隧道橫穿牽引式滑坡受力分析和處治措施

袁 通，李洋溢

(廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

隧道修建應盡量避免穿越滑坡區，但由于山區公路地形條件限制，選線時往往不可避免穿越滑坡變形區[1]。或原為穩定斜坡，由于隧道施工擾動，在累積變形未得到及時控制的情況下，使斜坡發生較大變形，進而發展成為滑坡[2]，給隧道建設帶來較大困難。

目前針對滑坡變形區隧道的研究大部分集中在滑坡區隧道的變形特征[3]、隧道與滑坡體相互作用機制[4-5]和“滑坡隧道”的病害處治方面，而針對順層偏壓情況下的隧道變形特征和受力機理的研究較少。本文針對順層偏壓荷載情況下，通過分析現場“滑坡隧道”變形特征，研究管棚和襯砌結構的受力變化狀態，提出有針對性的加固措施和開挖工法，可為類似工程案例提供借鑒。

1 工程概況

1.1 隧道工程地質概況

某山區高速公路K114+625段隧道左洞長290 m，右洞長270 m，為短隧道，與路基同寬。隧道最大開挖跨度約為15.5 m，左右洞凈距約為15.4 m，屬小凈距隧道。隧道進口端垂直下穿一當地省道，隧道拱頂距路面覆蓋層厚約2 m。洞口設計采用40 m長φ108 mm×6 mm超前大管棚，下穿省道施工前，提前對上跨省道進行臨時改道，從洞口外繞行。

隧址區揭露地層主要為第四系填筑土(Qme)、坡殘積(Qdl+el)粉質黏土和三疊系中統板納組(T2b2)基巖。第四系填筑土分布于隧道進口段，推測為修建省道時堆填形成，厚度約為20 m；坡殘積粉質黏土大面積分布于山體地表，厚度為0.5～2 m；三疊系中統板納組基巖為強風化和中風化砂巖，其中強風化層厚度約為25.0～32.5 m，其下為中風化巖層。隧址區巖層產狀為350°∠47°，巖層走向與隧道軸線方向交角約為10°。

1.2 隧道塌方(見圖1)

隧道塌方發生于2019年5月，當地正進入雨季。塌方時右洞已貫通，初支施工完畢，二襯施工至樁號K114+543(剩余43 m未施工)，K114+531～K114+543段二襯混凝土剛澆筑完畢，拆模后發現該段二襯左側拱腰部位分布網狀細小裂縫，其他段落未發現，推測為在該段二襯混凝土達到強度之前受塌方沖擊荷載所致。左洞進口端初支坍塌段落為ZK114+517～ZK114+540，長23 m；ZK114+510～ZK114+517段左側拱腰部位初支有擠出剝落現象，局部侵限；出口端初支坍塌段落為ZK114+550～ZK114+566，長16 m；ZK114+566～ZK114+601段左側拱腰部位初支有擠出剝落現象，局部侵限；同時ZK114+566～ZK114+582段拱頂初支破壞最為嚴重，拱架向上彎折扭曲，部分斷裂，初支碎裂剝落；ZK114+582～ZK114+601段右側拱肩部位初支局部崩落，拱架完好。塌方前左洞進口端掌子面樁號為ZK114+540，掘進39 m，埋深約22 m，進口仰拱施工樁號

圖1 隧道塌方和地表裂縫發展剖面圖

為ZK114+506，仰拱距掌子面34 m；左洞出口端掌子面樁號為ZK114+550，埋深約25 m，未貫通段10 m，出口仰拱施工樁號為ZK114+615，仰拱距掌子面65 m。

