隧道邊仰坡滑塌處治及二次進(jìn)洞施工技術(shù)實(shí)例研究

張運(yùn)良，陳富東，陳英烈，雷明鋒, 2

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隧道邊仰坡滑塌處治及二次進(jìn)洞施工技術(shù)實(shí)例研究

張運(yùn)良1，陳富東1，陳英烈1，雷明鋒1, 2

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075； 2. 重載鐵路工程結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410075)

以太真隧道工程為例，采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，針對(duì)隧道進(jìn)洞施工過程中的邊仰坡滑塌機(jī)理、處治措施以及二次進(jìn)洞技術(shù)開展研究。研究結(jié)果表明：軟弱地層條件下，強(qiáng)降雨是誘發(fā)依托工程邊仰坡滑塌的主要原因。雨水下滲弱化巖土體強(qiáng)度，在隧道進(jìn)洞施工擾動(dòng)下，形成貫通性塑性帶，進(jìn)而導(dǎo)致山體大范圍坍塌。綜合考慮滑塌體本身的穩(wěn)定性以及隧道再次進(jìn)洞施工的擾動(dòng)影響，系統(tǒng)性地提出邊仰坡處治以及隧道二次進(jìn)洞方案，包括：適度清除坍塌體、局部刷方減重+抗滑樁、錨索(桿)加固以及反壓回填的邊仰坡防護(hù)措施；基坑明洞法穿越坍塌體、淺埋暗挖法(加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)和采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法)穿越塌方影響段的隧道二次進(jìn)洞施工技術(shù)。數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)均表明，經(jīng)綜合處治后的邊仰坡在隧道二次進(jìn)洞過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)，上述方案是可靠的。

隧道；邊仰坡滑塌；處治措施；二次進(jìn)洞

洞口段施工是山嶺隧道安全、順利進(jìn)洞的關(guān)鍵，直接關(guān)系到工程的工期和造價(jià)，但在實(shí)際進(jìn)洞施工過程常常出現(xiàn)隧道邊仰坡滑塌等工程事 故[1?5]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2006~2016年期間，我國在公路、鐵路隧道建設(shè)過程中發(fā)生了49起洞口邊仰坡坍塌事故[5]，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失及惡劣的社會(huì)影響。出現(xiàn)此類事故的原因是多方面的，其主要原因?yàn)樯綆X隧道洞口段往往存在地質(zhì)條件差、埋深淺、甚至偏壓等施工難點(diǎn)，加上施工擾動(dòng)等外界因素的不利影響，稍有不慎便會(huì)導(dǎo)致進(jìn)洞施工過程中的邊仰坡滑塌事故[6?7]。特別是，當(dāng)進(jìn)洞施工遭遇暴雨極端天氣時(shí)，雨水滲透進(jìn)入土體，土體孔隙水壓上升，有效應(yīng)力下降，進(jìn)而導(dǎo)致隧道邊仰坡失穩(wěn)坍塌。與此同時(shí)，當(dāng)隧道洞口段發(fā)生坍塌后，將會(huì)造成巖層錯(cuò)位、離散，巖體強(qiáng)度進(jìn)一步降低，破碎程度進(jìn)一步加劇，給后續(xù)再次(二次)進(jìn)洞施工帶來極大的困難[1]。因此，工程建設(shè)過程中，除采取可靠的加固防治措施，確保進(jìn)洞施工過程中邊仰坡的安全外，還應(yīng)掌握一旦發(fā)生洞口段滑塌事故后的有效處治方法，以盡可能地降低工期延誤和二次災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，這些方法不僅要考慮處治之后邊仰坡本身的穩(wěn)定性，還應(yīng)考慮處治之后隧道二次進(jìn)洞階段的可行性和安全性[8]。然而，當(dāng)前關(guān)于該類問題的研究相對(duì)較少[9]，既有成果主要側(cè)重于隧道邊仰坡失穩(wěn)原因和處治措施方面[3, 10?14]，未綜合考慮隧道邊仰坡失穩(wěn)處治后的隧道二次進(jìn)洞情況。為此，本文以中國杭新景高速公路衢江區(qū)太真鄉(xiāng)標(biāo)段太真隧道為例，針對(duì)該隧道進(jìn)洞施工過程邊仰坡滑塌后的處治方案及其二次進(jìn)洞技術(shù)，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法開展研究，以探明太真隧道邊仰坡失穩(wěn)的主要原因，進(jìn)而提出相對(duì)應(yīng)的滑坡處治措施和隧道二次進(jìn)洞施工技術(shù)，為類似工程提供經(jīng)驗(yàn) 借鑒。

