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(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

隧道修建應(yīng)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(shí)往往不可避免穿越滑坡變形區(qū)[1]?；蛟瓰榉€(wěn)定斜坡，由于隧道施工擾動(dòng)，在累積變形未得到及時(shí)控制的情況下，使斜坡發(fā)生較大變形，進(jìn)而發(fā)展成為滑坡[2]，給隧道建設(shè)帶來(lái)較大困難。

目前針對(duì)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(jī)制[4-5]和“滑坡隧道”的病害處治方面，而針對(duì)順層偏壓情況下的隧道變形特征和受力機(jī)理的研究較少。本文針對(duì)順層偏壓荷載情況下，通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)“滑坡隧道”變形特征，研究管棚和襯砌結(jié)構(gòu)的受力變化狀態(tài)，提出有針對(duì)性的加固措施和開(kāi)挖工法，可為類(lèi)似工程案例提供借鑒。

1 工程概況

1.1 隧道工程地質(zhì)概況

某山區(qū)高速公路K114+625段隧道左洞長(zhǎng)290 m，右洞長(zhǎng)270 m，為短隧道，與路基同寬。隧道最大開(kāi)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(jìn)口端垂直下穿一當(dāng)?shù)厥〉?，隧道拱頂距路面覆蓋層厚約2 m。洞口設(shè)計(jì)采用40 m長(zhǎng)φ108 mm×6 mm超前大管棚，下穿省道施工前，提前對(duì)上跨省道進(jìn)行臨時(shí)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(zhì)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(jìn)口段，推測(cè)為修建省道時(shí)堆填形成，厚度約為20 m；坡殘積粉質(zhì)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(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化砂巖，其中強(qiáng)風(fēng)化層厚度約為25.0～32.5 m，其下為中風(fēng)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(jiàn)圖1)

隧道塌方發(fā)生于2019年5月，當(dāng)?shù)卣M(jìn)入雨季。塌方時(shí)右洞已貫通，初支施工完畢，二襯施工至樁號(hào)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(cè)拱腰部位分布網(wǎng)狀細(xì)小裂縫，其他段落未發(fā)現(xiàn)，推測(cè)為在該段二襯混凝土達(dá)到強(qiáng)度之前受塌方?jīng)_擊荷載所致。左洞進(jìn)口端初支坍塌段落為ZK114+517～ZK114+540，長(zhǎng)23 m；ZK114+510～ZK114+517段左側(cè)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(zhǎng)16 m；ZK114+566～ZK114+601段左側(cè)拱腰部位初支有擠出剝落現(xiàn)象，局部侵限；同時(shí)ZK114+566～ZK114+582段拱頂初支破壞最為嚴(yán)重，拱架向上彎折扭曲，部分?jǐn)嗔?，初支碎裂剝落；ZK114+582～ZK114+601段右側(cè)拱肩部位初支局部崩落，拱架完好。塌方前左洞進(jìn)口端掌子面樁號(hào)為ZK114+540，掘進(jìn)39 m，埋深約22 m，進(jìn)口仰拱施工樁號(hào)

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(hào)為ZK114+550，埋深約25 m，未貫通段10 m，出口仰拱施工樁號(hào)為ZK114+615，仰拱距掌子面65 m。

