炭質千枚巖區高速公路隧道仰坡危巖失穩特征及處置措施研究

張 馳

(中鐵十四局集團第四工程有限公司 山東濟南 250002)

1 引言

經過改革開放以來四十余年的發展，我國高速公路里程已穩居世界第一，高速公路行業進入全面規范和高質量發展階段。然而，在西南地區修建高速公路時仍需穿越高山峽谷地帶，此時在山體開掘隧道就成為了必然。當在變質巖石地區進行隧道施工時往往會遭遇諸多地質災害，其中隧道進口高陡邊坡危巖穩定性問題最為棘手。

近年來，高速公路穿越巖石高陡邊坡引發的災害事故屢見不鮮，如高速公路寶天段某隧道洞口上坡滑坡[1]、甘肅隴南西關公路南段山體崩塌[2]、寶成線某段石灰巖山體崩塌[3]等，事故后果均頗為嚴重。國內外研究人員經過理論學習和工程實踐，對此類問題進行了不斷的研究和探索，其成果主要涉及隧道出口巖質高邊坡穩定性評價[4－5]、危巖體破壞模式[6－7]與防治措施[8－9]。由于變質巖受環境條件的影響較為敏感，尤其是組成巖石的礦化成分、節理裂隙、結構構造易受地表水、地下水和環境作用產生風化剝蝕、侵蝕和拉裂變形[10]，洞口在變質巖高邊坡隧道施工中更易于出現危巖進而引發崩塌落石。汶馬高速公路C7標段薛城1號隧道進口段為一炭質千枚巖高陡邊坡，該處仰坡高陡，坡面侵蝕嚴重出現深溝暗槽，危巖體發育，直接威脅隧道及其附屬結構的安全。本文結合工程地質調研方法和無人機數碼攝影輔助技術，確定公路路線構成危害的主要潛在變形失穩區域及其潛在破壞模式，提出經濟環保的防治措施同時對防治措施關鍵技術進行探討，研究成果對炭質變質巖區高陡邊坡危巖體發育分布特點及防治建議具有工程指導意義。

2 工程概況

2.1 隧道概況

汶(川)－馬(爾康)高速公路薛城段1＃隧道進口仰坡高陡，平面范圍為進口段兩條沖溝夾持的基巖山梁，高程介于1 566～1 870 m附近，變形體厚度為垂直坡面20～50 m左右。巖體極破碎、片理極發育，部分片理面在近地表有一定的張開度。部分坡面邊坡零星危巖，落石粒徑一般小于200 mm，崩落最大距離至雜谷腦河河邊附近，對擬建馬爾康岸橋梁結構及隧道洞口構成直接威脅。

2.2 場地工程地質條件

研究區位于青藏高原東南側邊緣的侵蝕高山峽谷區。坡腳河谷高程約1 570 m，邊坡區山脊高程1 760～2 000 m，山脊西側為雜谷腦河次級溝谷，山脊東側為凹溝。根據《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306—2015)[11]，場地地震動峰值加速度為0.15 g，場地對應地震基本烈度為Ⅶ度。

場地內地層主要為第四系全新統滑坡、泥石流和崩坡積層、河流侵蝕沖積層，以及古生界泥盆系危關群。其中，山腳地基為新生界第四系全新統崩坡積層，山體圍巖主要為古生界泥盆系危關群。

2.3 邊坡巖體結構

邊坡巖性為炭質千枚巖，雖為重力變形體，但變形后巖體仍具有原巖的似層狀結構特征。邊坡巖體片理產狀正常值為355°∠65°，邊坡區隧道洞口上方及右側片理產狀為 350°∠30°、320°∠10°、40°∠68°，隧道進口危巖照片如圖1所示。

3 邊坡潛在失穩區特征及其穩定性分析

3.1 邊坡潛在失穩區變形破壞特征

邊坡除臨近臨空面部位，未見表觀邊坡整體變形的地表變形開裂跡象，但由于該邊坡為變形巖體，加之巖性軟弱，坡面受風化剝蝕、地表水沖蝕等因素影響，坡面形成多條溝槽，坡表巖體被切割成零散塊狀，地形極為凌亂。這些被溝槽切割巖體，形成地貌突出部位和臨空部位，在非正常工況作用下極易失穩(如自重作用、暴雨作用和強震作用)，對隧道洞口及橋梁構成危害。采用無人機數碼攝影輔助技術，根據邊坡變形位置及特征、失穩破壞模式將邊坡劃分為8個潛在失穩風險區，如圖2所示。

