冀荣华

(中铁十七局集团城市建设有限公司 贵州贵安 550025)

1 引言

在山岭地区修建铁路工程或者公路工程，为克服高程差异和改善线型，多采用隧道结构形式穿越山体[1-2]。在以往的隧道工程建设中，多关注于隧道洞身范围内的开挖掘进和结构支护体系的安全、技术等问题，对于洞口部位的施工风险认识不足，导致洞口坍塌和洞口衬砌结构挤压变形现象的出现，进而影响隧道工程的建设成本和建设周期[3]。这是因为隧道洞口作为隧道工程建设的关键节点，长期受到自然风化、植被根系的作用，岩体结构多破碎、裂隙发育，地表覆盖松散的全强风化层，岩体强度和自稳能力均较差[4]。另外，隧道洞门段多处于山体斜坡面上，隧道的埋深较浅，开挖扰动后使得坡面形成临空面，围岩体难于形成有效的承载拱，导致隧道引发位移和大变形，甚至诱发隧道顶部坍塌和衬砌结构挤压变形开裂[5]。

隧道洞门的变形过程受到诸多因素的影响，变形机理非常复杂，因此其日益受到研究者的关注，并采用了数值模拟、现场实测等手段进行研究分析。王伟等[6]依托文山至麻栗坡高速公路隧道，研究隧道软弱围岩条件下的洞口变形过程，提出基于监控量测的分级控制管理，以实现隧道结构的变形控制；刘小军等[7]采用数值模拟手段对环形导坑预留核心土法的浅埋隧道洞口建立三维模型，分析不同开挖工序下隧道围岩的应力释放以及隧道支护结构的变形过程；张惠民[8]根据FLAC 3D的隧道洞口数值模拟结果，指出边坡的坡度对隧道洞口稳定性具有十分重要的影响；李世琦等[9]采用现场勘探和现场实测的方式对顺层岩质边坡条件下隧道洞口变形进行监测，指出抗滑桩在控制洞口边坡滑移的有效性；邱明明等[10]采用现场实测的方式研究了黄土地区浅埋洞口段的变形时空效应，提出隧道洞口变形的预测分析模型。综合现有文献可知，目前针对缓坡浅埋隧道的变形特征的研究相对较少，有必要进一步展开研究和探讨。

本文以桐梓至新蒲高速公路项目包桂山隧道工程为研究对象，采用现场监测手段，分析隧道洞门在开挖过程中，隧道结构体系和缓坡地表的地表沉降变化特征，同时指出相应的防治措施。研究成果可为缓坡浅埋隧道洞门的监控量测和不良变形整治提供依据。

2 工程背景

包桂山隧道位于遵义市绥阳县郑场镇和遵义市新蒲新区永乐镇交汇处，设计为分离式隧道。隧道左线长1 317 m，隧道右线长1 328 m，属长隧道。隧址区微地貌主要为斜坡地貌，呈西北高，东南低，斜坡大部分自然坡度大于45°，地形较陡峭。隧道进口位于溶蚀槽谷斜坡地带，自然坡度15°～45°，出口位于侵蚀沟谷斜坡地带，自然坡度10°。进出口洞门均为削竹式，明洞长度20 m。

隧址区出口段附近发育断层F1，于ZK60+740(K60+774)与路线相交，交角55°。该断层为非活动性逆断层，断层产状271°75°。破碎带宽度约5.0 m，影响带宽度5～10 m，破碎带为角砾岩，泥质胶结。断层上盘为O1m地层，受构造影响，岩层发生倒转，岩层产状为65°～82°65°～78°；下盘为O1m地层，岩层产状265°42°，该断层距离隧址区较远，对隧道基本无影响。

隧址区内主要地层为新生界第四系全新统残坡积层(Qel+dl4)、坡洪积层(Qpl+dl4)及中统十字铺组及宝塔组(Osh+b2)、中统韩家店组(S2h)、石牛栏组(S1sh)，二叠系下统栖霞组、茅口组(P1q+m)地层，以灰岩、钙质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩为主。隧道的地质分布如图1所示。

