淺析高速公路淺埋偏壓隧道山體的加固

張 洋

（中國鐵建投資集團有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

重慶市東南武陵山區(qū)淺埋偏壓隧道洞口的塌方，導致已開挖的隧道全部被掩埋。根據(jù)該區(qū)域的工程地質和地形地貌條件，通過采用錨索框架梁配合偏壓擋墻和抗滑樁的綜合工程措施，有效地控制住淺埋偏壓段的施工安全和結構安全。本文就該隧道山體加固技術的應用進行了總結和分析。

1 工程概況

石梯子隧道處于重慶市東南武陵山區(qū)，隧道左線的起終里程：K76+797.5～K77+150.5，下坡坡率為2.6%，左線長353m。隧道工程實施區(qū)域，屬于構造侵蝕造成的中低山溝谷切割發(fā)育的地形地貌，隧道進口左側受長期地質原因和外部環(huán)境影響形成的沖溝切割，地形地貌陡峭，坡角45°～60°，坡向270°，坡度較大。K76+797.5～K76+900 段的地形與隧道洞軸線相斜交，存在較為嚴重的受力不均，該段落最大埋深約16.2m，最淺埋深約2.3m，其中洞身段K76+858～K76+912 有發(fā)育為走向約252°的自然沖溝。隧道進出口地表植被豐富，山體大部分基巖處于裸露狀態(tài)，個別位置倒懸。

2 塌方經(jīng)過

石梯子隧道左洞開工后，自出口向進口組織施工，2018 年5 月，隧道掌子面施工至K76+890 下穿淺埋溝段時，發(fā)生冒頂坍塌，坍塌物為塊石土及強風化頁巖，洞內施工受阻。2018 年6 月，施工單位在右洞自出口施工貫通后，開辟工作面施工左洞進口段。2018 年8 月10日凌晨4 時左右，石梯子隧道進口左線K76+797.5～K76+825 里程段線路右側山體突然出現(xiàn)滑塌現(xiàn)象，掘進段洞頂和左側山體突然垮塌，導致掘進27.5m 左右的隧道全部掩埋。

3 工程地質情況

石梯子隧道實施區(qū)域的地層，主要分布為志留系下統(tǒng)新灘組（S1X）、小河壩組（S1xh）頁巖及第四系殘坡積層。志留系下統(tǒng)新灘組（S1X）主要由灰黃綠色、黃綠色薄紋層狀頁巖組成，以黏土礦物為主，個別區(qū)域含有砂質較重，且夾有薄層狀砂巖，存在砂質條帶和鈣質團塊。中風化的區(qū)域巖石較為完整，層間結合較好～一般。志留系下統(tǒng)小河壩組（S1xh）主要由黃綠、灰綠色頁巖組成，局部存在夾泥質砂巖，構造呈現(xiàn)顯著的薄層狀，以黏土礦物為主，局部存在含砂質及鈣質團塊、夾砂質條帶。巖體中風化的區(qū)域較為完整，層間結合較好～一般。殘坡積層（Q4el+dl）的區(qū)域主要以粉質黏土為主，并夾有少量碎石、角礫、塊石，呈暗紅色、灰、灰褐色，厚度為0～1.5m，零星分布在緩坡地帶。進出洞口溝谷內均基巖裸露。

K76+870～K76+900 段發(fā)育有原始沖溝，溝心覆蓋層主要為粉質黏土夾碎石層和素填土層。經(jīng)過現(xiàn)場調查，坡體整體厚度為6.1～12.0m，沖溝前緣坡腳無臨空面，現(xiàn)狀自坡頂至坡腳小溝溝心處整體穩(wěn)定。但由于坡頂后緣地形偏陡，且洞頂區(qū)域為原生崩坡積土，填土為新近棄渣拋填，崩坡積土與填土的土體自身孔隙比及壓縮性存在較大差異。若持續(xù)強降雨，則素填土體可能沿原始坡面線自隧道右側現(xiàn)狀斜坡坡腳出現(xiàn)局部滑動。

由工程地質計算可知：K76+825～K76+860 段填方斜坡現(xiàn)狀處于基本穩(wěn)定～欠穩(wěn)定狀態(tài)，K76+870～K76+900 沖溝段填方斜坡現(xiàn)狀處于基本穩(wěn)定～欠穩(wěn)定狀態(tài)。

4 山體加固設計

K76+797.5～K76+817.5 段，20m 長度范圍，上方山體按照1∶0.5 的坡比進行刷坡，并施作錨索框架梁進行邊坡防護，該段隧道按明洞施工；K76+817.5～K76+892 段，線路左側根據(jù)地勘資料設置偏壓擋墻，回填后地表注漿，K76+817.5～K76+892 段施作明洞，K76+797.5～K76+892 段采取明挖的方式組織施工,之后施做明洞，明洞采取單壓處理。明洞區(qū)域地基承載力＜0.35MPa 時，對地基進行處理，使得明洞地基承載力不低于0.35MPa。

