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(qū)，但由于山區(qū)公路地形條件限制，選線時往往不可避免穿越滑坡變形區(qū)[1]。或原為穩(wěn)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(fā)生較大變形，進而發(fā)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(qū)隧道的研究大部分集中在滑坡區(qū)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(xiàn)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(tài)，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(qū)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?shù)厥〉溃淼拦绊斁嗦访娓采w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(qū)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(tǒng)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(tǒng)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(qū)巖層產(chǎn)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(fā)生于2019年5月，當?shù)卣M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(fā)現(xiàn)該段二襯左側拱腰部位分布網(wǎng)狀細小裂縫，其他段落未發(fā)現(xiàn)，推測為在該段二襯混凝土達到強度之前受塌方?jīng)_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(xiàn)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(xiàn)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(fā)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(tài)，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(wěn)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(tài)，可將其一同視為自由端；對于管棚插入穩(wěn)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(tài)由簡支梁模式轉變?yōu)閼冶哿耗Ｊ剑捎谶M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(tài)，當沉降達到一定極限時，發(fā)生掌子面塌方。

圖2 管棚受力狀態(tài)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(xiàn)縱向拉彎破壞狀態(tài)。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(wěn)，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(tài)，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(tài)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(fā)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(fā)生塌方后，在保證作業(yè)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(yè)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(wěn)定性。

(5)立即加強地表位移監(jiān)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(wěn)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(jīng)長時間監(jiān)測，隧道變形已基本趨于穩(wěn)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(wěn)能力差，為保證后續(xù)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(huán)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(huán)管棚，管棚長30 m，環(huán)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(huán)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(huán)，如夠施工一版二襯空間時，及時施作二襯。換拱期間加強監(jiān)控量測。

(4)出口端換拱至KB114+566處時，打設一環(huán)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(huán)進尺控制在50 cm(單榀拱架間距)，環(huán)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(jīng)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(jié)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(tài)由簡支梁模式轉變?yōu)閼冶哿耗Ｊ剑芰顟B(tài)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(fā)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(yè)人員無須靠近變形嚴重段落，可保證作業(yè)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(huán)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(huán)封閉，兼具CRD工法和預留核心土法雙重優(yōu)勢。