隧道横穿牵引式滑坡受力分析和处治措施

2022-08-01李洋溢

西部交通科技 2022年5期

袁通，李洋溢

(广西交通设计集团有限公司，广西南宁 530029)

0 引言

隧道修建应尽量避免穿越滑坡区，但由于山区公路地形条件限制，选线时往往不可避免穿越滑坡变形区[1]。或原为稳定斜坡，由于隧道施工扰动，在累积变形未得到及时控制的情况下，使斜坡发生较大变形，进而发展成为滑坡[2]，给隧道建设带来较大困难。

目前针对滑坡变形区隧道的研究大部分集中在滑坡区隧道的变形特征[3]、隧道与滑坡体相互作用机制[4-5]和“滑坡隧道”的病害处治方面，而针对顺层偏压情况下的隧道变形特征和受力机理的研究较少。本文针对顺层偏压荷载情况下，通过分析现场“滑坡隧道”变形特征，研究管棚和衬砌结构的受力变化状态，提出有针对性的加固措施和开挖工法，可为类似工程案例提供借鉴。

1 工程概况

1.1 隧道工程地质概况

某山区高速公路K114+625段隧道左洞长290 m，右洞长270 m，为短隧道，与路基同宽。隧道最大开挖跨度约为15.5 m，左右洞净距约为15.4 m，属小净距隧道。隧道进口端垂直下穿一当地省道，隧道拱顶距路面覆盖层厚约2 m。洞口设计采用40 m长φ108 mm×6 mm超前大管棚，下穿省道施工前，提前对上跨省道进行临时改道，从洞口外绕行。

隧址区揭露地层主要为第四系填筑土(Qme)、坡残积(Qdl+el)粉质黏土和三叠系中统板纳组(T2b2)基岩。第四系填筑土分布于隧道进口段，推测为修建省道时堆填形成，厚度约为20 m；坡残积粉质黏土大面积分布于山体地表，厚度为0.5～2 m；三叠系中统板纳组基岩为强风化和中风化砂岩，其中强风化层厚度约为25.0～32.5 m，其下为中风化岩层。隧址区岩层产状为350°∠47°，岩层走向与隧道轴线方向交角约为10°。

1.2 隧道塌方(见图1)

隧道塌方发生于2019年5月，当地正进入雨季。塌方时右洞已贯通，初支施工完毕，二衬施工至桩号K114+543(剩余43 m未施工)，K114+531～K114+543段二衬混凝土刚浇筑完毕，拆模后发现该段二衬左侧拱腰部位分布网状细小裂缝，其他段落未发现，推测为在该段二衬混凝土达到强度之前受塌方冲击荷载所致。左洞进口端初支坍塌段落为ZK114+517～ZK114+540，长23 m；ZK114+510～ZK114+517段左侧拱腰部位初支有挤出剥落现象，局部侵限；出口端初支坍塌段落为ZK114+550～ZK114+566，长16 m；ZK114+566～ZK114+601段左侧拱腰部位初支有挤出剥落现象，局部侵限；同时ZK114+566～ZK114+582段拱顶初支破坏最为严重，拱架向上弯折扭曲，部分断裂，初支碎裂剥落；ZK114+582～ZK114+601段右侧拱肩部位初支局部崩落，拱架完好。塌方前左洞进口端掌子面桩号为ZK114+540，掘进39 m，埋深约22 m，进口仰拱施工桩号

图1 隧道塌方和地表裂缝发展剖面图

为ZK114+506，仰拱距掌子面34 m；左洞出口端掌子面桩号为ZK114+550，埋深约25 m，未贯通段10 m，出口仰拱施工桩号为ZK114+615，仰拱距掌子面65 m。

1.3 塌方原因与隧道受力机理分析

隧道塌方时，进口端掌子面桩号为KB114+540，掘进39 m，仰拱仅施工5 m，仰拱距掌子面34 m；出口端掌子面桩号为KB114+550，仰拱距掌子面65 m，未贯通段仅剩10 m。塌方前进口掌子面仍在掘进，而此时管棚已处于悬臂状态，如图2所示。将管棚与隧道初支视为同一受力单元，承受上部围岩荷载，其中套拱和已浇筑仰拱段落由于沉降变形趋于稳定，可将其视为固定端；对于仰拱未浇筑段落，上台阶拱架处于沉降变形状态，可将其一同视为自由端；对于管棚插入稳定岩层段落，可将其视为固定端。基于以上简化力学模型可判断：随着隧道的开挖掘进，管棚受力状态由简支梁模式转变为悬臂梁模式，由于进口仰拱未及时跟进，管棚悬臂端过长(34 m)，管棚悬挑能力较弱，隧道沉降变形未能及时控制，加上出口仰拱距掌子面距离长，初支长时间处于沉降变形状态，当沉降达到一定极限时，发生掌子面塌方。

图2 管棚受力状态示意图(cm)