1.3 塌方原因與隧道受力機(jī)理分析

隧道塌方時(shí)，進(jìn)口端掌子面樁號(hào)為KB114+540，掘進(jìn)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(hào)為KB114+550，仰拱距掌子面65 m，未貫通段僅剩10 m。塌方前進(jìn)口掌子面仍在掘進(jìn)，而此時(shí)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(duì)于仰拱未澆筑段落，上臺(tái)階拱架處于沉降變形狀態(tài)，可將其一同視為自由端；對(duì)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(jiǎn)化力學(xué)模型可判斷：隨著隧道的開(kāi)挖掘進(jìn)，管棚受力狀態(tài)由簡(jiǎn)支梁模式轉(zhuǎn)變?yōu)閼冶哿耗Ｊ?，由于進(jìn)口仰拱未及時(shí)跟進(jìn)，管棚懸臂端過(guò)長(zhǎng)(34 m)，管棚懸挑能力較弱，隧道沉降變形未能及時(shí)控制，加上出口仰拱距掌子面距離長(zhǎng)，初支長(zhǎng)時(shí)間處于沉降變形狀態(tài)，當(dāng)沉降達(dá)到一定極限時(shí)，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(jìn)出口端掌子面上方形成一空腔，相當(dāng)于將邊坡坡腳挖除，再加上未貫通段較短(10 m)，對(duì)山體支撐作用有限，導(dǎo)致局部山體沿巖層結(jié)構(gòu)面錯(cuò)動(dòng)，最大下滑力作用于隧道左側(cè)拱腰初支部位，致使隧道左側(cè)拱腰初支向外擠出。同時(shí)，由于左側(cè)側(cè)向推擠力，拱頂初支向內(nèi)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(jié)構(gòu)面錯(cuò)動(dòng)的同時(shí)，靠近省道一側(cè)邊坡因擾動(dòng)失穩(wěn)，上覆黏土和強(qiáng)風(fēng)化巖層沿臨空面塌落。

圖3為隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，在地形偏壓和地層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，從隧道拱腰連接板位置剪出，形成滑坡。

2 應(yīng)對(duì)處治措施

2.1 應(yīng)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(duì)左洞采取一系列應(yīng)急措施：

(1)對(duì)左洞進(jìn)口未坍塌段初支段落ZK114+501～ZK114+517進(jìn)行反壓回填，洞渣回填至隧道拱頂，且洞口外反壓長(zhǎng)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(nèi)作業(yè)人員人身安全，靠近掌子面變形嚴(yán)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(shí)仰拱。

(4)對(duì)地表裂縫處采用黏土封縫，避免降雨時(shí)雨水滲入，進(jìn)一步降低滑坡體的穩(wěn)定性。

(5)立即加強(qiáng)地表位移監(jiān)測(cè)。

在采取上述應(yīng)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(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)降低，處治之前最為重要的是對(duì)隧道一定范圍內(nèi)的圍巖進(jìn)行注漿加固，增強(qiáng)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(dòng)，為加固邊坡坡腳，避免隧道進(jìn)口掘進(jìn)時(shí)二級(jí)路邊坡往洞口方向失穩(wěn)滑動(dòng)，在對(duì)應(yīng)隧道洞身及邊墻外5 m范圍內(nèi)采用A89鋼管樁對(duì)邊坡坡腳進(jìn)行加固。由于二級(jí)路路基因隧道開(kāi)挖沉降擾動(dòng)，打設(shè)鋼管樁可進(jìn)一步對(duì)該段路基進(jìn)行加固。鋼管樁從二級(jí)路路面垂直向下打設(shè)，按間距為2 m×2 m梅花形布置。在鋼管樁內(nèi)打設(shè)注漿孔，先通過(guò)注漿加固樁體周邊圍巖，在管內(nèi)填充砂漿增加樁體強(qiáng)度。在靠近省道一側(cè)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(jié)

待險(xiǎn)情控制后，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，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(duì)該段圍巖進(jìn)行徑向注漿加固。注漿采用4.5 m長(zhǎng)φ42 mm×4 mm小導(dǎo)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(jí)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(kāi)挖工法

(1)待地表注漿和洞內(nèi)注漿加固完成后，檢驗(yàn)注漿效果，達(dá)到設(shè)計(jì)要求后方能進(jìn)行下一步施工。

(2)進(jìn)口掘進(jìn)前，在洞口管棚上方重新打一環(huán)管棚，管棚長(zhǎng)30 m，環(huán)向間距為40 cm，管棚鋼管內(nèi)放置鋼筋籠，并嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求填充砂漿。進(jìn)口掌子面掘進(jìn)至KB114+525處時(shí)，洞內(nèi)開(kāi)始擴(kuò)挖，掘進(jìn)至KB114+530處時(shí)，重新打設(shè)一環(huán)洞內(nèi)管棚，管棚長(zhǎng)24 m，打設(shè)要求同洞外管棚。

