高地震烈度區(qū)隧道洞口高陡崖壁穩(wěn)定性分析及加固技術(shù)

羅培新

（中國鐵路烏魯木齊鐵路局集團(tuán)有限公司庫爾勒鐵路建設(shè)指揮部，新疆 巴音郭楞蒙古自治州 841300）

1 引言

伴隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，中西部地區(qū)的鐵路建設(shè)也在有序推進(jìn)。特別是在一些地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)修建鐵路的情況越來越多。西南地區(qū)屬于中國地震頻發(fā)地區(qū)，隧道施工區(qū)域圍巖地質(zhì)條件復(fù)雜生態(tài)環(huán)境脆弱、地災(zāi)頻發(fā)、施工敏感、洞口巖堆、破碎圍巖、高地應(yīng)力、涌水、巖爆、軟巖大變形等災(zāi)害較為常見。隧道洞口進(jìn)洞施工過程中容易遇到高陡崖壁、高陡邊坡的加固及災(zāi)害防控等難題，也往往成為制約隧道施工工期和影響后期隧道運(yùn)營安全的重要因素之一。

關(guān)于高陡邊坡開挖影響及合理施工影響控制等方面也有相關(guān)的研究及應(yīng)用。王吉亮等人[1]認(rèn)為在邊坡高陡等條件下，邊坡的開挖可能引起邊坡出現(xiàn)傾倒變形、順層滑移變形等問題。張騫[2]對高烈度地震區(qū)順層高陡邊坡失穩(wěn)機(jī)理與控制對策開展研究，建立了高烈度地震區(qū)高陡巖質(zhì)順層邊坡失穩(wěn)的控制體系。黃潤秋[3]對復(fù)雜地質(zhì)條件下偏壓雙連拱隧道圍巖—邊坡體系施工過程中的力學(xué)變化規(guī)律進(jìn)行了研究。

高地震烈度區(qū)隧道洞口施工與臨近高陡崖壁施工中存在相互影響，如何確保邊坡加固與隧道洞口工程，乃至隧道正洞施工安全至關(guān)重要。本文主要結(jié)合具體的工程應(yīng)用實(shí)例，開展相關(guān)工程施工的技術(shù)研究及工程應(yīng)用。

2 工程概況

工程依托為在建成蘭鐵路，該區(qū)域內(nèi)地震頻發(fā)地區(qū)大地震余震活動(dòng)頻繁，汶川地震觸發(fā)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育強(qiáng)烈發(fā)育。標(biāo)段內(nèi)某隧道出口屬構(gòu)造剝蝕高中山地貌，地形切割強(qiáng)烈，山體自然坡度75°～85°，陡崖高差近220 m，地勢險(xiǎn)峻，局部有零星落石、掉塊，洞口段穿越崖腳體積為5.4×105m3的大型松散巖堆體。洞口高陡倒懸千枚巖崖壁分布于隧道出口，上方巖質(zhì)陡崖的崖腳有較嚴(yán)重的倒懸現(xiàn)象，倒懸橫向發(fā)育范圍長約60 m。存在大量危石、落石；巖體軟硬不均、風(fēng)化強(qiáng)弱不一、局部存在空洞，時(shí)有危石崩落，嚴(yán)重影響施工及運(yùn)營安全。出露基巖為砂巖夾千枚巖，局部為炭質(zhì)千枚巖，砂巖為鈣質(zhì)膠結(jié)，巖質(zhì)較硬；千枚巖、炭質(zhì)千枚巖巖質(zhì)較軟。