图1 左隧道地质纵断面图

3 缓坡浅埋隧道洞门变形监测及规律分析

3.1 缓坡浅埋隧道洞门变形监测

为监测缓坡浅埋隧道洞门支护结构体系以及地表纵横方向上的时空变形过程，在隧道的拱顶、拱肩和拱腰位置上分别布置变形监测点，在高度方向上，按隧道轮廓外直径的1/3控制，在纵向掘进方向上，监测点的间隔为5 m；在缓坡地表共布置4排地表沉降监测点，分别为 D1、D2、D3、D4，在宽度方向上以隧道对称轴为原点，监测左右20 m范围内的土层沉降，共布置9个监测点，沉降监测点间距为5 m。隧道洞门支护结构体系及地表变形监测点布置如图2所示。

图2 隧道洞门支护结构体系及地表变形监测点布置

3.2 缓坡浅埋隧道洞门纵向变形规律

图3、图4分别为隧道进洞掘进方向上，左洞口、右洞口隧道结构体系的变形曲线。从图中可以看出，由于存在缓坡地形进洞，隧道洞口的埋深较浅，开挖后边坡岩土体形成临空面，围岩自稳定性较差，难以形成承载拱，导致土体应力释放和产生附加变形；从隧道左、右洞洞门结构的变形情况看，其受地形因素和开挖效应的影响范围主要集中在3.0D(D＝10.8 m，D为隧道外轮廓直径)处，在该段范围内，无论是隧道拱顶，还是拱肩、拱腰位置，其变形均呈现明显的增加；而大于3.0D后，隧道的埋深逐渐增大，隧道支护结构体系的变形逐渐回落。另一方面，无论是左线隧道洞门还是右线隧道洞门，可以看出在缓坡浅埋条件下，隧道支护结构体系的变形以拱顶为主，其变形规律与拱肩、拱腰的变形规律具有一致性，但前者明显比后者大。

图3 纵向掘进方向上左洞口隧道结构体系的变形曲线

图4 纵向掘进方向上右洞口隧道结构体系的变形曲线

3.3 缓坡浅埋隧道洞门横向变形规律

图5、图6分别为里程DK60+490处，右线隧道横向方向上结构支护体系的变形曲线、变形速率曲线。从图5中可以看出，不同位置处的隧道结构支护体系的变形随时间的变化均呈现明显的指数变化特征，其中拱顶位置处A拟合曲线方程、拱肩位置处B拟合曲线方程、拱腰位置处C拟合曲线方程分别为:

图5 隧道右洞口(DK60+490)横向方向上结构体系的位移曲线

图6 隧道右洞口(DK60+490)横向方向上结构体系的位移速率曲线

式中，u为拱顶位移；w为拱肩位移；v为拱脚位移；t为监测时间；R2为拟合决定系数。

因此可以用统一的表达形式进行描述，如方程(4):

式中，s为隧道结构的变形；a、b为拟合系数。

从图5、图6中可以看出，隧道结构支护体系的变形具有明显的3个阶段，在第Ⅰ阶段，受开挖扰动影响，隧道的变形速率增加迅速，出现明显的速率峰值，这个阶段的位移占累计总位移的比例大于50%；在第Ⅱ阶段，隧道的累计位移仍然不断增加，变形速率虽然有所波动，但整体上明显减缓，并逐渐趋于收敛；在第Ⅲ阶段，隧道的累计位移增加不明显，位移速率较小，表明隧道结构已进入稳定变形阶段。由此表明，在缓坡浅埋隧道洞门施工过程中，结构变形和变形速率增长主要发生在第Ⅰ阶段，应采取有效的变形控制措施使结构体系尽早进入稳定变形阶段。

3.4 缓坡浅埋隧道洞门地表沉降规律

图7为隧道右洞口(DK60+490)地表D3测线地表沉降随时间的变化曲线。从图中可以看出，缓坡地表沉降曲线随时间的增加均为高斯曲线，在拱顶位置正上方的沉降最大，向左右两侧逐渐减小；随着时间的增加，不同位置处的地表沉降将逐渐增加，并在60～70 d内达到变形稳定，对比于隧道支护结构的变形稳定时间(30 d，如图5所示)，表明地表的沉降稳定时间比隧道结构的变形稳定时间具有一定的滞后性，因此在施工时应对地表进行更为长期的监控量测。

