大斷面隧道滑坡段原位擴(kuò)建關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：為了解決隧道滑坡病害段的原位擴(kuò)建問(wèn)題，文章以廣西某公路隧道的滑坡病害為研究對(duì)象，在對(duì)隧道滑坡病害段的滑動(dòng)模式、隧道開(kāi)裂過(guò)程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)荷載估算方法、滑坡治理技術(shù)以及施工開(kāi)挖穩(wěn)定技術(shù)進(jìn)行深入研究。結(jié)果表明：（1）主滑方向與隧道軸線呈大角度相交時(shí)可根據(jù)滑坡的機(jī)理，利用隧道的極限破壞模式得出滿足生產(chǎn)實(shí)踐需要的荷載估算方法；（2）隧道洞身滑坡的治理需要解決滑體荷載、位移兩個(gè)方面的問(wèn)題，可綜合采用卸荷、結(jié)構(gòu)措施、加固措施等方式進(jìn)行解決；（3）施工穩(wěn)定措施需要采取臨時(shí)支撐、超前加固、開(kāi)挖過(guò)程控制等多種措施。

關(guān)鍵詞：大斷面隧道；荷載估算；原位擴(kuò)建；滑坡治理

U457+.2A371164

0 引言

隧道洞口臨近段洞身埋深較淺、洞臉處臨空，造成洞口臨近段洞身襯砌處于不利受力狀態(tài)，在生產(chǎn)實(shí)踐中時(shí)有發(fā)生施工誘導(dǎo)隧道洞口滑動(dòng)。山體滑動(dòng)與隧道相互作用極為復(fù)雜，需要深入地進(jìn)行研究。關(guān)于隧道洞身段的滑坡已有大量學(xué)者和技術(shù)專家對(duì)此進(jìn)行了研究［1-2］，但對(duì)已發(fā)生開(kāi)裂病害的原位擴(kuò)建隧道的荷載估算、滑體治理以及開(kāi)挖控制技術(shù)等研究較少。本文結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從服務(wù)生產(chǎn)實(shí)踐的角度出發(fā)，對(duì)依托隧道的滑坡開(kāi)裂病害進(jìn)行了深入研究，提出了滑坡段隧道的原位擴(kuò)建關(guān)鍵技術(shù)方法。

1 工程概況

廣西某高速公路隧道為與路基同寬的短隧道，長(zhǎng)200 m，最大埋深為49.5 m，開(kāi)挖跨度為16 m。原隧道洞身主要為Ⅳ、Ⅴ級(jí)泥質(zhì)粉砂圍巖。隧道建成后，因交通發(fā)展需改建成滿足三車道通行的高速公路，因斷面限制需對(duì)隧道進(jìn)行原位擴(kuò)建。

1.1 隧道病害情況

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隧道二襯出現(xiàn)大面積開(kāi)裂現(xiàn)象，開(kāi)裂段落均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其中左拱肩、右拱腰裂縫出現(xiàn)成組分布，呈現(xiàn)塑性變形形態(tài)，仰拱填充面裂縫為一條寬度較寬的裂縫。

1.2 隧道勘察情況

為基于隧道病害情況進(jìn)行針對(duì)性處治，對(duì)本隧道進(jìn)行了勘察調(diào)查工作，發(fā)現(xiàn)隧道頂部山體出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)，截水溝出現(xiàn)斷裂。為此勘察設(shè)計(jì)單位對(duì)此補(bǔ)充10個(gè)鉆孔（圖1），根據(jù)地表調(diào)查、鉆孔結(jié)果以及施工過(guò)程資料等分析，推測(cè)本隧道存在一個(gè)誘發(fā)型滑體下切隧道右線，滑體范圍較大長(zhǎng)寬約100 m，滑體滑動(dòng)方向與隧道斜交，斜交角大概為45°。

