公路隧道洞口順層邊坡變形規(guī)律分析

胡仕明 楊偉紅 李 濤 李昕堃

（1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2. 中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088）

0 引言

隧道洞口的巖體通常破碎、松散和風(fēng)化，地質(zhì)條件較差。洞口開(kāi)挖會(huì)破壞巖土體原有的平衡，從而容易產(chǎn)生層理滑動(dòng)、坍塌等現(xiàn)象[1-4]。同時(shí)，隧道進(jìn)出口的埋深相對(duì)較淺，因此很難在隧道結(jié)構(gòu)的上部形成承重拱[5]。隧道入口和出口通常是發(fā)生坍塌和開(kāi)裂的區(qū)域，隧道開(kāi)挖是滑坡的重要觸發(fā)因素之一[6-7]。隧道開(kāi)挖擾動(dòng)可促進(jìn)上部坡體內(nèi)剪切帶的形成和發(fā)展，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，進(jìn)而波及隧道襯砌結(jié)構(gòu)。目前，關(guān)于淺埋暗挖隧道圍巖變形機(jī)制的研究已取得了一些成果，但這些研究成果多適用于均質(zhì)黏土或巖石，不能直接應(yīng)用于土-巖石復(fù)合地層。

土-巖順層邊坡是失穩(wěn)的重要地質(zhì)因素，Yue 等[8]和Xu 等[9]依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的滑坡破壞特征分析，表明土-巖層面抗剪強(qiáng)度低，是潛在滑面。土-巖順層邊坡中上層土體、軟弱結(jié)構(gòu)面很容易失穩(wěn)[10-13]，Lai 等[14]通過(guò)模型試驗(yàn)研究氣象降雨對(duì)順層邊坡的影響，用土體內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變、位移、含水量等物理指標(biāo)分析滑坡的特點(diǎn)。前述結(jié)合降雨、地質(zhì)等條件的研究，為分析順層邊坡變形規(guī)律提供了借鑒，但目前關(guān)于結(jié)合隧道開(kāi)挖擾動(dòng)因素分析土-巖順層邊坡變形模式的研究尚顯不足。

已有的幾個(gè)研究項(xiàng)目強(qiáng)調(diào)了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)研究圍巖變形的重要性，并提出了確保隧道開(kāi)挖期間安全施工的措施[15-18]。實(shí)踐證明，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)是研究邊坡變形的重要手段，同時(shí)可為滑坡預(yù)警和預(yù)防提供可靠依據(jù)。

本文以開(kāi)云高速磨子坪隧道出口工程為例，采用長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法，研究洞口隧道開(kāi)挖對(duì)其周?chē)?巖邊坡變形的影響，分析開(kāi)挖過(guò)程中邊坡的變形規(guī)律，結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡變形特征和支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，并對(duì)邊坡加固措施的有效性進(jìn)行了評(píng)估，以期為類(lèi)似工程提供借鑒。

1 工程概述

1.1 工程概況

磨子坪隧道出口位于寶坪鎮(zhèn)梅灘村梅子溪灘溝，地質(zhì)情況復(fù)雜，開(kāi)挖較為困難。洞口淺埋，有輕微偏壓，洞口邊坡按42°放坡，坡體外側(cè)存在天然溪溝。出口段圍巖等級(jí)為V 級(jí)，圍巖為堆積土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、砂質(zhì)泥巖及中等風(fēng)化砂巖。巖體破碎，巖質(zhì)較軟，洞頂以上圍巖厚度小于 3 倍洞跨。圍巖無(wú)自穩(wěn)能力，易產(chǎn)生掉塊、側(cè)鼓、冒頂、坍塌現(xiàn)象，側(cè)壁易失穩(wěn)，地質(zhì)縱剖面如如圖1(a)。