1 工程概況

太真隧道位于杭新景高速公路衢江區(qū)，地處浙西侵蝕中低山區(qū)，為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)偏壓小凈距隧道，右洞為3車道，長362 m，左洞為2車道，長390 m，左右洞平均凈距約7. 1 m，出洞段凈距僅 6.1 m。隧道出口段所處地層依次為：黏性碎石土，間隙充填砂類土和黏性土；粉砂質(zhì)泥巖及碳質(zhì)泥巖，夾煤層，強(qiáng)中風(fēng)化為主；細(xì)砂巖、粉砂巖強(qiáng)中風(fēng)化為主，節(jié)理裂隙較發(fā)育~發(fā)育，巖體破碎，滲透性較好，總體劃分為V級(jí)圍巖。隧道出口段平、縱斷面、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工工法見圖1。

2 太真隧道洞口邊仰坡滑塌及其原因分析

2.1 洞口邊仰坡滑塌過程

太真隧道于2013年3月下旬開工建設(shè)，進(jìn)洞初期，開挖揭露洞口段周邊存在多處采空區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)：左洞洞口仰坡處出現(xiàn)長約5 m，寬度3~4 cm的拉裂裂縫(如圖2)，同時(shí)左洞右側(cè)拱腳往右側(cè)移動(dòng)了4 cm，初期支護(hù)出現(xiàn)了明顯的環(huán)向裂縫，工字鋼外側(cè)的混凝土局部脫落。為避免病害持續(xù)發(fā)展，施工過程中，及時(shí)采取了洞頂卸載、洞內(nèi)加固、拱腳注漿等加固處治方案，并加密了施工監(jiān)測(cè)頻率，結(jié)果顯示，經(jīng)上述措施治理后隧道和邊坡進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

然而，由于臺(tái)風(fēng)“譚美”的影響，2013年8月18日下午至晚上該地區(qū)遭遇暴雨襲擊，太真隧道正位于強(qiáng)降雨中心區(qū)域，在雨水的滲透作用下，距洞口約100 m范圍內(nèi)山體地表出現(xiàn)多條裂縫，最大寬度達(dá)50 cm，長約70 m(如圖2)，且維持持續(xù)發(fā)展，隧道左洞洞內(nèi)臨時(shí)鋼支撐開始產(chǎn)生劇烈變形而屈服，進(jìn)而致使左洞全面坍塌。與此同時(shí)，左洞的坍塌觸發(fā)了整個(gè)山體失穩(wěn)，右洞在坡體化動(dòng)力作用下也迅速坍塌。坍塌后現(xiàn)場(chǎng)情況如圖2，經(jīng)后續(xù)測(cè)量和踏勘，坍塌體大致呈長方形，長約104 m，寬約70 m，最大厚度約29 m，坍塌量約15萬m3，坍塌體主要由全~中風(fēng)化細(xì)砂巖、粉砂巖組成，其潛在塌滑受主要結(jié)構(gòu)面控制，主滑方向?yàn)?22°，主軸方向與山體等高線幾乎垂直。

單位：m

結(jié)合整個(gè)坍塌事件過程初步分析，造成太真隧道洞口邊仰坡整體滑塌的直接原因?yàn)閺?qiáng)降雨。由于山體巖石破碎，節(jié)理發(fā)育，短時(shí)間內(nèi)大量雨水迅速滲入土體，孔隙水壓力增大，有效應(yīng)力降低，同時(shí)結(jié)構(gòu)面之間的填充物由于水的滲透而軟化，從而導(dǎo)致整個(gè)山體的滑坡。

2.2 滑塌原因數(shù)值模擬分析

為進(jìn)一步了解太真隧道洞口邊仰坡失穩(wěn)原因及機(jī)理，以主滑方向橫斷面為基礎(chǔ)建立數(shù)值模型，對(duì)降雨前后的太真隧道洞口邊仰坡的穩(wěn)定性情況進(jìn)行分析。模型中通過強(qiáng)度折減來考慮降雨前后地層參數(shù)的變化，根據(jù)實(shí)際邊坡的破壞形態(tài)，通過參數(shù)反演得到折減系數(shù)為0.9，降雨前地層力學(xué)參數(shù)參照地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告選取，如表1。此外，由于黏性碎石土較薄，且實(shí)際中邊坡是深層滑動(dòng)破壞的，為了簡化模型，故取主要土層(粉質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖)進(jìn)行模擬分析。