2 病害分析

2.1 滑動(dòng)分析

從勘察結(jié)果結(jié)合地形來(lái)看，本隧道頂部滑動(dòng)為大角度滑動(dòng)（ω≥30°），在不同的位置分別表現(xiàn)為淹沒(méi)式滑動(dòng)及非淹沒(méi)式滑動(dòng)兩種形式。圖2為本隧道裂縫的分布示意圖，圖3為據(jù)此推測(cè)的彎矩分布圖。根據(jù)開(kāi)裂彎矩并結(jié)合勘察成果、施工材料，可推測(cè)本隧道頂部滑動(dòng)為下切滑動(dòng)，據(jù)此分析，本隧道頂部滑體滑動(dòng)為大角度下切式滑動(dòng)。

2.2 致裂機(jī)理

沿主滑方向ZK1-ZK3～ZK7-ZK10段剖面的滑動(dòng)為淹沒(méi)式滑動(dòng)，沿ZK2-ZK6處偏右剖面為非淹沒(méi)式滑動(dòng)。考慮到兩類滑動(dòng)致裂機(jī)理相似，因此選取ZK1-ZK3～ZK7-ZK10段典型剖面進(jìn)行分析。通過(guò)調(diào)查、勘探可推斷本處滑坡段的病害為誘發(fā)式滑坡導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)塑性開(kāi)裂，其形成過(guò)程總結(jié)如下：

（1）本隧道病害段為雙洞小凈距隧道淺埋隧道，如圖4所示，右洞洞身上部穿越全、強(qiáng)風(fēng)化巖體，下部穿越中風(fēng)化巖體，兩種巖體力學(xué)差異較大。右洞開(kāi)挖先形成陷落擾動(dòng)區(qū)，左洞開(kāi)挖形成的陷落區(qū)與右洞重疊，此時(shí)沿中風(fēng)化巖層頂部形成局部的塑性區(qū)。

（2）因施工坍塌、大擾動(dòng)等原因，分散的局部塑性區(qū)逐步形成連片塑性區(qū)，巖體的峰值強(qiáng)度降為殘余強(qiáng)度，此時(shí)形成連貫滑面。形成的滑面下切隧道結(jié)構(gòu)，在右洞左側(cè)形成較大偏壓力，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)及頂部巖土體推動(dòng)阻滑側(cè)或隧底地基移動(dòng)，造成隧道結(jié)構(gòu)承受較大的水平側(cè)壓。

（3）在偏壓力、阻滑力、拱頂自重荷載的作用下，隧道右洞左側(cè)拱肩、右側(cè)拱腰產(chǎn)生裂縫，隨著結(jié)構(gòu)鋼筋的拉伸變形，開(kāi)裂部分結(jié)構(gòu)產(chǎn)生卸荷作用，隧道產(chǎn)生成組裂縫，裂縫范圍、深度隨滑體緩慢發(fā)展。

3 關(guān)鍵技術(shù)

在滑體里面進(jìn)行大斷面隧道原位擴(kuò)建的關(guān)鍵技術(shù)包括滑坡段結(jié)構(gòu)荷載的估算、原位擴(kuò)建隧道的滑坡治理以及原位擴(kuò)建施工控制三大方面。

3.1 荷載估算

根據(jù)選取的沿主滑方向的不同存在淹沒(méi)式滑動(dòng)及非淹沒(méi)式滑動(dòng)兩種情況，原位擴(kuò)建前的隧道結(jié)構(gòu)和擴(kuò)建后的隧道結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算方法是類似的，計(jì)算式均可根據(jù)最終成型的地形情況選取計(jì)算方法，但原位擴(kuò)建后的計(jì)算應(yīng)考慮相關(guān)力學(xué)參數(shù)的折減。

3.1.1 淹沒(méi)式滑動(dòng)

