隧道平行穿越滑坡體的變形特征及控制技術(shù)

李家龍 羅騁華 周文皎

（1.云南省建設(shè)投資控股集團有限公司，昆明 650000；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

香麗高速公路是G0613 北京至拉薩聯(lián)絡(luò)線西寧至麗江公路的組成路段。沿線自然環(huán)境惡劣，跨越的地貌單元復(fù)雜，全線的橋隧比超過80%。選線階段盡可能使隧道避讓不良地質(zhì)體，由于在勘察階段對其地質(zhì)條件認識不足等原因，有些隧道不可避免地要穿越滑坡體。建設(shè)過程中因施工擾動等因素極易造成滑坡體蠕動變形，引發(fā)隧道變形和破壞，威脅公路建設(shè)者的安全，影響公路安全順利通車。

很多研究學(xué)者已經(jīng)對隧道穿越不良地質(zhì)體的作用機理和處治對策開展了相關(guān)研究，并取得了一定的研究成果。文獻［1］初步研究了因開挖隧道引起斜坡變形滑動的“隧道滑坡”病害產(chǎn)生的地質(zhì)條件和誘發(fā)因素；文獻［2］對滑坡與隧道的作用關(guān)系、作用形式和隧道不同位置的優(yōu)缺點進行了研究；文獻［3］研究了蠕動型滑坡的形成原因和產(chǎn)生隧道變形開裂的作用機理，并構(gòu)建了5種滑坡-隧道病害地質(zhì)模型；文獻［4-7］基于滑坡-隧道體系開展了理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗，研究了不同穿越形式下隧道的變形特征；文獻［8-10］針對滑坡體作用下隧道變形特征和控制技術(shù)開展研究和分析。

綜上，不同穿越形式的隧道-滑坡問題所導(dǎo)致的變形和受力特征均不同，采用的控制技術(shù)也有所不同。在香麗高速公路隧道-滑坡問題中最為常見的是隧道平行穿越滑坡（隧道軸向與滑坡方向夾角為0°～20°）。當(dāng)隧道平行穿越滑坡體時，隧道開挖可能誘發(fā)滑坡體復(fù)活及蠕動變形，使隧道產(chǎn)生變形和破壞，嚴(yán)重時可能會影響工程建設(shè)的正常開展，甚至是全線的順利通車。因此，本文以香麗高速公路一隧道-滑坡病害為例，對這類常見的隧道-滑坡病害的受力特征、變形機制進行研究和分析，并提出適宜的控制技術(shù)，填補在云南高原地區(qū)隧道-滑坡病害研究的空白，保證香麗高速公路的順利通車。

1 工程地質(zhì)概況

圖1 隧道進口仰坡衛(wèi)星圖

該隧道（圖1）位于青藏高原南東延橫斷山脈中段，屬高中山區(qū)，構(gòu)造作用強烈，巖體破碎松弛深度大。隧道進口斜坡位于走向為262°的山脊北側(cè)，自然斜坡傾向330°，斜坡坡度約31°，坡底為松坡河，走向253°，隧道以NW28°（332°）穿過自然坡體（近平行）。斜坡為上覆第四系堆積體，主要為含礫粉質(zhì)黏土和碎石土。下覆三疊系中統(tǒng)（T1）組強-中風(fēng)化灰色、灰褐色板巖，斜坡體植被發(fā)育，地下水較豐富。

該隧道為分幅分離式隧道（右幅K63+970—K65+210；左幅ZK63+970—ZK65+228.96），隧道全長1 260 m，圍巖等級為Ⅴ級圍巖。隧道采用三臺階預(yù)留核心土法施工，最初開挖時隧道進口斜坡上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有裂縫、錯臺等，隨后在隧道進口段40～60 m 內(nèi)左、右洞均發(fā)現(xiàn)二次襯砌開裂情況，這些跡象表明隧道進口斜坡已發(fā)生形變，危及隧道安全。

2 滑坡體特征

在開挖過程中發(fā)現(xiàn)斜坡體和隧道產(chǎn)生了較大變形和破壞。根據(jù)地表后緣裂縫的分布位置和隧道裂縫擴展情況可大致推測目前滑坡體的范圍（圖2），長約300 m，寬約110 m，主要變形方向為NW6°?；麦w與隧道軸向近平行，滑坡體后緣位于隧道進口上部，前緣至坡腳河谷地帶，左側(cè)界有明顯的向坡腳延伸趨勢，右側(cè)界暫未完全貫通。

