黃土地區(qū)淺埋隧道洞口邊坡穩(wěn)定性研究

王超

（中鐵十六局集團鐵運工程有限公司，河北 高碑店 074000）

0 引言

近年來，在黃土上修建的隧道工程越來越多。隧道入口段受工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件和人為因素的影響，在施工過程中容易發(fā)生邊坡斷裂和坍塌，嚴重影響隧道設(shè)計。整體穩(wěn)定性造成了嚴重的安全事故和巨大的工程經(jīng)濟損失。因此，有必要開展黃土區(qū)邊坡穩(wěn)定性及隧道入口段控制技術(shù)研究。對已建成的多條黃土隧道進場的研究表明，大多數(shù)黃土隧道進場困難，經(jīng)常面臨上升坡開裂、滑坡、圍巖變形大等問題。

1 工程概況

橫山隧道位于陜西省榆林市橫山縣邊墻壕村以東，起訖里程為DK165+160 ～ DK165+944，全長784m，均為Ⅴ級加強和Ⅵ級圍巖，最大埋深約22m。隧道處于黃土梁峁區(qū)，地形起伏較大，隧道進出口黃土溝壑下切較深，洞身亦發(fā)育黃土沖溝，但下切較淺，隧址區(qū)多劈為耕地，植被以雜草和灌木為主。圍巖等級為Ⅴ級和Ⅵ級，隧道所處地層主要為新老黃土，強風化泥質(zhì)砂巖、砂巖等，巖石強度較低，圍巖穩(wěn)定性差，存在塌方等風險，下伏煤系地層，隧道洞身位于風積砂層和黃土地層中，圍巖自穩(wěn)性很差。如圖1所示。

圖1 橫山隧道位置示意圖

2 進洞施工方案

（1）隧道入口施工前，應先檢查邊坡周圍山體的穩(wěn)定性，清除松散不穩(wěn)定體，以及入口附近的黃土溶洞、空洞和裂縫進行施工。（2）洞頂排水系統(tǒng)應在洞口邊仰坡開挖前完成。（3）邊仰坡應自上而下，分段開挖，邊坡防護，及時封閉，不應掏槽開挖或上下重疊開挖。（4）邊坡開挖應預留30cm改造層，邊坡必須及時用人工刷、壓實、平整，防止超挖，保證邊坡平整。（5）洞口施工場地布置及便道開挖不得影響隧道邊仰坡的穩(wěn)定，并應避免大開大挖。（6）隧道進洞前應按設(shè)計要求完成邊仰坡防護工程及超前預支護，在邊仰坡穩(wěn)定的前提下方可進洞。（7）隧道入口施工過程中，應適當增加監(jiān)測測量頻率，加強對側(cè)坡和淺層地表裂縫和變形的監(jiān)測。（8）隧道入口段宜倒轉(zhuǎn)，靠近隧道掌子面開挖。第一支撐應盡快形成封閉結(jié)構(gòu)，并盡快建成明洞和二次襯砌[1]。

3 黃土地區(qū)淺埋隧道洞口邊坡穩(wěn)定性分析與監(jiān)控量測

3.1 滑坡原因分析

（1）洞口邊坡為巖石堆積邊坡，當該類邊坡頂部堆積體剪應力發(fā)生明顯變化時，容易發(fā)生沿著分型線滑動，造成剪切滑移。（2）洞口刷坡后，洞口上方局部巖體塊體的抗滑強度降低，導致局部塊體向前移動，從而降低對后塊體的支撐作用，身體也向前移動。（3）隧道開挖為隧道上方巖體的運動提供了通道面，使隧道上方的巖體向隧道內(nèi)位移。當埋地隧道深度較淺時，地面沉降相對較高。（4）溶洞開挖時，采用漸進局部開挖的方法，對圍巖擾動較大，二次覆層和倒底不及時固定，削弱了山體本身的穩(wěn)定性[2]。

3.2 監(jiān)控量測

（1）量測方法和要求：①隧道內(nèi)觀測可分為開挖面觀測和施工斷面觀測兩部分。每次開挖后應對開挖面進行監(jiān)測，如在觀測過程中發(fā)現(xiàn)附近巖石狀況惡化，應立即采取適當?shù)木S護措施；觀測結(jié)束后，應按時制作開挖面地質(zhì)草圖和地質(zhì)條件記錄卡。在節(jié)理裂隙發(fā)育的硬巖鑲嵌、塊狀、脆性斷面，應注意觀察節(jié)理、裂隙方向和圍巖發(fā)育程度，易崩塌的巖塊應注意觀察。及時扭曲或噴射混凝土。每天至少對施工段進行一次觀察，主要觀察噴射混凝土、錨桿、鋼框架和二次覆層的運行情況。洞外觀察應以洞口及洞體埋深淺為重點。觀察應包括地表裂縫、地表下沉、穩(wěn)定坡度和根部以及地表水入滲[3]；②圍巖變形及隧道初期支護測量圍巖及初期支護變形測量是施工管理的重要組成部分，是施工安全和質(zhì)量的保證。過梁變化、拱頂下沉、地表下沉（淺埋段）等測量位置應設(shè)置在同一段上，以利于了解變形規(guī)律[4]；③量測斷面間距為5m、開挖時水平收斂基線布置2～3條，拱頂下沉測點每個斷面內(nèi)布1～3點。各測點布置如圖2。水平收斂上下兩測線間距約為3.5m，下方測線距離內(nèi)軌頂面距離約為1.5m；④地表下沉量測，橫斷面方向地表下沉的測點間隔取2～5m，在一個測量斷面內(nèi)設(shè)7～11個測點。地表下沉的測量從開挖前的H+h（隧道深度+隧道高度）開始，直到襯砌結(jié)構(gòu)關(guān)閉并停止下沉，如圖3。