沿主滑方向取1 m滑帶寬度的典型滑面分別進(jìn)行滑動(dòng)區(qū)荷載計(jì)算、阻滑區(qū)荷載計(jì)算和淺層荷載計(jì)算。滑動(dòng)區(qū)荷載計(jì)算主要用于剩余下滑力對(duì)結(jié)構(gòu)的下切作用，阻滑區(qū)計(jì)算針對(duì)阻滑區(qū)對(duì)結(jié)構(gòu)的阻滑荷載，淺層荷載主要適用于主滑區(qū)滑面從隧道頂部穿過(guò)的情況。

3.1.1.1 滑動(dòng)區(qū)

圖5為淹沒(méi)式滑動(dòng)荷載估算的簡(jiǎn)化圖式。滑塊HIEF作用在滑面以上，將三角塊IEJ看著一個(gè)獨(dú)立體，忽略EJ面上的摩擦力，只考慮水平力，此時(shí)破裂角β′、側(cè)壓力系數(shù)λ、滑體豎向下滑力Ev、滑體水平下滑力Eh、結(jié)構(gòu)自重豎向壓強(qiáng)qv以及結(jié)構(gòu)自重水平壓強(qiáng)qh為：

β′=45°-φ′2（1）

λ=tan245°-φ′2（2）

Ev=E1sin α（3）

Eh=E1cos α（4）

qv=γhi（5）

qh=λγhi（6）

根據(jù)斜長(zhǎng)關(guān)系，可求得下切荷載垂直于隧道軸線方向的延米豎向力為：

Ev′=E1sin αsinω（7）

假定極限狀態(tài)下周邊土體給隧道的縱向阻力能夠約束隧道縱向位移，可求得下滑區(qū)垂直于隧道軸線方向延米水平力為：

Eh′=E1cos α（8）

3.1.1.2 阻滑區(qū)

取阻滑區(qū)作為隔離體進(jìn)行力學(xué)分析，阻滑區(qū)受到破裂面的約束力為F2，重力為G1，結(jié)構(gòu)區(qū)對(duì)阻滑區(qū)的作用力為F1，在忽略仰拱底部水平摩擦力的情況下，根據(jù)阻滑區(qū)三力平衡關(guān)系、結(jié)構(gòu)區(qū)的水平力平衡關(guān)系，可得出：

F1=EHcosθ=γH2（tanδ+tanβ）sin（β+φ）2cos（φ+β+θ）（9）

結(jié)構(gòu)區(qū)水平力合力EH為：

EH=E1cosα+λγ（2hi+h0）h02（10）

令：

d（F1）d（tan β）=0（11）

即可能的最大阻滑破裂角與其他參數(shù)的關(guān)系

令：

A=-sin（φ+θ）cosφ（12）

B=2cos（φ+θ）cosφ（13）

C=cos（φ+θ）（sinφ+tanδcosφ）+tanδsinφsin（φ+θ）（14）

則：

tanβ=-B±2B2-4AC2A（15）

據(jù)此，可以求出F1、θ與EH的關(guān)系值。

根據(jù)斜長(zhǎng)關(guān)系可求得阻滑區(qū)垂直于隧道軸線方向的延米豎向力為：

F1′v=F1sin θsinω（16）

假定極限狀態(tài)下周邊土體給隧道的縱向阻力能夠約束隧道縱向位移，可求得阻滑區(qū)垂直于隧道軸線方向延米水平力為：

F1′h=EHsinω÷1sinω=EH（17）

3.1.1.3 淺層滑動(dòng)荷載的計(jì)算

左洞處于滑體的下方，參照淹沒(méi)式滑動(dòng)的處理方式，可以求得垂直于隧道軸線方向延米水平力Eh1′及隧道軸線方向延米豎向力Ev1′為：

Ev1′=E2sin γsinω（18）

Eh1′=E2cos γ（19）

3.1.2 非淹沒(méi)式滑動(dòng)