圖2 隧道進口端滑坡體平面示意

2.1 地表變形特征

2016 年10 月，隧道右洞正上方160 m 處的斜坡上，發(fā)現(xiàn)有一展布方向為259°的裂縫，長10 m，寬30 cm，深40 cm。裂縫對應(yīng)隧道內(nèi)的里程大致為K64+030。2018 年雨季過后，裂縫不斷地順坡向下延伸，并逐步產(chǎn)生了溜坍。另外，在隧道右洞正上方70 m 的村道有大貫通的裂縫，裂縫展布方向為259°，長20 m，寬20 cm，深60 cm。同時，變形體的左右側(cè)界不斷地沿順坡向下延伸，并逐步產(chǎn)生了變形，形成溜坍，并砸毀了洞頂布設(shè)的部分監(jiān)測設(shè)備。

施工單位在隧道進口上方埋置了18 個地表位移監(jiān)測點（見圖3）。經(jīng)監(jiān)測可知，x，y，z3 個方向位移變化趨勢基本一致，即隨著時間的增加位移近似呈線性增加。x方向的位移朝正北方向增加，10 號觀測點位移最大，約62 mm；y方向的位移朝正東方向增加，13號觀測點位移最大，約24 mm；z方向的位移以沉降變形為主，9 號和15 號觀測點的沉降最大，達到24 mm。該邊坡應(yīng)處于勻速變形階段，變形較為嚴(yán)重的區(qū)域主要集中在隧道左側(cè)進口仰坡區(qū)域。這18 個監(jiān)測點的變形方向為NW1°～NW10°，總體變形方向約為NW6°。

圖3 地表位移監(jiān)測點布置示意

從地表裂縫展布和地表位移監(jiān)測的結(jié)果可知，隧道開挖擾動引起了地表較為強烈的變形，地表監(jiān)測點的變形反映滑坡體處于不斷蠕動變形的過程中，可能會對隧道產(chǎn)生不利影響。

2.2 坡體深部變形特征

除地表外，滑坡體內(nèi)也存在一定的變形特征。深部位移監(jiān)測手段是一種常規(guī)有效的判斷滑坡變形特征的手段。在隧道進口埋設(shè)了2 個深度為62 m 的深部位移監(jiān)測孔CX-1 和CX-2，監(jiān)測結(jié)果見圖4?？芍挥谒淼蓝纯谏戏降腃X-1 監(jiān)測孔在32～38 m 內(nèi)發(fā)生了向河側(cè)方向的突變；位于隧道洞口下方的CX-2孔在44～48 m 內(nèi)變形逐漸加大，并且在20 m 處變形也有明顯的變化。

圖4 不同監(jiān)測孔的深部位移

2.3 隧道變形特征

2017年3月初，在隧道進口右幅襯砌有開裂現(xiàn)象，同時發(fā)現(xiàn)了貫穿裂縫和斜向裂縫。根據(jù)隧道內(nèi)裂縫展布的情況，隧道二次襯砌出現(xiàn)的主要是斜向裂縫和環(huán)向裂縫，未發(fā)現(xiàn)縱向裂縫，且裂縫多分布在隧道邊墻至拱頂。仰拱有少量裂紋，裂紋寬度多小于1 mm，少量裂紋寬度大于1 mm。根據(jù)隧道內(nèi)裂縫嚴(yán)重程度分為裂縫特別嚴(yán)重區(qū)和一般嚴(yán)重區(qū)。特別嚴(yán)重區(qū)主要 以 分 布 在 K64+020—K64+040 段 、YK64+020—YK64+035 段寬為0.1～4.4 mm 不等的環(huán)向裂縫和斜向裂縫為主。在YK64+025 處地面有明顯的錯臺，小里程方向下錯約1 cm，YK64+025 左右邊墻均有斜向裂縫展布，裂縫傾角約為45°～60°，逐漸延伸至YK64+034 拱頂處，并形成貫通的環(huán)向裂縫，縫寬約15 mm。一般嚴(yán)重區(qū)主要以分布在K64+020—K64+040 段、YK64+020—YK64+035 段兩側(cè)各 20 m 范圍內(nèi)，以寬為0.1～3.0 mm的斜向裂縫為主，沒有環(huán)向裂縫展布。

3 病害原因

1）斜坡巖體結(jié)構(gòu)松散破碎

該隧道進口穿越的斜坡體在開挖前沒有發(fā)現(xiàn)明顯的變形特征，坡體中也沒有發(fā)現(xiàn)馬刀樹、陡坎、裂縫等滑坡跡象，但坡體的巖土體結(jié)構(gòu)特征為后續(xù)產(chǎn)生變形提供了先天條件?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，坡體主要是由強風(fēng)化破碎的夾泥炭質(zhì)板巖組成，這種巖體自身強度不高，雨水后容易軟化。巖體裂隙較發(fā)育，有利于地表水下滲。雖然現(xiàn)場測量的產(chǎn)狀反傾，但存在一順傾結(jié)構(gòu)面315°∠29°，滑坡體的穩(wěn)定受這組結(jié)構(gòu)面控制。