圖2 隧道圍巖埋設(shè)點示意圖

圖3 地表沉降觀測示意圖

（2）測量頻率。每次開挖后應對開挖面進行監(jiān)測，施工段至少每天監(jiān)測一次。觀察門楣變化、拱頂下沉和地表下沉等要素的測量頻率應根據(jù)位移速度和被測斷面距開挖面的距離來確定。

4 數(shù)據(jù)處理與分析

4.1 坡度垂直位移

邊坡的豎向位移反映了邊坡的豎向位移，有兩個參數(shù)：累積豎向位移和速度?！?”表示下沉，“-”表示上升。1～6個監(jiān)測點的最大累計垂直位移為7.4mm；垂直位移的最大變化率為0.023mm/d。每個點的最大日平均變化高于指定的規(guī)格值。它顯示出逐漸收斂的趨勢，直到最終穩(wěn)定下來。

4.2 邊坡水平位移

斜坡的累積水平位移和速度，“+”表示沿斜坡向外，“-”表示沿斜坡向內(nèi)。1～6個監(jiān)測點的最大累積水平位移為5.6mm；水平位移變化率的最大值為0.020mm/d。每個點的最大日平均變化沒有超過規(guī)定的規(guī)格值。水平位移趨勢呈現(xiàn)逐漸收斂的趨勢，最終趨于穩(wěn)定并基本保持不變。

4.3 邊坡深位移

檢測深邊坡位移，確認和確定發(fā)生位移的結(jié)構(gòu)特征，確定潛在滑動面的深度，確定主要滑動方向，量化和評估邊（滑坡）邊坡的穩(wěn)定性，評估加固效果邊坡（山體滑坡）。坡度整體沿坡面外移，坡峰位移最大。隨著巖體的增加，位移逐漸減小。邊坡整體位移變形在穩(wěn)定性上趨于漸進，深部位移監(jiān)測后期無明顯變形活動，表明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)[5]。

4.4 地下水位下降

通過觀察地下水位的變化，可以評估邊坡排水處理的有效性。邊坡地下水位變化監(jiān)測結(jié)果，“+”表示水位下降，“-”表示水位上升。1號監(jiān)測孔地下水位共下降0.45m，2號監(jiān)測孔地下水位共下降0.32m。后期穩(wěn)定，無異常，說明邊坡排水系統(tǒng)合理。

5 現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

隧道洞口段一般處于地表侵蝕嚴重、風化裂縫發(fā)育的斜坡上。此外，入口段隧道一般較淺，結(jié)構(gòu)頂部巖土難以形成承重拱，入口段上坡易拉斷，地表水進入內(nèi)部。過濾時，其穩(wěn)定性難以保證。國內(nèi)外對隧道入口邊坡的穩(wěn)定性研究都比較重視。在各國的規(guī)范、工程手冊和專著中，對隧道入口段的設(shè)計和施工都有特殊規(guī)定。邊坡穩(wěn)定性分析有比較成熟的理論和方法。由于黃石土體強度低，垂直節(jié)理發(fā)育，在地表水的作用下水體軟化，易沖刷，黃土區(qū)隧道入口段的邊坡如果沒有適當?shù)闹ёo，很容易造成隧道入口處的塌陷。倒塌并危及隧道整體穩(wěn)定性。國內(nèi)對黃土隧道入口段邊坡穩(wěn)定性的研究較多，主要集中在以下幾方面：黃土隧道圍巖應力變形規(guī)律研究；黃土隧道入口段承重結(jié)構(gòu)力學特性；黃土隧道加固技術(shù)。

6 結(jié)語

合理的施工方案和施工措施對隧道入口邊坡的穩(wěn)定性至關(guān)重要。盡量減少對圍巖的干擾，做到“像開挖、跟腳、早封閉、快鋪設(shè)”，適時插入倒底和二襯，盡快封閉圍巖結(jié)構(gòu)，形成合理的受力體系。加強隧道施工過程中的監(jiān)測測量和邊坡穩(wěn)定性分析，確保結(jié)構(gòu)安全。