(3)出口端KB114+566～KB114+601段初支開(kāi)裂嚴(yán)重，且侵限，需對(duì)該段初支進(jìn)行置換。該段襯砌結(jié)構(gòu)采用加強(qiáng)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(shí)將仰拱封閉成環(huán)，如夠施工一版二襯空間時(shí)，及時(shí)施作二襯。換拱期間加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)。

(4)出口端換拱至KB114+566處時(shí)，打設(shè)一環(huán)洞內(nèi)管棚，管棚長(zhǎng)12 m，打設(shè)要求同洞外管棚。

(5)未開(kāi)挖段ZK114+540～ZK114+550和初支坍塌段ZK114+517～ZK114+540、ZK114+550～ZK114+566隧道開(kāi)挖采用上臺(tái)階CRD工法結(jié)合下臺(tái)階預(yù)留核心土法，如圖4所示。開(kāi)挖每循環(huán)進(jìn)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(qiáng)縱向連接，拱架之間均采用高強(qiáng)度螺栓連接。

圖4 上臺(tái)階CRD工法示意圖

(6)換拱段KB114+566～KB114+601、進(jìn)口塌方段KB114+517～KB114+540、未開(kāi)挖段KB114+540～KB114+550、出口塌方段KB114+550～KB114+566采用二襯加強(qiáng)。二襯厚60 cm，混凝土由C30調(diào)整為C40，主筋由C20調(diào)整為C25，按間距20 cm布置。

經(jīng)上述處治方案實(shí)施后，目前隧道已安全貫通，標(biāo)志著本條高速公路最后制約節(jié)點(diǎn)的完成，保證了高速公路按時(shí)通車(chē)。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)隧道洞口施工過(guò)程中，洞口管棚起懸挑作用，管棚受力狀態(tài)由簡(jiǎn)支梁模式轉(zhuǎn)變?yōu)閼冶哿耗Ｊ?，受力狀態(tài)逐漸變差。洞口段仰拱施工可有效縮短管棚懸臂長(zhǎng)度，充分發(fā)揮管棚懸挑作用。因此，隧道洞口段施工時(shí)，仰拱需及時(shí)跟進(jìn)，建議洞口掘進(jìn)20 m時(shí)應(yīng)及時(shí)封閉掌子面進(jìn)行仰拱施工。

(2)雙向掘進(jìn)隧道，距貫通較近時(shí)，在貫通前應(yīng)將兩端仰拱盡可能跟近，同時(shí)貫通時(shí)采用單向貫通。特別在地形偏壓和地層偏壓同時(shí)存在的情況下，風(fēng)險(xiǎn)更大，需嚴(yán)格控制洞內(nèi)變形。

(3)針對(duì)隧道初支變形嚴(yán)重段落，為快速控制洞內(nèi)變形，可采用接泵管的形式泵送一層臨時(shí)仰拱，能有效控制初支變形。同時(shí)，作業(yè)人員無(wú)須靠近變形嚴(yán)重段落，可保證作業(yè)人員安全。

(4)對(duì)于上臺(tái)階擾動(dòng)段，可采用上臺(tái)階CRD工法結(jié)合下臺(tái)階預(yù)留核心土法開(kāi)挖。該改進(jìn)工法由于開(kāi)挖斷面小、封閉成環(huán)快，能有效控制上臺(tái)階擾動(dòng)部位的變形。同時(shí)，下臺(tái)階采用預(yù)留核心土法，工序簡(jiǎn)單、操作便利，能快速將仰拱全環(huán)封閉，兼具CRD工法和預(yù)留核心土法雙重優(yōu)勢(shì)。