2）隧道開挖擾動

斜坡體和隧道的變形破壞主要是隧道開挖后形成的，因此隧道開挖是引起坡體變形和隧道開裂的主要誘發(fā)因素之一。隧道開挖擾動使得巖體變得松散破碎，裂隙張開，坡體發(fā)生多次溜坍、坍塌病害，從而引起了坡體應(yīng)力的松弛。較大的開挖臨空面直接削弱了斜坡體的抗滑力，在長期降雨以及地下水作用下坡體逐漸失穩(wěn)并變形破壞。

3）降雨及地下水?dāng)_動

在長期降雨作用下，雨水短時間內(nèi)通過松散的表層強風(fēng)化板巖滲入坡體內(nèi)，并與地下水一起向洞室方向的匯集，軟化順傾結(jié)構(gòu)面，降低其力學(xué)參數(shù)，急劇降低了斜坡穩(wěn)定性，誘發(fā)上部坡體產(chǎn)生蠕動變形，引發(fā)地表沉降并向河側(cè)蠕動，并最終造成坡體和隧道變形。雖然坡腳處為河流，但由于上流修建了水電站，其河流下切作用并不明顯，因此不考慮河流下切作用。

4 病害變形特征

隧道平行穿越斜坡不良地質(zhì)體時，主要有3 個沿洞軸方向的外力作用在隧道結(jié)構(gòu)上（圖5）：隧道底部傳來的巖土抗力K、隧道頂部傳來的上覆巖土壓力P和滑坡推力F。此段隧道多處于隧道進口處，可以將其看作懸臂梁結(jié)構(gòu)。因隧道與進口端的橋梁或路基相接，因此可以看作梁的一端鉸支，另一端為滑面穿過位置，隧道內(nèi)位于穩(wěn)定巖層中的部分視為固定端，不發(fā)生位移變化。在P和F（可視為均布荷載）的作用下，滑坡體方量和推力較大時，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的軸向拉力或剪切應(yīng)變大于其屈服值，應(yīng)力集中明顯。隧道頂部受拉，向隧道內(nèi)彎曲，底部受壓，在隧道受拉與受壓之間形成拉壓中性區(qū)，因剪切變形使隧道在滑面附近變形最為嚴(yán)重。隧道頂部先出現(xiàn)剪切裂縫，隨后向邊墻擴展，產(chǎn)生沿滑面方向的斜向裂縫，最后裂縫貫通到隧道底部，導(dǎo)致隧道整體破壞。

圖5 平行穿越隧道的受力示意

該隧道進口端約70 m 均處于滑坡體范圍，但主要變形只發(fā)生在隧道進口端40～70 m，即滑面穿越的位置附近。在左右洞的該位置主要有斜向的裂縫及環(huán)向貫通裂縫產(chǎn)生，裂縫展布的位置與滑面穿過的位置近平行，并發(fā)展至隧道底部，產(chǎn)生1 cm 明顯的錯臺。結(jié)合隧道地表裂縫展布、隧道內(nèi)裂縫分布和深部位移監(jiān)測曲線可知，從隧道洞口上方推測的變形體后緣位置至橋臺下部的CX-2監(jiān)測孔的斜坡范圍內(nèi)，在斜坡地表、隧道內(nèi)部及斜坡內(nèi)部均有不同程度的變形。根據(jù)這些變形部位大致可以推測，斜坡變形體范圍內(nèi)可能存在2條蠕動變形面（圖6），分別為淺層蠕動變形面和深層蠕動變形面。

圖6 推測的淺層和深層蠕動變形面

5 隧道穩(wěn)定性分析

為了研究隧道平行穿越滑坡的穩(wěn)定性變化，利用數(shù)值模擬軟件構(gòu)建了隧道平行穿越滑坡體的三維模型，隧道采用與現(xiàn)場相同的三臺階預(yù)留核心土開挖法，開挖步距為10 m，模擬隧道長為260 m，模型x方向（斜坡走向）寬300 m，y方向（隧道軸向）長500 m，z方向高420 m。模型四周及底部施加約束，共完成28 371個節(jié)點，118 426個單元。斜坡體的巖土體參數(shù)見表1。

圖7 隧道三維模型

表1 巖土抗剪強度指標(biāo)參數(shù)