非淹沒(méi)式滑動(dòng)的淺層滑動(dòng)荷載與淹沒(méi)式滑動(dòng)的荷載計(jì)算方法是一致的，可參照淹沒(méi)式滑動(dòng)的計(jì)算方法。下切滑動(dòng)滑動(dòng)區(qū)下切荷載的計(jì)算方法與淹沒(méi)式一致，但其阻滑區(qū)荷載產(chǎn)生的荷載為土體自重產(chǎn)生的側(cè)壓力。

3.1.3 載荷的分布形式

如圖6所示，淹沒(méi)式滑動(dòng)荷載分布形式考慮下切荷載、阻滑荷載、巖土自重，下切荷載、阻滑荷載按照三角形分布，巖土自重水平荷載按照梯形分布在滑面以下，巖土自重豎向荷載根據(jù)地形分布。

非淹沒(méi)式的荷載分布主要考慮下切荷載、巖土自重，下切荷載按照三角形分布，巖土自重豎向力按照三角形分布在有效土體范圍內(nèi)，左側(cè)巖土自重水平力按照梯形分布在滑面以下，右側(cè)按照三角形分布在有效土體范圍內(nèi)。見(jiàn)圖7。

3.2 擾動(dòng)滑動(dòng)處治

滑坡對(duì)隧道的影響包括兩大方面，一方面為滑坡體造成隧道結(jié)構(gòu)受力荷載大幅度增大；另外一方面就是滑坡體造成山體位移，使得山體對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的位移約束能力減弱。因此，針對(duì)滑坡的治理，需要解決荷載問(wèn)題和位移問(wèn)題。

3.2.1 荷載問(wèn)題

解決荷載問(wèn)題可以考慮采用三個(gè)方法：卸載、結(jié)構(gòu)阻滑和加固阻滑。

3.2.1.1 卸荷

如圖8所示，卸荷方案的關(guān)鍵要點(diǎn)包括：（1）隧道拱頂宜保留一定厚度的土體，保留土體可以分擔(dān)卸荷施工的施工荷載，使得阻滑體的阻滑能力沒(méi)有被削弱太多，同時(shí)也利于地形的銜接；（2）卸荷坡度應(yīng)結(jié)合計(jì)算分析確定，計(jì)算分析過(guò)程中需要考慮擴(kuò)建施工擾動(dòng)的不利影響，可采取折減相關(guān)力學(xué)參數(shù)實(shí)現(xiàn)；（3）配合卸荷的錨固措施，不宜采用錨索，可采用全粘結(jié)型錨桿；（4）因?yàn)槌霈F(xiàn)地形突變，要做好排水工作及坡面防護(hù)。

3.2.1.2 結(jié)構(gòu)阻滑

結(jié)構(gòu)阻滑的本質(zhì)就是提高結(jié)構(gòu)的承載能力，結(jié)構(gòu)阻滑措施關(guān)鍵要點(diǎn)包括：（1）應(yīng)提高初期支護(hù)的承載能力，使得初期支護(hù)能夠承受短期的滑體荷載；（2）需要提高二襯的承載能力，二襯要充分考慮施工期持續(xù)的加載及各種不利工況下的承載能力；（3）結(jié)構(gòu)阻滑要考慮因?yàn)楹奢d增大造成的地基承載力不足問(wèn)題，可采取微型樁、換填等方案提高地基承載能力。

3.2.1.3 加固阻滑

加固阻滑主要指對(duì)圍巖進(jìn)行加固，加固的本質(zhì)就在于提高周邊圍巖對(duì)滑體的阻滑能力。針對(duì)地表埋深比較淺的段落，可采用地表注漿等措施，對(duì)于洞內(nèi)可采取全環(huán)注漿等措施。