隧道洞口上方倒懸陡崖賦存情況如圖1所示。

3 施工重難點(diǎn)分析

由于隧道地處地震頻發(fā)地區(qū)，洞口圍巖具有節(jié)理裂隙發(fā)育、倒懸千枚巖陡崖坡度大、倒懸長度大等特點(diǎn)。在施工過程中為確保洞口進(jìn)洞及洞口邊坡開挖施工安全，需要重點(diǎn)解決以下問題：①洞口倒懸陡崖段巖體的總體應(yīng)力分布情況評估。洞口倒懸千枚巖陡崖段巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育。陡坡開挖前，需要系統(tǒng)評估出巖體的總體受力情況，摸清受力的集中區(qū)域，確定出施工中需重點(diǎn)加強(qiáng)和進(jìn)行變形控制的薄弱點(diǎn)，為變形控制方案的制訂提供理論參考。②節(jié)理裂隙發(fā)育陡崖的控制爆破施工。邊坡陡崖段存在節(jié)理裂隙發(fā)育、坡陡、臺階高度大等問題，如何采取合理的控制爆破參數(shù)，最大程度地降低爆破對預(yù)留巖體的影響，減輕圍巖損傷程度，是爆破施工中需要重點(diǎn)控制的方向之一。

4 總體實(shí)施方案

4.1 受力分布情況數(shù)值模擬評估

通過建立有限元數(shù)值模型，對隧道洞口邊坡自然狀態(tài)應(yīng)力分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析。數(shù)值模擬結(jié)果顯示：斜坡最大水平拉應(yīng)力分布在隧道出口上方，最大豎向應(yīng)力分布在坡頂，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在隧道出口；坡腳卸載清方造成倒懸坡體產(chǎn)生潛在破壞趨勢，隧道口倒懸凸出坡體存在局部破壞點(diǎn)，開挖臨空邊坡可能會發(fā)生失穩(wěn)破壞。

斜坡自然狀態(tài)數(shù)值模型如圖2所示，水平方向應(yīng)力云圖如圖3所示，邊坡分析潛在破壞點(diǎn)如圖4所示。

圖2 斜坡自然狀態(tài)數(shù)值模型

圖3 水平方向應(yīng)力云圖

圖4 邊坡分析潛在破壞點(diǎn)

豎直、水平向位移分別如圖5、圖6所示。離散元數(shù)值模擬分析表明：最大水平位移出現(xiàn)在隧道口下部，最大垂直位移出現(xiàn)在隧道口上部；斜坡整體穩(wěn)定。在隧道口上方，存在6～8 m的巖體，處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，受到地震或施工擾動(dòng)，會發(fā)生破壞、掉落。

4.2 高陡巖壁臺階控制爆破施工技術(shù)

4．2．1 總體原則

采用加強(qiáng)松動(dòng)和光面爆破，自上而下逐級分段、分次爆破技術(shù)。山頂往下第一、二、三級邊坡，采取分層分段、分次淺眼爆破，其他下部分級邊坡采用分次深孔爆破。

圖5 豎直向位移云圖

圖6 水平向位移云圖

4．2．2 臺階爆破參數(shù)

4.2.2.1 鉆機(jī)選型及炮孔直徑

淺孔爆破開挖深度H＜5 m，現(xiàn)場采用YT28鑿巖機(jī)鉆孔施工，炮孔直徑d取40 mm；深孔加強(qiáng)松動(dòng)控制爆破分層高度按照10 m設(shè)計(jì)，即孔深取10 m，選用100B型簡易潛孔鉆配合CM358履帶式氣動(dòng)潛孔鉆機(jī)鉆孔，鉆孔直徑d取90 mm。

4.2.2.2 底盤抵抗線

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，淺孔爆破底盤抵抗線W1取1.5 m；深孔爆破前排炮孔底盤抵抗線W1取4.0 m。

4.2.2.3 孔深與超深

根據(jù)規(guī)范及類似工程經(jīng)驗(yàn)，淺孔爆破選取超鉆深度h=0.3 m，垂直孔最大深度L=H+h=5.3 m；深孔爆破選取超鉆深度h=1.0 m，垂直孔最大深度L=H+h=11 m。

4.2.2.4 孔距和排距

為了提高爆破質(zhì)量及效果，淺孔、深孔爆破均采用三角形（梅花形）布孔、排間微差爆破方式，鉆孔密集系數(shù)m取0.8～1.0。本工程淺孔爆破選取a=1.3 m，b=1.2 m；深孔爆破選取a=4.0 m，b=3.5 m。

