衡重式擋墻、深層注漿等，其中抗滑樁支擋結構應用最為廣泛[9]。實踐表明，抗滑樁與常規擋墻結構所需施工場地要求高，施工截面體量大且造價高，施工工期較長，對于某些地形地質條件適用性較低。

考慮到隧道洞口地形較陡且狹窄，拱頂覆土厚度較薄，地層結構松散，施工場地平臺有限，很難采用大截面圬工結構進行處治，且抗滑樁與常規擋墻開挖會對滑坡體的穩定狀態產生較大影響，其施工難度大、造價高，性價比很低，故不予以采用。

經過方案綜合比選，結合隧道洞口段地形地質條件，從方案可靠性、安全有效性、施工工期等角度考慮，選擇輕型微型樁結構——“錨筋樁+聯系梁”對洞外滑坡體進行加固處治，并加強地表截排水措施，確保隧道施工過程中滑坡體始終處于穩定狀態。該處治方案能有效適應施工場地受限的不利因素，具有施工便捷快速、施工工序簡單有效以及工程造價較低等優點。

3.2.1 錨筋樁結構及作用機理

3.2.1.1 錨筋樁結構

錨筋樁樁體結構主要由鋼筋管束與定位鋼筋組成，為鋼筋混凝土軸心受拉構件。鋼筋束由若干根鋼筋段焊接組成，各鋼筋段由注漿導管同軸連接，定位鋼筋連接于相鄰兩鋼筋束之間。中間注漿鋼管管壁開設注漿孔，利用注漿體加固周邊巖體裂隙，鋼筋束與鉆孔間隙灌注M30水泥砂漿。利用現澆鋼筋砼聯系梁，將坡體上布置的多排錨筋樁連成整體，聯系梁共有縱向和橫向兩種。錨筋樁結構斷面組成如圖3所示。

圖3 錨筋樁結構斷面圖及實物

3.2.1.2 錨筋樁作用機理

錨筋樁樁底伸入潛在滑動面以下足夠深度或中風化巖層，以承受水平方向的荷載，從而達到對滑坡體加固及支擋的效果。滑坡體處于穩定狀態時，錨筋樁結構主要發揮其支擋作用，抵擋側向土壓力；當滑坡體處于不穩定狀態時，錨筋樁結構會產生相應的抗滑力，阻止滑坡體的變形與滑動。

在錨筋樁頂部布置橫縱向聯系梁，將各排錨筋樁連成整體，從而形成整體受力的桁架結構，大大提高了錨筋樁結構的抗彎能力，增強了結構的整體穩定性，從而可以有效控制滑坡體的變形。

注漿鋼管管壁開設注漿孔，利用注漿體有效加固周邊松散巖體，通過注漿體使錨筋樁與樁間土體形成整體受力體系，并有效填充巖土體裂隙，以阻止雨水天氣地表水的下滲，從而達到改善巖體的滲透性和力學指標，提高滑坡體整體穩定性的目的。

3.2.2 錨筋樁方案施工要點

結合依托工程現場相關施工經驗與監測反饋數據，筆者對隧道洞外加固的“錨筋樁+聯系梁”方案進行分析，對相關施工參數與施工技術控制要點進行總結如下：

1)錨筋樁樁長應根據地表覆土厚度及隧道開挖輪廓而定，要求隧道兩側錨筋樁樁底標高與仰拱底標高平齊或進入中風化層，隧道頂部錨筋樁樁底與隧道拱頂距離不大于1 m。

2)錨筋樁鉆孔孔徑φ150 mm，加筋體由4根φ32的螺紋鋼焊接組成(根據現場實際情況調整數量)，樁排距為0.75 m，樁縱向間距為1.5 m，采用梅花形布置形式。

3)鉆孔過程中應確保鉆孔參數的準確性，并隨時進行糾偏，采用跟管鉆進工藝。鉆孔成孔后，吊放加筋體并埋設灌漿管，以灌注M30水泥砂漿，水泥砂漿可摻微膨脹劑，摻量為凝膠材料用量的10%～12%。

4)錨筋樁頂部設橫縱向聯系梁，聯系梁應嵌入地表以下至少20 cm。聯系梁鋼筋焊接時，需將系梁尺寸內錨筋樁的漿體破除干凈，并與主筋焊接牢固。

5)注漿前應先進行注漿現場試驗，注漿漿液參數建議值：水泥漿水灰比為1∶1，水玻璃濃度35 °Bé，水玻璃模數2.4；注漿壓力：初壓0.5～1.0 MPa，終壓2.0 MPa。