1.3 塌方原因與隧道受力機理分析

隧道塌方時，進口端掌子面樁號為KB114+540，掘進39 m，仰拱僅施工5 m，仰拱距掌子面34 m；出口端掌子面樁號為KB114+550，仰拱距掌子面65 m，未貫通段僅剩10 m。塌方前進口掌子面仍在掘進，而此時管棚已處于懸臂狀態，如圖2所示。將管棚與隧道初支視為同一受力單元，承受上部圍巖荷載，其中套拱和已澆筑仰拱段落由于沉降變形趨于穩定，可將其視為固定端；對于仰拱未澆筑段落，上臺階拱架處于沉降變形狀態，可將其一同視為自由端；對于管棚插入穩定巖層段落，可將其視為固定端。基于以上簡化力學模型可判斷：隨著隧道的開挖掘進，管棚受力狀態由簡支梁模式轉變為懸臂梁模式，由于進口仰拱未及時跟進，管棚懸臂端過長(34 m)，管棚懸挑能力較弱，隧道沉降變形未能及時控制，加上出口仰拱距掌子面距離長，初支長時間處于沉降變形狀態，當沉降達到一定極限時，發生掌子面塌方。

圖2 管棚受力狀態示意圖(cm)

塌方后進出口端掌子面上方形成一空腔，相當于將邊坡坡腳挖除，再加上未貫通段較短(10 m)，對山體支撐作用有限，導致局部山體沿巖層結構面錯動，最大下滑力作用于隧道左側拱腰初支部位，致使隧道左側拱腰初支向外擠出。同時，由于左側側向推擠力，拱頂初支向內彎折變形，拱頂初支混凝土崩落，呈現縱向拉彎破壞狀態。在洞頂山體順巖層結構面錯動的同時，靠近省道一側邊坡因擾動失穩，上覆黏土和強風化巖層沿臨空面塌落。

圖3為隧道襯砌結構受力狀態，在地形偏壓和地層結構偏壓雙重偏壓荷載情況下，襯砌受力狀態極為不利，在沉降累積變形較大情況下，巖層易順沿軟弱結構面發生錯動，從隧道拱腰連接板位置剪出，形成滑坡。

2 應對處治措施

2.1 應急處治措施

隧道左洞發生塌方后，在保證作業安全的前提下對左洞采取一系列應急措施：

(1)對左洞進口未坍塌段初支段落ZK114+501～ZK114+517進行反壓回填，洞渣回填至隧道拱頂，且洞口外反壓長度≥10 m。

(2)左洞出口ZK114+566～ZK114+601段采用洞渣反壓至隧道起拱線位置。

(3)考慮到洞內作業人員人身安全，靠近掌子面變形嚴重段落ZK114+566～ZK114+583采用泵管泵送一層80 cm厚混凝土底板；靠近仰拱段ZK114+583～ZK114+601采用工字鋼橫撐，并噴射混凝土作為臨時仰拱。

(4)對地表裂縫處采用黏土封縫，避免降雨時雨水滲入，進一步降低滑坡體的穩定性。

(5)立即加強地表位移監測。

在采取上述應急措施后，隧道的變形逐漸趨緩。

2.2 永久處治措施

塌方后，隧道圍巖各項物理力學性質降低，處治之前最為重要的是對隧道一定范圍內的圍巖進行注漿加固，增強圍巖整體性。

2.2.1 鋼管樁固腳

由于塌方后邊坡坡腳已被擾動，為加固邊坡坡腳，避免隧道進口掘進時二級路邊坡往洞口方向失穩滑動，在對應隧道洞身及邊墻外5 m范圍內采用A89鋼管樁對邊坡坡腳進行加固。由于二級路路基因隧道開挖沉降擾動，打設鋼管樁可進一步對該段路基進行加固。鋼管樁從二級路路面垂直向下打設，按間距為2 m×2 m梅花形布置。在鋼管樁內打設注漿孔，先通過注漿加固樁體周邊圍巖，在管內填充砂漿增加樁體強度。在靠近省道一側塌腔部位采用C15混凝土回填，避免雨水下滲。