4.2.2.5 裝藥結(jié)構(gòu)及填塞長度

采用孔底氣墊間隔裝藥結(jié)構(gòu)。淺孔爆破空氣氣墊長度取0.2 m，深孔爆破空氣墊長度取0.3 m。堵塞長度淺孔取1.2 m，深孔取2.5m。

4.2.2.6 爆破參數(shù)表

臺階控制爆破參數(shù)如表1所示。

表1 臺階控制爆破參數(shù)表

4.2.2.7 現(xiàn)場實(shí)施

現(xiàn)場按照自上而下逐級分段、分次爆破的總體爆破方案，其中第一、二、三級邊坡采取分層分段、分次淺眼爆破的方法組織實(shí)施。實(shí)現(xiàn)了洞口危巖落石爆破清除，確保了施工及運(yùn)營安全。施工過程及爆破效果如圖7所示。

圖7 施工過程及爆破效果

4.3 千枚巖陡坡巖壁主被動(dòng)加固施工技術(shù)

4．3．1 噴錨網(wǎng)防護(hù)

噴射混凝土施工工藝和施工方法：噴射C25混凝土厚10 cm，分兩次機(jī)械噴射，中間鋪設(shè)一層鍍鋅機(jī)編鋼絲網(wǎng)，錨孔采用Φ49鉆孔，錨桿采用Φ25HRB400鋼筋制作，長度為3.5 m，間距2 m。坡面每3 m間距設(shè)一泄水孔，泄水孔上下錯(cuò)開布置，內(nèi)設(shè)長1.0 mΦ42PVC花管。

4．3．2 12 m 長錨桿制造與安裝

線路左側(cè)25～35 m清方坡面（清方區(qū)域與原坡面順接范圍）存在局部順層，采用大錨桿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。大錨桿矩形布置，節(jié)點(diǎn)間距4.0 m。線路左側(cè)35～75 m巖堆后緣陡崖、噴錨網(wǎng)護(hù)坡以上至2 510 m高程自然邊坡采用大錨桿防護(hù)。

4．3．3 主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)施工

人工清除坡面松散巖土體和尖銳突出體，使坡面平順。測量放線確定錨桿孔位（孔間距允許調(diào)整范圍縱向?yàn)?.2～4.8 m，橫向?yàn)?.7～5.3 m），孔位處人工開鑿一口徑不小于20 cm×15 cm的凹坑，以確保系統(tǒng)能盡可能緊貼坡面。錨桿孔鉆鑿，孔徑不小于Ф35 mm，鉆孔和凹坑的總深度應(yīng)比設(shè)計(jì)錨桿長度長5 cm以上。主動(dòng)網(wǎng)及大錨桿施工前對坡面局部凹腔進(jìn)行嵌補(bǔ)，嵌補(bǔ)前清除凹腔內(nèi)浮石，嵌補(bǔ)體與既有坡面采用錨桿連接。

坡面清方、防護(hù)完成后整體效果如圖8所示。

圖8 坡面清方、防護(hù)完成后整體效果

5 結(jié)論與體會

地震區(qū)隧道工程洞口危巖落石采取清除或者加固危巖綜合處理技術(shù)，能夠有效降低施工階段和運(yùn)營階段的安全風(fēng)險(xiǎn)。高陡巖壁邊坡爆破網(wǎng)路采用孔內(nèi)、孔外延時(shí)，排間或孔（孔群）間延時(shí)起爆技術(shù)，能有效減少因雷管段別限制而增加的爆破次數(shù)，同時(shí)，能夠有效控制單響最大藥量，從而減小爆破振動(dòng)。高陡崖壁采用嵌補(bǔ)、錨桿框架梁護(hù)坡、錨索+大錨桿+噴錨網(wǎng)護(hù)坡等加固技術(shù)，可有效加固清方后的邊坡，確保巖堆體整體穩(wěn)定。