老年性白內障為臨床常見病、多發病，是重要的致盲原因，隨著人口老齡化，其患病率也在逐年增加［12-13］。透明角膜切口超聲乳化聯合IOL植入術治療老年性白內障的手術療效確切［1,14］。近年來，白內障手術已由復明手術向屈光手術轉變，手術方式也日趨精細、完善，對于角膜切口的研究也在不斷深入。角膜是眼屈光間質的重要組成部分，屈光力43D，占全眼屈光力的2/3，相關研究已證明白內障手術切口的位置、大小對角膜的結構及屈光能力都有不同程度的影響［15-18］。通過本項研究，我們探究了CCI距離角膜緣的長度對角膜屈光狀態及超聲乳化術手術療效的影響。

6)“錨筋樁+聯系梁”組合體系中的系梁鋼筋綁扎焊接時，應先將系梁內注漿體破除干凈，并與主筋焊接牢固，從而形成受力整體。

錨筋樁現場施工完成照片如圖4所示。

圖4 錨筋樁現場施工完成照片

3.2.3 地表截排水措施

雨季地表水下滲對滑坡體的穩定性有較大影響，處治滑坡體時應先處理好地表截排水問題。現場在滑坡體界線以外3～5 m設置洞外截水溝，洞外截水溝采用C20混凝土澆筑，截水溝中間位置采用φ12鋼筋網進行配筋，鋼筋網間距25 cm×25 cm，并順應地形接入路基排水溝或自然溝，防止地表水下滲。

為有效避免雨水沖刷，并有利于地表雨水及時排出，在邊坡兩側設置急流槽，并于每級邊坡平臺設置沉砂池。同時為防止地表水下滲，對坡面裂縫及時采用黏性土與鋪蓋防水布進行封閉。

3.3 洞內沉降控制措施

根據上述分析可知，為確保隧道安全順利穿越洞口淺埋段滑坡體，除對滑坡體進行有效加固處治外，還應采取切實有效的施工控制措施和開挖工法，減少隧道施工對巖體的擾動，以嚴格控制隧道洞內沉降變形，避免引起滑坡體變形失穩。基于此，筆者主要從隧道開挖工法的改進與隧道洞內圍巖穩定控制措施等方面，對隧道洞內沉降控制措施及相應施工要點展開研究。

3.3.1 隧道開挖工法的改進

對于洞口淺埋段軟弱破碎圍巖，選擇合理的隧道開挖工法，既要考慮初期支護閉合成環的及時性，以有效控制洞內沉降；也要考慮施工工序的銜接轉換難易程度，盡可能減少隧道施工工序間的相互制約，從而減少隧道施工對滑坡體的擾動。

上下臺階法與環形開挖預留核心土法是目前兩車道隧道最為常用的開挖工法，對于隧道軟弱圍巖段落適用性較強[10]。兩種開挖方法的主要特點見表2。

表2 兩種開挖方法的特點比較[10]

基于此，對傳統上下臺階法進行改進，在長臺階法的基礎上，增加50 cm厚的C20素混凝土臨時仰拱，形成“長臺階法+臨時仰拱”的組合工法(圖5)。該開挖方法遵循“新奧法”理念，施工操作簡便，臨時仰拱強度形成較快，不僅能減短初期支護的閉合時間，還可有效減少上下斷面的施工干擾，從而減少對圍巖的擾動程度。

圖5 “長臺階法+臨時仰拱”組合工法示意圖

3.3.2 隧道洞內圍巖穩定措施

除對傳統開挖方法進行改進外，對于洞口淺埋段軟弱破碎圍巖，還應采取有效的圍巖穩定措施，以增強圍巖的整體穩定性，改善圍巖的受力條件，以達到有效控制圍巖變形的目的。關于隧道洞內圍巖穩定控制措施方面，本文主要從超前支護措施與鎖腳支護措施兩方面進行分析。

3.3.2.1 超前支護措施

選擇超前支護能力更強的洞內超前短管棚方案，有效控制地層圍巖變形。采用φ89×6 mm注漿鋼管，管棚施工采用跟管鉆進工藝，環向間距40 cm，長度9.0 m，縱向間距7.0 m，外插角10°～15°；注漿前應先進行相應的注漿現場試驗，相關注漿參數應結合現場試驗提前確定，注水泥凈漿后鋼管內利用M30水泥砂漿填充，以增強管棚的整體強度與剛度；要求管棚鋼管從鋼拱架腹板開孔穿過，鋼管尾端并與鋼拱架進行焊接，以確保洞內管棚尾端具備有效支撐。