通過數(shù)值模擬，得到降雨前后太真隧道洞口邊仰坡塑性滑動(dòng)帶計(jì)算結(jié)果如圖3。從中分析可見：降雨前，邊坡的安全系數(shù)大于1且沒有出現(xiàn)貫通的塑性區(qū)，處于穩(wěn)定的狀態(tài)，如圖3(a)。降雨后，土體抗剪強(qiáng)度降低，土體逐步屈服，左洞腰部至山頂?shù)乇硖幮纬梢悦黠@的塑性貫通帶，邊坡出現(xiàn)整體滑動(dòng)，如圖3(b)?；瑒?dòng)范圍和滑動(dòng)體分布形態(tài)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況吻合較好。進(jìn)一步驗(yàn)證了強(qiáng)降雨天氣時(shí)造成該隧道洞口邊仰坡整體坍塌的直接原因。

(a) 地表裂縫分布平面圖；(b) 主軸方向滑動(dòng)體剖面圖(Ⅰ-Ⅰ)；(c) 滑坡后的邊坡形態(tài)

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)表

(a)降雨前；(b)降雨后

3 太真隧道洞口坍塌處治和二次進(jìn)洞方案

隧道洞口邊仰坡坍塌后的處治與常規(guī)的邊坡失穩(wěn)處治不同，不僅要考慮坡體本身的穩(wěn)定性，同時(shí)還要考慮經(jīng)處治后的坡體在隧道二次進(jìn)洞開挖擾動(dòng)下的穩(wěn)定性[15]。為此，經(jīng)反復(fù)論證，提出太真隧道洞口段滑塌處理的總體方案為：基本不清除坍塌體、局部刷方減重+抗滑樁、以淺埋暗挖為主、基坑法明洞為輔穿越坍塌段。

3.1 洞口滑坡體處治方案

1) 對(duì)坍塌體上部浮石及不穩(wěn)固塌體清方，設(shè)置8級(jí)邊坡，并分別采用錨索或錨桿等措施對(duì)坡體進(jìn)行加固處理，具體加固參數(shù)如圖4(a)~4(c)。

2) 適當(dāng)加長明洞，右洞洞口由YK173+155調(diào)整至YK173+194、左洞洞口由ZK173+166調(diào)整至ZK173+180，左右洞口平齊，以利于通過回填反壓增強(qiáng)坍塌體及洞口段整體長期穩(wěn)定，接長后采用端墻式洞門形式，如圖4(a)~4(c)。

3) 由于坍塌體后壁較高，主滑段較陡，滑體較厚，滑動(dòng)面較深，先在坍塌體后緣及主滑段刷方減重、洞口段山外側(cè)反壓回填，同時(shí)方便布設(shè)抗滑樁，如圖4(a)~4(c)。

3.2 隧道二次進(jìn)洞方案

為確保二次進(jìn)洞安全，對(duì)塌方段及其影響段支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了必要的加強(qiáng)，如圖4(d)，并調(diào)整了進(jìn)洞施工工法，其中塌方段采用基坑法明洞，淺埋段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，如圖4(d)~4(e)。

3.3 處治措施與進(jìn)洞方案可行性數(shù)值模擬

為論證上述方案的可行性，同樣采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行建模分析，計(jì)算參數(shù)和結(jié)果分別見表1~表2和圖5。從中分析可見：隧道開挖后，滑坡體僅在局部范圍內(nèi)發(fā)生屈服，未出現(xiàn)塑性貫通區(qū)，坡體最大位移約7 mm，處于控制范圍以內(nèi)，表明經(jīng)上述措施治理后，隧道開挖過程中坍塌體可維持穩(wěn)定狀態(tài)。隧道開挖過程中，左右洞最大拱頂沉降分別為34 mm和48 mm，尚處于可控范圍之內(nèi)，且掌子面通過分析斷面后，迅速趨于穩(wěn)定，隧道整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。綜合2方面分析，可以認(rèn)為當(dāng)前處治措施和進(jìn)洞方案是可行的。

表2 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)表

單位：mm

(a) 平面布置圖；(b) 典型邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)斷面(Ⅰ-Ⅰ)；(c) 典型防護(hù)設(shè)計(jì)斷面(Ⅱ-Ⅱ)；(d) 加強(qiáng)設(shè)計(jì)后的支護(hù)結(jié)構(gòu)；(e) 調(diào)整后施工工法

圖4 太真隧道洞口坍塌段整治措施

Fig. 4 Remediation measures of collapse in Taizhen tunnel

圖5 坍塌處治后的計(jì)算結(jié)果

4 實(shí)施效果現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

實(shí)際施工過程中開展全程施工監(jiān)測(cè)，以確保施工安全[3]。監(jiān)測(cè)內(nèi)容和測(cè)點(diǎn)布置：拱頂沉降選取左洞ZK172+800，ZK172+810和ZK172+820及右洞對(duì)應(yīng)斷面YK172+780，YK172+790和YK172+800；周邊收斂選取左洞ZK172+810及右洞對(duì)應(yīng)斷面YK172+790；鋼拱架應(yīng)力選取右洞斷面YK172+ 795。監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖6。從中分析可見：