圖1 工程地質(zhì)圖

隧道右幅起止里程為K40+086.36-K43+952，總長(zhǎng)3865.64 m。隧道為雙車(chē)道道路，開(kāi)挖跨度13.30 m，凈高7.30 m。K43+945 開(kāi)始暗挖，其中K43+920-K43+945 段隧道與軟弱層面正交。坡面傾角15°，層面傾角11°，是順向邊坡。采用臺(tái)階法開(kāi)挖，臺(tái)階長(zhǎng)度10 m。橫截面如圖1(b)所示。

堆積土與強(qiáng)風(fēng)化砂巖分界層面性質(zhì)較差，隧道開(kāi)挖出口時(shí)，由于覆蓋層較薄，巖體處于土-石結(jié)合部，巖性變化明顯，風(fēng)化嚴(yán)重，極易發(fā)生平移滑坡。洞口開(kāi)挖過(guò)程中層出現(xiàn)兩次地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)急劇變化，出現(xiàn)大量弧形裂縫，部位如圖2 所示。

圖2 右洞出口施工進(jìn)洞照片

隧道進(jìn)洞暗挖未見(jiàn)地下水滲漏，隧道施工期間附近未發(fā)生地震。因此，圍巖松動(dòng)破壞單純是由于隧道開(kāi)挖卸荷造成的，與地下水和地震活動(dòng)無(wú)關(guān)。

1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

利用光學(xué)方法在地表和洞內(nèi)進(jìn)行了位移監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)從隧道進(jìn)洞開(kāi)始，至二襯支護(hù)施做完成且變形穩(wěn)定為止，監(jiān)測(cè)期約3 個(gè)月。

根據(jù)隧道與邊坡的位置關(guān)系，參考以往研究中隧道變形的關(guān)鍵位置，進(jìn)行了測(cè)點(diǎn)布置（見(jiàn)圖3）。地表及套拱監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3（a），洞內(nèi)拱頂及上下臺(tái)階監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3（b）、圖3（c）。洞內(nèi)前三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面里程與地表監(jiān)測(cè)斷面相對(duì)應(yīng)。上臺(tái)階監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于土-巖交界處，下臺(tái)階監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于基巖中。

圖3 洞口段測(cè)點(diǎn)布置

在遠(yuǎn)離邊坡且通視條件良好的穩(wěn)定區(qū)設(shè)置觀測(cè)基點(diǎn)。每次量測(cè)時(shí)，用全站儀測(cè)出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)及后視點(diǎn)的三維坐標(biāo)，讀出各點(diǎn)的三維坐標(biāo)。這樣由每次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與上次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作差，即可得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形。

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)第一斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線圖（見(jiàn)圖4），隧道進(jìn)洞機(jī)械開(kāi)挖后開(kāi)始布置洞內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)洞4天后掘進(jìn)至第二斷面，地表和洞內(nèi)第一監(jiān)測(cè)斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)急劇變形，其中T1 沉降變化最大達(dá)到40 mm，DB1-2 沉降變化達(dá)到10 mm 以上，GD01 沉降變化達(dá)到20 mm 以上，其他測(cè)點(diǎn)在開(kāi)挖時(shí)均出現(xiàn)一定程度的急劇沉降，上臺(tái)階收斂出現(xiàn)10 mm 以上突變，下臺(tái)階相對(duì)穩(wěn)定。變形主要發(fā)生在隧道拱頂和右拱肩部位，套拱上方坡體變形太大出現(xiàn)裂縫錯(cuò)臺(tái)，立即采取了停止開(kāi)挖掘進(jìn)措施，加固洞內(nèi)支護(hù)，同時(shí)密集監(jiān)測(cè)坡體變化。停工后坡體逐漸自穩(wěn)。

圖4 第一斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線圖

進(jìn)洞第22 天再次開(kāi)挖掘進(jìn)至第三斷面，第一斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)一定程度的變形突變，但比第一、二斷面開(kāi)挖變化小。后續(xù)開(kāi)挖掘進(jìn)，第一斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形趨于穩(wěn)定。洞內(nèi)變形呈套拱＞拱頂＞上臺(tái)階＞下臺(tái)階。