隧道穩(wěn)定性計算結(jié)果見表2?？芍匀粭l件下斜坡體未開挖隧道的安全系數(shù)為1.13，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；隧道開挖后，斜坡體安全系數(shù)降為1.01，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，說明開挖隧道后滑坡體將處于臨界失穩(wěn)，使滑坡體復(fù)活并變形加劇，在滑坡推力的剪切作用下，隧道產(chǎn)生裂損；在長期暴雨和地震作用下，隧道的安全系數(shù)將逐步下降至0.99，處于失穩(wěn)狀態(tài)，滑坡體下滑，隧道將產(chǎn)生較大變形并破壞。穩(wěn)定性計算結(jié)果與滑坡實際變形情況基本吻合。

表2 隧道穩(wěn)定性計算結(jié)果

綜上所述，此時的斜坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，隨著時間推移斜坡不良地質(zhì)體穩(wěn)定性有可能進一步削弱，從而引起滑坡體加速變形，對隧道的施工和運營產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響。因此，亟需對隧道采取有效的控制措施。

6 隧道控制技術(shù)研究

對于隧道-滑坡問題的控制研究，要根據(jù)場區(qū)地質(zhì)條件，查清滑坡形成的主要原因、滑坡與隧道的空間位置關(guān)系，提出針對隧道、滑坡體系的綜合治理措施。研究學(xué)者提出了削方減載+排水措施+抗滑樁加固的方案，這種處治方案既能保護隧道也能治理滑坡。但是該隧道存在多層蠕動面，變形較大，坡體結(jié)構(gòu)松散，滑坡推力較大，在施工抗滑樁時很容易削弱滑體抗滑段，存在較大的危險性，并且工程量較大，造價較高，不適宜采用。因此，提出了施工便捷，擾動較小的鋼花管多次分段控制注漿+削方減載+排水措施的綜合控制措施，在斜坡體和隧道內(nèi)分別進行加固，減少了施工對斜坡體的擾動影響，降低了施工風(fēng)險。施工方案如下：

1）加固防護措施

隧道進口段自洞口上方進行刷方處理，刷方坡形為：各級坡高均為10 m，坡率1∶1，第1 級平臺寬14 m，第2～3級平臺寬8 m，第4～9級平臺寬2 m。

2）加固工程措施

在大橋第1 個橋墩（K63+940）山側(cè)斜坡上自下而上布設(shè)9 排錨索，縱向間距2.5 m，水平間距3 m，水平加固范圍110 m，錨索錨固段為12 m，錨索穿過深層蠕動面以下至少12 m。

隧道進口端洞口上方5 m 以上各級坡自下而上設(shè)3 排錨索，水平間距3 m，采用5φ15.2 預(yù)應(yīng)力錨索框格梁防護，錨索錨固段為12 m，錨索深入深層蠕動面以下不少于10 m?？蚋窳贺Q向截面尺寸0.4 m×0.5 m，橫向截面尺寸0.4 m×0.4 m。采用C25 混凝土現(xiàn)澆，水平方向平面加固范圍110 m，框格內(nèi)植草防護。

在隧道進口端至洞內(nèi)80 m（K63+970—K64+050）范圍內(nèi)的地面設(shè)置豎向加筋鋼花管，橫向每排4根，橫向間距2 m，縱向間距2.5 m。鋼花管穿過深層蠕動面不小于10 m，且鋼花管最短長度不得少于12 m。鋼花管內(nèi)套有3根直徑為32 mm的鋼筋。

3）截水溝設(shè)置

斜坡最高一級錨索框格梁坡頂平臺設(shè)截水溝，加固范圍外側(cè)穩(wěn)定區(qū)域設(shè)置漿砌截排水吊溝，防止坡面水流入變形體。

7 結(jié)論

1）香麗高速公路一隧道平行穿越滑坡體，在隧道開挖過程中，因施工和降雨擾動觸發(fā)了滑坡體蠕動變形，帶動隧道變形破壞，在地表和隧道內(nèi)均發(fā)現(xiàn)了不同程度的裂縫和變形?；麦w可能存在2條蠕動變形面，分別為淺層蠕動變形面和深層蠕動變形面，變形方向為NW6°。

2）隧道平行穿越滑坡體時，隧道頂部受拉，向隧道內(nèi)彎曲，底部受壓，在隧道受拉與受壓之間形成拉壓中性區(qū)，因剪切變形使隧道在滑面附近變形最為嚴(yán)重。隧道頂部先出現(xiàn)剪切裂縫，隨后向邊墻擴展，產(chǎn)生沿滑面方向的斜向裂縫，最后裂縫貫通到隧道底部，導(dǎo)致隧道整體破壞。

針對該隧道地質(zhì)條件和現(xiàn)場施工狀況，提出了施工便捷，擾動較小的削方減載+排水措施+鋼花管多次分段控制注漿的方案，在斜坡體和隧道內(nèi)分別進行鋼花管加固，減少了施工對斜坡體的擾動影響，降低了施工風(fēng)險。