1) 在隧道開挖初期，受到各臺(tái)階開挖的擾動(dòng)影響，拱頂沉降速率較大；隨后拱頂沉降速率逐漸減小，大約在30 d后拱頂沉降逐漸穩(wěn)定。右洞斷面最大拱頂沉降值為31 mm(計(jì)算值48 mm)，左洞最大值24 mm(計(jì)算值34 mm)；此外，可以看出同一斷面右洞拱頂沉降大于左洞。

2) 周邊收斂變化與拱頂沉降變化規(guī)律基本類似，左右洞選取斷面周邊收斂變化速率在監(jiān)測(cè)初期相對(duì)較大，18 d后收斂速率明顯變小，大約30 d后周邊收斂值變化趨于穩(wěn)定。

(a1), (a2) 拱頂沉降；(b1), (b2) 水平收斂；(c1), (c2), (c3), (c4) 工字鋼應(yīng)力

3) 測(cè)試斷面各點(diǎn)內(nèi)外翼緣應(yīng)力均為壓應(yīng)力。拱頂和內(nèi)外拱腰應(yīng)力較大，而拱腳部位應(yīng)力較小。由于圍巖的卸載作用，鋼拱架前期受力較大，應(yīng)力增長速度快；隨著圍巖的穩(wěn)定，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力逐漸趨于平穩(wěn)階段，在約15 d后基本不再變化。鋼拱架受到的最大壓應(yīng)力為171 MPa，小于工字鋼的屈服應(yīng)力。

5 結(jié)論

1) 通過工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查以及數(shù)值模擬的分析，揭示依托工程進(jìn)洞施工階段出現(xiàn)邊仰坡大范圍滑塌的主要機(jī)理，即強(qiáng)降雨天氣雨水下滲，弱化了巖土體強(qiáng)度，在隧道開挖卸載作用下，邊仰坡出現(xiàn)貫通的塑性帶，進(jìn)而導(dǎo)致山體坍塌。

2) 結(jié)合滑塌體形態(tài)，綜合考慮滑塌體的穩(wěn)定以及隧道二次進(jìn)洞施工擾動(dòng)，系統(tǒng)提出邊仰坡處治以及隧道二次進(jìn)洞方案，主要包括：①適度清除坍塌體、局部刷方減重+抗滑樁、錨索(桿)加固以及反壓回填的邊仰坡防護(hù)措施；②基坑明洞法穿越坍塌體、淺埋暗挖法(加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)和采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法)穿越塌方影響段的隧道二次進(jìn)洞施工技術(shù)。

3) 對(duì)處治后的邊仰坡的穩(wěn)定性以及隧道二次進(jìn)洞施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)分析，結(jié)果表明，各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)處于可控范圍，經(jīng)綜合處治后的邊仰坡在隧道二次進(jìn)洞過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)。

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A case study on the treatment and tunneling technology under collapsed tunnel side and face upward slope condition

ZHANG Yunliang1, CHEN Fudong1, CHEN Yinglie1, LEI Mingfeng1, 2

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. Key Laboratory of Engineering Structure of Heavy Haul Railway (Central South University), Changsha 410075, China)

Based on project of Taizhen tunnel, field surveys, numerical simulations and on-site monitoring techniques were used to conduct specific studies on the mechanism of collapse of side and face upward slope during construction, as well as its treatments, and the following entrance scheme. The main conclusions are as follows: Under soft ground conditions, heavy rainfall is the main reason for the collapse of side and face upward slope, where the strength of rock and soil is weakened by rainwater infiltration. Further, under the disturbance of the following entrance construction, a penetrative plastic band is formed, which indicates that a large area of mountain collapse. Based on comprehensive consideration of the stability of side and face upward slope and the disturbance of the following entrance construction, the treatment of the side and face upward slope and the following entrance scheme are systematically proposed. The treatments include: moderate clearance of the collapsed body, locally overload cutting combined with anti-slide piles and anchor cables (anchor bolts), back fill; And the scheme are as follows: open-cut tunnel method for the collapsed body, shallow tunneling method (reinforced supporting structure and two side-wall pilot tunnel) for the section influenced by the collapsed slope. The result of numerical simulation and field measurements indicates that after the comprehensive treatment, the side and face upward slope is in a stable state during entrance construction, proving rationality of the treatment.

tunnel; collapse of side and face upward slope; treatment; secondary entrance construction

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.04.021

TU91

A

1672 ? 7029(2019)04 ? 0992 ? 09

2018?05?17

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51508575)；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2018JJ3657)

雷明鋒(1982?)，男，湖南祁東人，副教授，從事隧道及地下工程科研與教學(xué)研究；E?maill：124520238@qq.com

(編輯 陽麗霞)