洞內超前短管棚支護超前支撐能力與控制沉降變形能力較好，通過與鋼拱架連接形成的縱橫向支護體系，對于控制圍巖變形效果明顯。同時，通過鋼管管壁的注漿孔，使注漿漿液滲透到周邊巖體內，以此來加固管棚周邊范圍土體，從而改善巖體的力學性質，增強巖體的整體強度。

3.3.2.2 鎖腳支護措施

控制隧道洞內沉降變形的關鍵還在于兩側拱腳位置的鎖腳支護。隧道上臺階開挖后，如果立即澆筑素混凝土臨時仰拱，使初期支護及時閉合成環，則可有效控制隧道沉降變形。對于軟弱破碎圍巖段，在隧道下臺階開挖過程中，如果不采取合理可靠的鎖腳措施，很難保證圍巖的穩定。

選擇控制沉降能力很強的鎖腳鋼管樁方案(圖6)，在起拱線、邊墻拱腳位置左右側各打設兩根φ89×6 mm的注漿鋼管，縱向間距與鋼架間距相同；外插角45°～60°，長度設計9 m(根據實際情況進行調整)，確保鋼管樁嵌入中風化巖層厚度不小于50 cm，鋼管樁與型鋼拱架焊接連接。

4 處治效果分析

在隧道洞口淺埋段施工過程中，始終加強洞內外情況觀測，特別是洞頂地表變形開裂等現象，并對地表下沉、周邊位移及拱頂下沉等變形情況進行量測，以及時掌握施工中洞頂滑坡體及洞內圍巖的穩定程度，及時修正設計參數與施工措施。

本文選取隧道洞口段左右線典型監控量測斷面ZK1+507與K1+503，以分析監測斷面數據的變化規律，地表下沉監測數據來源選取隧道拱頂正上方的觀測點。左右線典型斷面監測數據變化曲線如圖7所示。

圖7 監測數據變化曲線

分析監控量測數據可知，隧道洞口段地表沉降、拱頂沉降、周邊收斂值基本處于可控狀態，整體變化速率較小，累計值均不大于20 mm，隧道施工對滑坡體的擾動較小。監控量測數據結果表明，“洞外加固處治+洞內嚴格控制沉降”的綜合處治方案實踐效果良好。所表現出的變化規律如下：

1)左右線隧道監測斷面測點的地表沉降、拱頂沉降、周邊收斂值變化規律基本相同：隧道開挖后30 d內，其值變化速率較大，其間累計變化值約占總變化值的75%～85%；隨著圍巖自承載能力的發揮以及洞口段仰拱的及時施作，地表沉降、拱頂沉降、周邊收斂值均開始趨于穩定狀態。

2)與左線監測點數據相比，右線監測斷面測點的地表沉降與拱頂沉降值更大，周邊收斂值相近。分析原因可知，右線隧道出口段地形偏壓更明顯，拱腰覆土厚度更薄，施工時洞內沉降控制相對更困難。由于臨時仰拱的及時施作，左右線對于周邊收斂變形的控制效果均較好。

項目通車后隧道出口端航拍圖如圖8所示。

5 結論

以樂業至百色高速公路永樂隧道工程為研究背景，針對其地形地質條件及滑坡體情況，結合洞內變形與滑坡體變形相互作用機理，對隧道穿越洞口淺埋段滑坡體施工關鍵技術進行研究，并針對性提出“洞外加固處治+洞內嚴格控制沉降”的綜合處治方案。研究結果表明：

1)針對隧道洞口淺埋段滑坡體，除對滑坡體進行有效加固治理，還應嚴格控制隧道洞內沉降變形，減少隧道施工對滑坡體的擾動，兩方面措施雙管齊下，方能取得良好的處治效果。

2)“錨筋樁+聯系梁”組合結構可有效承受水平方向的荷載，將各排錨筋樁連成整體形成整體受力的桁架結構，并通過注漿體使錨筋樁與樁間土體形成整體受力體系，從而達到對滑坡體有效加固及支擋的效果。該組合結構對于施工場地受限的滑坡體處治應用效果及優勢明顯。

3)針對傳統臺階法的特點與局限性，本文提出長臺階法+臨時仰拱的組合工法，該開挖方法施工操作簡便，臨時仰拱強度形成較快，不僅能減短初期支護的閉合時間，還可有效減少上下斷面的施工干擾，從而減少對圍巖的擾動程度。

4)根據監控量測數據表明，本文提出的“洞外加固處治+洞內嚴格控制沉降”的綜合處治方案實踐效果良好，為隧道順利穿越滑坡體提供了有效的安全保障。