圖2 邊坡潛在失穩分區

各潛在失穩區特征分析見表1。

表1 邊坡潛在失穩風險區劃分

3.2 典型潛在失穩巖體穩定性分析計算

選取典型巖體(①號失穩區的拉裂變形巖體)進行穩定性分析。

已失穩區后壁，坡面產狀:133°∠80°。

炭質千枚巖力學參數:飽和密度為2.71 g/cm3，考慮潛在失穩巖體位于地表，巖體受風化影響強度降低，天然狀態取內摩擦角φ＝35°，粘聚力c＝250 kPa；降雨飽水狀態下φ＝34°，c＝200 kPa。

潛在失穩巖體形態和范圍根據現場調查及測量確定，后壁失穩區及剪切錯斷面角度根據右側已失穩區確定，潛在失穩區圖示見圖3。該巖體后緣追蹤結構面拉裂破環，前緣剪斷巖體，參考巖質邊坡滑移失穩破壞模式對該斷面進行穩定性分析，計算公式見式(1)。

圖3 拉裂巖體穩定性計算分析簡圖

式中，Q為考慮速度水頭的裂隙水壓力；P為地震力；W為巖體重力；c為粘聚力；φ為滑動面內摩擦角；β為滑移面傾角；L為滑移面計算長度；T為因動水壓力作用產生的裂隙壁總拖曳力。

計算得到天然工況下，坡體穩定系數為1.89；降雨后緣裂隙充水一半時，穩定系數為1.24；降雨后緣裂隙充滿水并形成坡面水流條件下，拉裂巖體穩定系數為0.57；地震作用下穩定系數為1.86。

可見降雨充水對拉裂巖體穩定性影響較大。同時，拉裂前提下方抗剪段巖體對整個巖體穩定起至關重要作用。而千枚巖易于風化，下方的抗剪段“關鍵塊體”在風化以及上方巖體重力、裂隙水滲流作用下不斷削弱，前緣抗力逐漸降低，其穩定系數會逐步降低，最終即便是重力和少量裂隙充水以及地震作用，也會導致巖體失穩。

4 防治措施及施工關鍵技術

4.1 防治措施建議

針對洞口及橋梁存在威脅范圍的危巖進行工程處治。處治設計方案為:清危＋墊墩錨索＋墊墩錨桿＋掛網噴砼＋張口式導石網＋攔石墻，如圖4所示。

圖4 處治設計方案示意

對洞口以下坡面進行掛網噴砼，同時設置墊墩錨索和墊墩錨桿，錨桿與錨索交叉設置，水平間距4.0 m，垂直間距3.0 m，錨索長30 m，錨桿長15 m。

洞口以上至1 620 m高程坡面進行掛網噴砼，同時設置墊墩錨索和墊墩錨桿，洞頂以上9 m范圍內全部采用墊墩錨桿，第一排錨桿長6 m，距離洞口高3 m，錨桿與錨索交叉設置，水平間距4.0 m，垂直間距3.0 m，錨索長30 m，錨桿長15 m。

1 620～1 660 m高程坡面進行掛網噴砼，同時設置墊墩錨索，水平間距4.0 m，垂直間距3.0 m，錨索長30 m，為6φ15.2 mm鋼絞線。

1 660 m～坡頂(8區以下)坡面進行掛網噴砼，同時設置墊墩錨索，水平間距4.0 m，垂直間距3.0 m，錨索長40 m，為6φ15.2 mm鋼絞線；垂直間距3.0 m，錨索長30 m，錨桿長15 m。

4.2 極破碎巖體高陡邊坡全高度腳手架搭架技術

隧道進口段高邊坡處治區高150 m，寬度約130～140 m，施工需要在處治區貼坡面全幅搭設施工腳手架。《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》(JGJ 130—2011)[12]規定腳手架搭架高度需小于等于50 m，故本例屬超常規搭架。通過專項研究建議施工工序為:

(1)利用坡體平臺優勢進行分段上下搭架。

(2)坡體平臺至坡腳段采用雙鋼管立桿腳手架；上段采用單鋼管立桿腳手架。以充分減輕架體重量。

(3)當坡度較陡但坡面平整時，高度每隔12 m增設1排減載提拉錨繩。

(4)為保證施工工期，采取下段78 m高范圍內錨桿、錨索施工完畢后，拆除下段78 m內的腳手架后進行洞口工程施工，待洞口工程施工完畢后再從新搭設下段78 m、上段72 m腳手架進行剩余錨索、錨桿及噴射混凝土施工。