根據(jù)第二斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線圖（見(jiàn)圖5），進(jìn)洞4 天后開(kāi)挖至第二斷面，位于隧道右拱肩的監(jiān)測(cè)點(diǎn)DB2-3、DB2-4、DB2-5 變形較大，突然沉降10 mm，洞內(nèi)測(cè)點(diǎn)也出現(xiàn)相應(yīng)的突變。第二斷面隧道右拱肩部位坡體出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)裂縫，延伸至套拱上方。停止掘進(jìn)加固第二斷面初襯支護(hù)，拱頂緩慢沉降后穩(wěn)定，其他測(cè)點(diǎn)也逐漸穩(wěn)定下來(lái)，總體比第一斷面洞內(nèi)變形小。進(jìn)洞22 天后開(kāi)挖至第三斷面期間，第二斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)小幅度突然下降，后續(xù)開(kāi)挖過(guò)程中變形趨于穩(wěn)定。洞內(nèi)變形呈拱頂＞上臺(tái)階＞下臺(tái)階。

圖5 第二斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線圖

根據(jù)第三斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線圖，隧道開(kāi)挖至第二斷面時(shí)，第三斷面地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)無(wú)變形突變。進(jìn)洞22 天開(kāi)挖第三斷面時(shí)，DB3-2、DB3-3 變形劇烈，達(dá)到20 mm，發(fā)生在隧道右拱肩，其他地表點(diǎn)變化相對(duì)較?。ㄒ?jiàn)圖6）。地表第三斷面地表出現(xiàn)大量弧形裂縫，產(chǎn)生裂縫區(qū)域如圖2 所示。而洞內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)拱頂沉降20 mm 左右，上下臺(tái)階收斂變化不劇烈。經(jīng)技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)會(huì)討論，認(rèn)為上覆土層存在變形位移，而基巖變形不大，處于穩(wěn)定狀態(tài)，可以繼續(xù)掘進(jìn)。后續(xù)開(kāi)挖對(duì)地表與洞內(nèi)測(cè)點(diǎn)變形雖有影響，但明顯比前兩個(gè)斷面小，且更快穩(wěn)定。洞內(nèi)變形呈拱頂＞上臺(tái)階＞下臺(tái)階。

圖6 第三斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線圖

第四斷面隧道與層面相交，第五斷面隧道已經(jīng)處于基巖當(dāng)中，對(duì)比可以觀察到土-巖段隧道開(kāi)挖的特點(diǎn)。根據(jù)第四、五斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線圖（見(jiàn)圖7），進(jìn)洞26 天開(kāi)挖至第四斷面。期間，GD04 在開(kāi)挖后迅速沉降近20 mm，上臺(tái)階與下臺(tái)階收斂也有10 mm 的變化，整體變形呈拱頂＞上臺(tái)階＞下臺(tái)階。至進(jìn)洞33 天第五斷面開(kāi)挖，可以觀察到GD05 沒(méi)有發(fā)生明顯沉降，變形緩慢且趨于穩(wěn)定，且SL05 與ZSL05 收斂變形一致，整體比前幾個(gè)斷面位移更快趨于穩(wěn)定。

3 開(kāi)挖時(shí)洞口邊坡變形規(guī)律總結(jié)

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)挖前洞口邊坡整體穩(wěn)定，開(kāi)挖后逐漸形成位移累積。在一-四斷面范圍內(nèi)，隧道處在堆積土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖順層邊坡中，斷面開(kāi)挖時(shí)地表沉降、拱頂沉降和洞周收斂會(huì)不同程度急劇變化，地表沉降更明顯。但后續(xù)開(kāi)挖時(shí)影響越來(lái)越小，例如第三斷面地表沉降，在后續(xù)開(kāi)挖時(shí)并未出現(xiàn)小幅波動(dòng)，直至穩(wěn)定。土-巖段拱頂沉降與上臺(tái)階收斂變化較大，下臺(tái)階收斂變化小。開(kāi)挖至第五斷面，隧道進(jìn)入基巖，洞內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形大小相近，且比前四斷面洞內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移小很多。隧道與土-巖界面相交時(shí)，隧道開(kāi)挖擾動(dòng)影響邊坡穩(wěn)定性，導(dǎo)致上層土體位移，進(jìn)而危及支護(hù)結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖7）。