3.2.2 位移問(wèn)題

3.2.2.1 側(cè)向位移

解決側(cè)移問(wèn)題通常可以采用抗滑樁及回填反壓兩種辦法限制側(cè)向位移。針對(duì)側(cè)向位移的控制可采用如圖9所示的方案，一般情況下可采用C方案。各方案的特點(diǎn)為：（1）A方案將右線拱頂處下滑力的直接傳遞，但抗滑樁懸臂端很長(zhǎng)且對(duì)右洞襯砌產(chǎn)生水平推力，不能從根本解決右線襯砌的側(cè)移問(wèn)題；（2）B方案主要設(shè)置在山體的阻滑段，抗滑樁剛度較大，能夠給襯砌提供較大的側(cè)向約束，但抗滑樁懸臂很長(zhǎng)且未充分利用抗滑樁右側(cè)山體的阻滑能力；（3）D方案主要設(shè)置在山體的阻滑段，其充分利用了山體的滑動(dòng)能力，但對(duì)右洞襯砌結(jié)構(gòu)的側(cè)向約束較弱；（4）C方案主要設(shè)置在山體的阻滑段，其能夠產(chǎn)生限制位移的作用，綜合考慮了側(cè)向約束剛度，施工的可行性，同時(shí)也能在一定程度上發(fā)揮山體的阻滑能力。

3.2.2.2 縱向位移

由于滑體與隧道斜交，滑體產(chǎn)生的水平力有沿隧道縱向的分量，有使得襯砌及周邊的巖體產(chǎn)生縱向滑動(dòng)的趨勢(shì)。通常情況下可采取延長(zhǎng)明洞或設(shè)置抗滑樁+加強(qiáng)洞門(mén)墻的結(jié)構(gòu)形式（見(jiàn)圖10），其主要通過(guò)洞門(mén)墻作為擋土結(jié)構(gòu)，然后將水平力傳給抗滑樁，抗滑樁再將水平力傳遞到更完整的基巖部分。

3.2.3 開(kāi)挖穩(wěn)定措施

如圖11所示，為了保障施工期的穩(wěn)定，需要采取臨時(shí)支撐、超前加固以及施工控制等手段：（1）臨時(shí)支撐需要承擔(dān)襯砌拆除過(guò)程中的轉(zhuǎn)移荷載，因此可采用閉合鋼架進(jìn)行內(nèi)套支撐；（2）超前加固采用洞口管棚及洞內(nèi)管棚進(jìn)行加固，大管棚加固主要起到彈性地基梁的作用，通過(guò)大管棚與圍巖的協(xié)調(diào)變形，將開(kāi)挖區(qū)產(chǎn)生的荷載傳遞到兩端；（3）通過(guò)施工控制達(dá)到穩(wěn)定滑體的作用，可采取控制爆破、靜態(tài)開(kāi)挖、提高初支承載力、二襯緊跟等綜合措施。

通過(guò)加強(qiáng)支護(hù)、臨時(shí)支撐、控制縱、橫位移來(lái)抵抗山體松動(dòng)對(duì)隧道的作用的技術(shù)方法已在包括改擴(kuò)建在內(nèi)的項(xiàng)目中得到應(yīng)用，施工及運(yùn)營(yíng)效果均較好。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）與隧道軸線呈大角度相交的滑坡荷載，可選取不同的典型斷面，根據(jù)滑坡的機(jī)理，利用隧道的極限破壞模式得出滿足生產(chǎn)實(shí)踐的滑動(dòng)區(qū)、阻滑區(qū)、淺層滑動(dòng)的隧道荷載估算。

（2）隧道洞身滑坡的治理需要解決滑體產(chǎn)生過(guò)大荷載、滑體造成位移兩個(gè)方面的問(wèn)題，可綜合采用卸荷、結(jié)構(gòu)措施、加固措施等方式進(jìn)行解決。

（3）施工穩(wěn)定措施需要采取臨時(shí)支撐，超前加固，開(kāi)挖過(guò)程控制等多種措施。

（4）已發(fā)生滑動(dòng)病害的隧道的原位擴(kuò)建應(yīng)確保施工期穩(wěn)定，施工過(guò)程要充分考慮滑體滑動(dòng)帶來(lái)的不利影響。

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