腳手架細部設計方案以A4-A4’斷面為例，該高邊坡搭架方案如圖5所示。

圖5 腳手架各類桿件關系示意

4.3 復雜地質條件長深墊墩錨索(桿)施工技術

墊墩錨索總長29 300 m，布設高度108 m，豎向最多36索，橫向最多22索，單根錨索長度分30 m和40 m兩種，采用6φ15.2 mm鋼絞線制作，錨孔孔徑150 mm，錨固段長度10 m。錨墩采用100 cm×100 cm×50 cm現澆C25鋼筋砼，同標號砼封錨。

墊墩錨桿總長3 600 m，布設高度60 m，豎向最多10根，橫向最多24根，單根錨桿長度15 m，采用φ32 mm鋼筋制作，錨孔孔徑110 mm。錨墩采用60 cm×60 cm×25 cm現澆C30鋼筋砼，同標號砼封錨。相鄰錨點間距豎向3 m、橫向4 m。

具體預應力錨索施工工藝框圖如圖6所示。

圖6 預應力錨索施工工藝框圖

錨索按3級安全型壓力分散型預應力錨索布置，要求巖土體與錨固體粘接強度特征值不低于450 kPa，各單元錨固段的鋼絞線數量均為2束。錨索自由段采用安置定位器的結構形式，使鋼絞線在錨孔中居中。鋼絞線采用φ15.24 mm的高強度低松弛預應力鋼絞線(抗拉強度標準值不低于1 860 MPa)制作，單根鋼絞線套一根φ20 mm PE管，兩端10～20 cm范圍內注滿黃油，外繞工程膠布封閉固定。鋼絞線用OVM15-6型錨具鎖定。

錨孔注漿，安裝錨索體后24 h內進行注漿，錨孔注漿水灰比0.4～0.5 MPa，漿體強度不低于40 MPa。注漿采用孔底返漿法一次注漿，水泥砂漿壓力灌注，錨桿注漿壓力0.2～0.4 MPa。

墊墩施工前先預制錨噴鋼筋網，鋼筋網片寬度、高度各大于錨墩尺寸50 cm，壓于錨墩下方，便于施工錨噴鋼筋網時能連接成整體。

錨噴砼的檢驗按《公路工程質量檢驗評定標準》(JTG F80/2—2004)執行[13]。

4.4 松散坡面表層巖體掛網錨噴混凝土技術

掛網錨噴混凝土面積共為1.82萬m2，鋼筋網眼間距20 cm×20 cm，橫縱每隔2 m加設加強筋(直徑18 mm)，掛網固定錨桿長3 m，橫縱間距3 m?；炷羾娚浜穸葹?6 cm，并按間隔10～15 m設置伸縮縫。

具體施工工藝框圖如圖7所示。

圖7 掛網錨噴砼施工工藝框圖

網噴混凝土粗骨料最大粒徑需小于等于12 mm；自上而下進行噴射，且噴頭與受噴面距離宜控制在0.8～1.5 m范圍內，射流方向垂直指向噴射面。噴射作業時，為了使鋼筋背面噴填充實需要按段按面錨噴；并嚴格按照混凝土初凝時間(一般為2 h)和養護時間(一般為5～7 h)安排施工工序。

5 結論

本文以汶川至馬爾康高速公路C7標段薛城1號隧道進口段炭質千枚巖高陡邊坡為例，采用工程地質調查和無人機數碼攝影輔助技術，對炭質千枚巖區高速公路隧道仰坡危巖失穩特征及處置措施關鍵技術開展了相關研究，主要成果為:

(1)隧道進口高邊坡巖體為炭質千枚巖，屬卸荷重力變形體，平面范圍為進口段兩條沖溝夾持的基巖山梁，片理極發育，部分片理面在近地表有一定的張開度，巖體極破碎。

(2)根據邊坡變形位置及特征、失穩破壞模式將邊坡劃分為8個潛在失穩風險區。

(3)提出了全坡面聯合多級差異加固的防治措施:清危＋墊墩錨索＋墊墩錨桿＋掛網噴砼＋張口式導石網＋攔石墻。并形成了極破碎巖體高陡邊坡全高度腳手架搭架、復雜地質條件長深墊墩錨索(桿)施工、松散坡面表層巖體掛網錨噴混凝土等關鍵技術。