圖7 第四、五斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線圖

依據(jù)地表累積沉降隨時(shí)間變化圖，可以發(fā)現(xiàn)隧道拱頂與右拱肩部位的相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形較大。作橫向斷面位移沉槽（見(jiàn)圖8），可以發(fā)現(xiàn)右拱肩和拱頂位移更大，坡面出現(xiàn)的弧形裂縫與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是對(duì)應(yīng)的。軸線部位在開(kāi)挖時(shí)急劇變形，前緣和后緣在開(kāi)挖過(guò)程中緩慢滑移，處理不當(dāng)極有可能發(fā)生隧道軸部坍塌災(zāi)害。這與《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中圍巖應(yīng)力分布理論模型一致，變形主要發(fā)生在隧道上方，但由于上層土很薄，承重拱效應(yīng)差，上層土在卸荷時(shí)急劇沉降，并且?guī)?dòng)拱肩土體位移。

圖8 地表累積沉降沉槽

綜上總結(jié)出淺埋隧道開(kāi)挖工況下順層邊坡變形模式：上層土體在隧道開(kāi)挖擾動(dòng)影響下極易產(chǎn)生大位移變形，隧道拱肩與拱頂部位變形較大，嚴(yán)重時(shí)危害支護(hù)結(jié)構(gòu)；上臺(tái)階土體、軟弱結(jié)構(gòu)面位移顯著大于基巖，有發(fā)育順層滑坡風(fēng)險(xiǎn)；隨著開(kāi)挖總進(jìn)尺越大，支護(hù)結(jié)構(gòu)逐漸完善，隧道、邊坡整體穩(wěn)定性逐漸提高。因此建議對(duì)土-巖順層邊坡洞口上層土體采取注漿、土釘支護(hù)措施，提升土體的穩(wěn)定性；洞口段施工加強(qiáng)觀測(cè)，變化較大時(shí)及時(shí)采取停工、加固支護(hù)措施，減少擾動(dòng)，降低土體位移效果明顯；同時(shí)可以采取拱頂與拱肩加強(qiáng)支護(hù)，調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)使變形均勻統(tǒng)一。

4 結(jié)論

（1）淺埋公路隧道開(kāi)挖邊坡變形過(guò)程可分為三個(gè)階段，即快速變形階段、緩慢變形階段和穩(wěn)定階段。所在斷面開(kāi)挖時(shí)，坡體變形急劇增大，是最危險(xiǎn)的時(shí)期；隨著掌子面遠(yuǎn)離，后續(xù)開(kāi)挖對(duì)坡體影響有限，進(jìn)入緩慢變形階段；待支護(hù)結(jié)構(gòu)逐漸完整，初襯長(zhǎng)度增大，仰拱施做閉合成環(huán)時(shí)，坡體變形趨于穩(wěn)定。

（2）當(dāng)上層土體較薄，不能形成有效承重拱抵抗上層土體變形，上層土在卸荷時(shí)急劇沉降，并且?guī)?dòng)拱肩土體位移，導(dǎo)致隧道拱肩與拱頂部位變形較大，嚴(yán)重時(shí)有滑坡風(fēng)險(xiǎn)，危及支護(hù)結(jié)構(gòu)；隧道完全進(jìn)入基巖后隧道及邊坡穩(wěn)定性有所提升，但仍需持續(xù)監(jiān)測(cè)。

（3）當(dāng)邊坡變形及變化速率較大時(shí)應(yīng)及時(shí)采取停工措施，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可采取坡體注漿、坡面噴護(hù)等加固措施，必要時(shí)對(duì)隧道拱肩與拱頂部位采取加強(qiáng)支護(hù)措施，加強(qiáng)變形監(jiān)測(cè)，待變形穩(wěn)定后再繼續(xù)施工。