图7 隧道右洞口(DK60+490)地表D3测线地表沉降曲线

图8为隧道右洞口(DK60+490)D1～D4测线上的地表变形。从图中可以看出，不同位置处的地表沉降呈现为明显的高斯曲线特征，在隧道拱顶正上方的地表沉降最大，在隧道左右两侧不断减小。随着隧道的不断掘进，隧道的埋深不断加大，在隧道纵向掘进方向上，隧道埋深按照测线D4、D3、D2、D1的顺序不断加大，因此隧道上方的地表沉积也呈现出明显的空间特征，表现为埋深大的位置，地表沉降小，而埋深浅的地方，地表沉降大，容易发生岩土体的滑移坍塌。因此，在隧道的掘进过程中，需要加强对缓坡浅埋隧道进洞阶段岩土体的加固，比如加设抗滑桩、挡土墙等措施，防止边坡岩土体的滑移和溜坍。

图8 隧道右洞口(DK60+490)D1～D4测线上的地表沉降曲线

4 施工防治措施

4.1 套拱施工

为了提高缓坡浅埋隧道洞口岩土体的稳定性，进洞开挖采用套拱工艺对围岩体进行围护和隔离，以及早进洞，为形成隧道拱体空间创造条件。具体的施工方法为在隧道明洞和暗挖交界位置处放好中线及边线，采用双侧壁导坑法对隧道掌子面岩土体进行挖掘，待开挖到起拱线后安装钢拱架，钢拱架为4榀，型号为 18工字钢。由于钢拱架在纵向上的排列间隔为60 cm，为了提高拱架的整体性和使各拱架之间共同受力，钢拱架节段间采用钢板连接并将钢拱架拱脚与仰拱锚杆焊接牢固，不同断面的钢拱架排列纵横向钢筋连接，横向间隔为100 cm，钢筋直径为20 cm。拱架上设置φ127×4 mm导向管，考虑钻进中的下垂，导向管方向较钢管设计方向上偏1°～3°，随后浇筑套拱混凝土，形成洞室轮廓。

4.2 管棚超前支护进洞

为改善隧道洞口岩土体自身承载能力，改善隧道支护结构的受力条件，缓坡浅埋隧道进洞设置了超前管棚的加固措施[11]。单洞管棚长度为25 m，选用钢材为热轧无缝钢管，管材的直径为108 mm，厚度为6 mm，共计51根，沿隧道轮廓环向间距为40 cm。施工时，为了避免相邻孔的挤压变形和验证注浆效果，采用奇数孔和偶数孔分别成孔的方式施作。

采用120 mm潜孔钻机钻孔，为保证钻孔的轴线和偏角正确，应该对钻杆的倾斜度进行及时监测和纠正，完成钻孔并实行孔内杂物清理后才能安装管棚[12]。管棚安装时，同一横断面相互错开接头，φ102×6套丝钢管长30 cm。管棚奇、偶数孔的首节钢管长度不一致，前者为3 m，后者为6 m，随后管节长度两者一致，均为6 m。采用水泥浆液进行注浆，水灰比设计为1∶1，控制注浆过程的注浆压力，为避免一次注浆压力过大导致土体挤压，在初次加压时，压力控制在0.5～1.0 MPa，以后维持在1.5 MPa左右，终了时注浆压力控制在2.0 MPa。

5 结论

缓坡浅埋隧道洞门施工是隧道工程的关键节点。以桐梓至新蒲高速公路项目包桂山隧道工程为研究对象，采用现场监测手段，分析隧道结构体系和缓坡地表的地表沉降变化特征，同时提出相应的防治措施，得到以下几个结论:

(1)在缓坡浅埋隧道洞门纵向上，开挖引起变形影响范围约为隧道直径的3倍；隧道支护结构体系的变形以拱顶为主，其变形规律与拱肩、拱腰的变形规律具有一致性，但隧道拱顶的变形最大，拱肩次之，拱腰最小。

(2)在隧道洞门横向上，隧道变形呈现出明显的指数特征，其变形规律可以统一用式(4)描述；变形过程主要分为3个阶段，且在第Ⅰ阶段的变形速率最大。

(3)隧道地表沉降具有明显的时空效应，均呈现高斯曲线特征；地表的沉降稳定时间较隧道结构的变形稳定时间具有一定的滞后性。

(4)针对隧道支护结构体系变形特征和地表沉降规律，对缓坡浅埋隧道洞门施工采取套拱施工和管棚超前支护进洞的施工措施，有效地提高了隧道结构的安全性和洞顶岩土体的变形稳定。