K76+807.5～K76+891.7 左側的路塹采取深挖山體邊坡，坡腳設抗滑樁支擋收坡，樁頂標高以上的邊坡坡率設置為1∶0.3，每15m 分為一級，每一級的平臺寬度設置為2m。坡面防護采用正方形（邊長4m）的錨索框架梁布置，現(xiàn)場可根據(jù)開挖巖層實際情況調整坡率、每一級邊坡的高度和平臺寬度。樁間坡面采用錨噴混凝土臨時支護。

4.1 防護設計

坡面采用邊長為4m 的正方形錨索框架梁進行防護。框架梁交叉的位置采用預應力錨索（技術指標：低松弛鋼絞線、1860 級，單根錨索布置6 束鋼絞線）對山體進行加固錨定。每束鋼絞線施加的預應力為400kN，樁上錨索單根施加預應力200kN，張拉鎖定值230kN。同時采用Φ6.5mm 的鋼筋網(wǎng)片配合噴射10cm 厚的C20混凝土，對框架梁的坡面進行防護，框架梁內對鋼筋網(wǎng)片的周邊及中心位置設置長度為4m 的Φ22mm 砂漿錨桿進行錨定。

4.2 排水組織

隧道工程實施區(qū)域的排水組織為：坡頂?shù)牡乇韽搅鲄R入坡頂截水溝，坡頂截水溝的水流入坡面急流槽，沿山體排至山下；邊坡平臺設置平臺截水溝，平臺截水溝的水隨坡面急流槽排至山下。若施工中發(fā)現(xiàn)地下水發(fā)育時，設置鉆孔深度為5～7m、間距2.5m、Φ10mm 的打孔PVC 管做成的仰斜式排水孔。以保證地下水和地表水能盡快排除，避免不良的地質環(huán)境。

4.3 預應力錨索抗滑樁

抗滑樁采用人工挖孔樁，樁徑2×3m，樁中心間距為5m，樁長30m。邊坡平臺寬4m，設置在樁頂位置。距離樁頭標高3m 的位置，設上下兩道長度為20m 的預應力錨索，用于樁上的錨索單根施加預應力200kN,張拉鎖定值取230kN。每6 束Φ15.2mm 高強度鋼絞線組成一根樁上的預應力錨索，預應力錨索的錨固段和自由段長度均為10m。樁板墻的樁身區(qū)域采用強度為C35 的鋼筋混凝土澆筑，樁板墻的鋼筋采用HRB400 級和HPB300 級，其中主筋采用HRB400 級，其余位置采用HPB300 級；預應力錨索的孔洞與水平面向下的夾角為20°，錨索采用OVM15-6 錨具。

基礎加深的基坑內側設4m 長、Φ22mm 砂漿錨桿，深入基礎內1m，深入圍巖3m，砂漿錨桿與水平線夾角15°。

對K76+890～K76+898 段受坍塌影響,初支侵限段自K76+890 處打入一環(huán)10m 長T76L 自進式管棚，加強超前支護后拆換初期支護。待初期支護基本穩(wěn)定后，施做加強二次襯砌結構，采用強度等級為C40、厚度為55cm 的鋼筋混凝土澆筑。不同位置的邊坡橫斷面圖如圖1、圖2 所示。

圖1 K76+805 橫斷面圖

圖2 K76+820.5 橫斷面圖

5 加固過程控制

加固過程為：隧道洞口危巖清除→隧道洞口邊仰坡分級開挖→邊仰坡分級支護→施作邊仰坡排水系統(tǒng)→施作抗滑樁→明洞施工及洞頂回填→施作暗洞初支變形段超前支護→進行暗洞初支拆換及襯砌施工。

5.1 隧道洞口危巖清除

由于現(xiàn)場施工場地狹小、山體陡峭、安全風險高、施工難度大。先防護后施工，施工時，先剝離浮石和浮土，再剝離危巖和危石，邊施工邊監(jiān)測，由上至下逐漸剝離，采用人工撬除的清理方法剝離浮土和浮石，人工配合機械，將危巖和危石鑿成小塊后，予以剝離。為確保安全，浮土和浮石的清理時，采取看→敲→撬的作業(yè)順序進行，對于不穩(wěn)定的危石和活石，按照輕、重、緩、急分別及時處理；對于暫時無法處理的危石和活石，采取重點監(jiān)控，全面排查。

5.2 高邊坡和山體的開挖原則

堅持分級開挖、開挖一級防護一級、開挖和防護相結合的原則。避免長時間暴露開挖后的邊坡，造成邊坡的松弛范圍增加，造成地質病害，給施工組織增加難度。

為避免山體的在開挖過程中出現(xiàn)高邊坡坍塌和滑坡事故，制定安全防護措施,施工開挖過程中對高邊坡進行動態(tài)監(jiān)測。用于山體和邊坡穩(wěn)定性控制的位移監(jiān)測點，沿線路方向分為若干個監(jiān)測斷面，間距為10m。監(jiān)測具體內容有：山體的高邊坡位移、偏壓擋墻、抗滑樁變形觀測等，觀測頻率每天一次。若山體高邊坡位移監(jiān)測點和偏壓擋墻、抗滑樁的變形觀測點任一項，與上次觀測數(shù)據(jù)之差≥20mm 或累計變形≥30mm 時，立即停止施工，分析原因和確定處理方法，待處理完畢后經(jīng)再次監(jiān)控量測山體和高邊坡沒有異常變化時方能組織施工。