塌方后进出口端掌子面上方形成一空腔，相当于将边坡坡脚挖除，再加上未贯通段较短(10 m)，对山体支撑作用有限，导致局部山体沿岩层结构面错动，最大下滑力作用于隧道左侧拱腰初支部位，致使隧道左侧拱腰初支向外挤出。同时，由于左侧侧向推挤力，拱顶初支向内弯折变形，拱顶初支混凝土崩落，呈现纵向拉弯破坏状态。在洞顶山体顺岩层结构面错动的同时，靠近省道一侧边坡因扰动失稳，上覆黏土和强风化岩层沿临空面塌落。

图3为隧道衬砌结构受力状态，在地形偏压和地层结构偏压双重偏压荷载情况下，衬砌受力状态极为不利，在沉降累积变形较大情况下，岩层易顺沿软弱结构面发生错动，从隧道拱腰连接板位置剪出，形成滑坡。

2 应对处治措施

2.1 应急处治措施

隧道左洞发生塌方后，在保证作业安全的前提下对左洞采取一系列应急措施：

(1)对左洞进口未坍塌段初支段落ZK114+501～ZK114+517进行反压回填，洞渣回填至隧道拱顶，且洞口外反压长度≥10 m。

(2)左洞出口ZK114+566～ZK114+601段采用洞渣反压至隧道起拱线位置。

(3)考虑到洞内作业人员人身安全，靠近掌子面变形严重段落ZK114+566～ZK114+583采用泵管泵送一层80 cm厚混凝土底板；靠近仰拱段ZK114+583～ZK114+601采用工字钢横撑，并喷射混凝土作为临时仰拱。

(4)对地表裂缝处采用黏土封缝，避免降雨时雨水渗入，进一步降低滑坡体的稳定性。

(5)立即加强地表位移监测。

在采取上述应急措施后，隧道的变形逐渐趋缓。

2.2 永久处治措施

塌方后，隧道围岩各项物理力学性质降低，处治之前最为重要的是对隧道一定范围内的围岩进行注浆加固，增强围岩整体性。

2.2.1 钢管桩固脚

由于塌方后边坡坡脚已被扰动，为加固边坡坡脚，避免隧道进口掘进时二级路边坡往洞口方向失稳滑动，在对应隧道洞身及边墙外5 m范围内采用A89钢管桩对边坡坡脚进行加固。由于二级路路基因隧道开挖沉降扰动，打设钢管桩可进一步对该段路基进行加固。钢管桩从二级路路面垂直向下打设，按间距为2 m×2 m梅花形布置。在钢管桩内打设注浆孔，先通过注浆加固桩体周边围岩，在管内填充砂浆增加桩体强度。在靠近省道一侧塌腔部位采用C15混凝土回填，避免雨水下渗。

2.2.2 围岩固结

待险情控制后，经长时间监测，隧道变形已基本趋于稳定。由于KB114+510～KB114+517段、KB114+566～KB114+601段初支变形较大，局部侵限，使该段落围岩自稳能力差，为保证后续施工安全，对该段围岩进行径向注浆加固。注浆采用4.5 m长φ42 mm×4 mm小导管注浆加固，钢管间距为1.2 m(环向)×0.6 m(纵向)，梅花形布置，浆液为42.5级水泥净浆，水泥水灰比为1∶0.8～1∶1，注浆初压为0.5～1.0 MPa，终压为2.0 MPa。注浆按分阶段间隔式原则，保证注浆效果。

2.2.3 施工辅助措施和开挖工法

(1)待地表注浆和洞内注浆加固完成后，检验注浆效果，达到设计要求后方能进行下一步施工。

(2)进口掘进前，在洞口管棚上方重新打一环管棚，管棚长30 m，环向间距为40 cm，管棚钢管内放置钢筋笼，并严格按设计要求填充砂浆。进口掌子面掘进至KB114+525处时，洞内开始扩挖，掘进至KB114+530处时，重新打设一环洞内管棚，管棚长24 m，打设要求同洞外管棚。

(3)出口端KB114+566～KB114+601段初支开裂严重，且侵限，需对该段初支进行置换。该段衬砌结构采用加强型衬砌，初支采用Ⅰ22b工字钢，纵向间距为50 cm，每换拱5 m须及时将仰拱封闭成环，如够施工一版二衬空间时，及时施作二衬。换拱期间加强监控量测。

(4)出口端换拱至KB114+566处时，打设一环洞内管棚，管棚长12 m，打设要求同洞外管棚。

(5)未开挖段ZK114+540～ZK114+550和初支坍塌段ZK114+517～ZK114+540、ZK114+550～ZK114+566隧道开挖采用上台阶CRD工法结合下台阶预留核心土法，如图4所示。开挖每循环进尺控制在50 cm(单榀拱架间距)，环向拱架连接部位采用Ⅰ14工字钢加强纵向连接，拱架之间均采用高强度螺栓连接。

图4 上台阶CRD工法示意图

(6)换拱段KB114+566～KB114+601、进口塌方段KB114+517～KB114+540、未开挖段KB114+540～KB114+550、出口塌方段KB114+550～KB114+566采用二衬加强。二衬厚60 cm，混凝土由C30调整为C40，主筋由C20调整为C25，按间距20 cm布置。

经上述处治方案实施后，目前隧道已安全贯通，标志着本条高速公路最后制约节点的完成，保证了高速公路按时通车。