2.2.2 圍巖固結

待險情控制后，經長時間監測，隧道變形已基本趨于穩定。由于KB114+510～KB114+517段、KB114+566～KB114+601段初支變形較大，局部侵限，使該段落圍巖自穩能力差，為保證后續施工安全，對該段圍巖進行徑向注漿加固。注漿采用4.5 m長φ42 mm×4 mm小導管注漿加固，鋼管間距為1.2 m(環向)×0.6 m(縱向)，梅花形布置，漿液為42.5級水泥凈漿，水泥水灰比為1∶0.8～1∶1，注漿初壓為0.5～1.0 MPa，終壓為2.0 MPa。注漿按分階段間隔式原則，保證注漿效果。

2.2.3 施工輔助措施和開挖工法

(1)待地表注漿和洞內注漿加固完成后，檢驗注漿效果，達到設計要求后方能進行下一步施工。

(2)進口掘進前，在洞口管棚上方重新打一環管棚，管棚長30 m，環向間距為40 cm，管棚鋼管內放置鋼筋籠，并嚴格按設計要求填充砂漿。進口掌子面掘進至KB114+525處時，洞內開始擴挖，掘進至KB114+530處時，重新打設一環洞內管棚，管棚長24 m，打設要求同洞外管棚。

(3)出口端KB114+566～KB114+601段初支開裂嚴重，且侵限，需對該段初支進行置換。該段襯砌結構采用加強型襯砌，初支采用Ⅰ22b工字鋼，縱向間距為50 cm，每換拱5 m須及時將仰拱封閉成環，如夠施工一版二襯空間時，及時施作二襯。換拱期間加強監控量測。

(4)出口端換拱至KB114+566處時，打設一環洞內管棚，管棚長12 m，打設要求同洞外管棚。

(5)未開挖段ZK114+540～ZK114+550和初支坍塌段ZK114+517～ZK114+540、ZK114+550～ZK114+566隧道開挖采用上臺階CRD工法結合下臺階預留核心土法，如圖4所示。開挖每循環進尺控制在50 cm(單榀拱架間距)，環向拱架連接部位采用Ⅰ14工字鋼加強縱向連接，拱架之間均采用高強度螺栓連接。

圖4 上臺階CRD工法示意圖

(6)換拱段KB114+566～KB114+601、進口塌方段KB114+517～KB114+540、未開挖段KB114+540～KB114+550、出口塌方段KB114+550～KB114+566采用二襯加強。二襯厚60 cm，混凝土由C30調整為C40，主筋由C20調整為C25，按間距20 cm布置。

經上述處治方案實施后，目前隧道已安全貫通，標志著本條高速公路最后制約節點的完成，保證了高速公路按時通車。

3 結語

(1)隧道洞口施工過程中，洞口管棚起懸挑作用，管棚受力狀態由簡支梁模式轉變為懸臂梁模式，受力狀態逐漸變差。洞口段仰拱施工可有效縮短管棚懸臂長度，充分發揮管棚懸挑作用。因此，隧道洞口段施工時，仰拱需及時跟進，建議洞口掘進20 m時應及時封閉掌子面進行仰拱施工。

(2)雙向掘進隧道，距貫通較近時，在貫通前應將兩端仰拱盡可能跟近，同時貫通時采用單向貫通。特別在地形偏壓和地層偏壓同時存在的情況下，風險更大，需嚴格控制洞內變形。

(3)針對隧道初支變形嚴重段落，為快速控制洞內變形，可采用接泵管的形式泵送一層臨時仰拱，能有效控制初支變形。同時，作業人員無須靠近變形嚴重段落，可保證作業人員安全。

(4)對于上臺階擾動段，可采用上臺階CRD工法結合下臺階預留核心土法開挖。該改進工法由于開挖斷面小、封閉成環快，能有效控制上臺階擾動部位的變形。同時，下臺階采用預留核心土法，工序簡單、操作便利，能快速將仰拱全環封閉，兼具CRD工法和預留核心土法雙重優勢。