充分考慮施工期間季節(jié)性強降雨對山體和高邊坡的沖刷影響，在進行邊坡剝離前，結合山體的地形地貌，首先做好邊坡截水溝、排水溝和急流槽等排水設施，并與山下溝渠相接，以保證山體和高邊坡排水流暢。為避免水流沖刷和下滲，坡頂截水溝、邊坡截水溝、急流槽均設置防滲層和加固層；透水性較大或裂隙較多的巖石、土質松軟以及不良地質地段，尤其是縱坡較大的段落，用工程技術措施進行加固，避免山體水流沖刷溝底和溝壁，對山體造成不良影響。

5.3 仰坡分級支護

以超前小導管（導管長5m，壁厚3.5mm、外徑為Φ42mm 的熱軋無縫鋼管，小導管外側Φ6mm 的注漿孔布置4 排，前段加工成錐形，尾部焊接Φ6mm 鋼筋箍加勁）作為暗洞超前支護，布置在拱部118°范圍內，沿隧道的開挖輪廓線外以5°～15°的外插角、環(huán)向間距為40cm打入待施工的巖層中進行超前支護。環(huán)向系統(tǒng)錨桿使用間距40cm 的T76L 自進式錨桿，每隔10m 設置一環(huán)，與小導管間隔布置。超前小導管端部焊接在鋼拱架上，使得超前支護、系統(tǒng)錨桿、鋼拱架初支為一個整體。

5.4 明洞施工及洞頂回填

明洞施工過程中，分別在拱頂和拱腰設置拱頂沉降點和洞內收斂監(jiān)測點，以監(jiān)測回填過程中及施工完畢后的時程變化。回填采用人工配合小型機械進行作業(yè)，明洞區(qū)域的結構強度達到設計指標后，開始回填，回填時，兩側對稱進行，拱頂中心區(qū)域填土高度≤5m，明洞上方不得隨意棄土，以避免拱圈因不對稱加荷產(chǎn)生開裂，造成新的質量病害。回填過程中，對拱頂沉降和洞內收斂進行監(jiān)測，觀測頻率每天一次，如拱頂沉降與上次觀測數(shù)據(jù)≥20mm 或累計≥50mm，或洞內收斂點的任一項與上次觀測數(shù)據(jù)≥20mm 或累計≥30mm，應立即停止現(xiàn)場的施工，撤出所有施工人員，分析原因和確定處理方法。待處理完畢后，經(jīng)再次監(jiān)控量測拱頂沉降和洞內收斂無異動的情況下才能繼續(xù)回填作業(yè)。

6 監(jiān)控量測及加固效果

6.1 監(jiān)控量測

高邊坡監(jiān)控量測，主要包括山體和邊坡穩(wěn)定性的監(jiān)測，用于監(jiān)測山體和高邊坡穩(wěn)定性的位移點，沿線路走向間距10m 設置若干個監(jiān)測斷面，觀測點位于在開挖線和邊坡平臺上；洞內拱頂沉降和洞內收斂，按照沿線路走向間距10m 設置若干個監(jiān)測斷面，觀測點在拱頂和拱腰設置。邊坡位移點監(jiān)測采用全站儀；洞內拱頂沉降采用電子水準儀，洞內收斂采用銦鋼尺。

6.2 監(jiān)測結果

如圖3、圖4 所示，由典型斷面K76+815 變形時程曲線可以得出結論，該監(jiān)測斷面邊坡位移最大值為25.6mm，拱頂沉降最大值為48mm，洞內收斂最大值為21.7mm，由于變形速率受開挖影響，呈現(xiàn)先增加后逐漸變小的趨勢，圍巖變形呈現(xiàn)典型的“增加→緩慢增加→趨于穩(wěn)定”3 個演變階段，說明石梯子隧道左洞淺埋偏壓段滑坡后，采用錨索框架梁配合偏壓擋墻和抗滑樁加固措施，能起到很好的加固效果，對控制山體穩(wěn)定和變形效果顯著。

圖3 K76+815 斷面變形監(jiān)測曲線

圖4 K76+815 邊坡位移區(qū)線

7 結束語

綜上所述，針對石梯子隧道處于臨邊沖溝、淺埋偏壓且有坡積物和回填土的工程地質和地形地貌條件，受大氣降水和地表水影響顯著，在我國西南武陵山區(qū)較為常見。采取剝離地表原狀土石及坡積物，按坡比刷坡后,采用錨索框架梁配合偏壓擋墻和抗滑樁的綜合工程措施，能顯著控制淺埋偏壓段施工安全和結構安全，減少了高速公路后期運營隧道病害和運營期間安全隱患。該技術應用經(jīng)驗在我國西南山區(qū)隧道進出口淺埋偏壓段施工中，具有指導借鑒意義。