炭質(zhì)千枚巖區(qū)高速公路隧道仰坡危巖失穩(wěn)特征及處置措施研究

張 馳

(中鐵十四局集團第四工程有限公司 山東濟南 250002)

1 引言

經(jīng)過改革開放以來四十余年的發(fā)展，我國高速公路里程已穩(wěn)居世界第一，高速公路行業(yè)進入全面規(guī)范和高質(zhì)量發(fā)展階段。然而，在西南地區(qū)修建高速公路時仍需穿越高山峽谷地帶，此時在山體開掘隧道就成為了必然。當(dāng)在變質(zhì)巖石地區(qū)進行隧道施工時往往會遭遇諸多地質(zhì)災(zāi)害，其中隧道進口高陡邊坡危巖穩(wěn)定性問題最為棘手。

近年來，高速公路穿越巖石高陡邊坡引發(fā)的災(zāi)害事故屢見不鮮，如高速公路寶天段某隧道洞口上坡滑坡[1]、甘肅隴南西關(guān)公路南段山體崩塌[2]、寶成線某段石灰?guī)r山體崩塌[3]等，事故后果均頗為嚴(yán)重。國內(nèi)外研究人員經(jīng)過理論學(xué)習(xí)和工程實踐，對此類問題進行了不斷的研究和探索，其成果主要涉及隧道出口巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性評價[4－5]、危巖體破壞模式[6－7]與防治措施[8－9]。由于變質(zhì)巖受環(huán)境條件的影響較為敏感，尤其是組成巖石的礦化成分、節(jié)理裂隙、結(jié)構(gòu)構(gòu)造易受地表水、地下水和環(huán)境作用產(chǎn)生風(fēng)化剝蝕、侵蝕和拉裂變形[10]，洞口在變質(zhì)巖高邊坡隧道施工中更易于出現(xiàn)危巖進而引發(fā)崩塌落石。汶馬高速公路C7標(biāo)段薛城1號隧道進口段為一炭質(zhì)千枚巖高陡邊坡，該處仰坡高陡，坡面侵蝕嚴(yán)重出現(xiàn)深溝暗槽，危巖體發(fā)育，直接威脅隧道及其附屬結(jié)構(gòu)的安全。本文結(jié)合工程地質(zhì)調(diào)研方法和無人機數(shù)碼攝影輔助技術(shù)，確定公路路線構(gòu)成危害的主要潛在變形失穩(wěn)區(qū)域及其潛在破壞模式，提出經(jīng)濟環(huán)保的防治措施同時對防治措施關(guān)鍵技術(shù)進行探討，研究成果對炭質(zhì)變質(zhì)巖區(qū)高陡邊坡危巖體發(fā)育分布特點及防治建議具有工程指導(dǎo)意義。

2 工程概況

2.1 隧道概況

汶(川)－馬(爾康)高速公路薛城段1＃隧道進口仰坡高陡，平面范圍為進口段兩條沖溝夾持的基巖山梁，高程介于1 566～1 870 m附近，變形體厚度為垂直坡面20～50 m左右。巖體極破碎、片理極發(fā)育，部分片理面在近地表有一定的張開度。部分坡面邊坡零星危巖，落石粒徑一般小于200 mm，崩落最大距離至雜谷腦河河邊附近，對擬建馬爾康岸橋梁結(jié)構(gòu)及隧道洞口構(gòu)成直接威脅。

2.2 場地工程地質(zhì)條件

研究區(qū)位于青藏高原東南側(cè)邊緣的侵蝕高山峽谷區(qū)。坡腳河谷高程約1 570 m，邊坡區(qū)山脊高程1 760～2 000 m，山脊西側(cè)為雜谷腦河次級溝谷，山脊東側(cè)為凹溝。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)[11]，場地地震動峰值加速度為0.15 g，場地對應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度。

場地內(nèi)地層主要為第四系全新統(tǒng)滑坡、泥石流和崩坡積層、河流侵蝕沖積層，以及古生界泥盆系危關(guān)群。其中，山腳地基為新生界第四系全新統(tǒng)崩坡積層，山體圍巖主要為古生界泥盆系危關(guān)群。

2.3 邊坡巖體結(jié)構(gòu)

邊坡巖性為炭質(zhì)千枚巖，雖為重力變形體，但變形后巖體仍具有原巖的似層狀結(jié)構(gòu)特征。邊坡巖體片理產(chǎn)狀正常值為355°∠65°，邊坡區(qū)隧道洞口上方及右側(cè)片理產(chǎn)狀為 350°∠30°、320°∠10°、40°∠68°，隧道進口危巖照片如圖1所示。

3 邊坡潛在失穩(wěn)區(qū)特征及其穩(wěn)定性分析

3.1 邊坡潛在失穩(wěn)區(qū)變形破壞特征

邊坡除臨近臨空面部位，未見表觀邊坡整體變形的地表變形開裂跡象，但由于該邊坡為變形巖體，加之巖性軟弱，坡面受風(fēng)化剝蝕、地表水沖蝕等因素影響，坡面形成多條溝槽，坡表巖體被切割成零散塊狀，地形極為凌亂。這些被溝槽切割巖體，形成地貌突出部位和臨空部位，在非正常工況作用下極易失穩(wěn)(如自重作用、暴雨作用和強震作用)，對隧道洞口及橋梁構(gòu)成危害。采用無人機數(shù)碼攝影輔助技術(shù)，根據(jù)邊坡變形位置及特征、失穩(wěn)破壞模式將邊坡劃分為8個潛在失穩(wěn)風(fēng)險區(qū)，如圖2所示。

圖2 邊坡潛在失穩(wěn)分區(qū)

各潛在失穩(wěn)區(qū)特征分析見表1。

表1 邊坡潛在失穩(wěn)風(fēng)險區(qū)劃分

3.2 典型潛在失穩(wěn)巖體穩(wěn)定性分析計算

選取典型巖體(①號失穩(wěn)區(qū)的拉裂變形巖體)進行穩(wěn)定性分析。

已失穩(wěn)區(qū)后壁，坡面產(chǎn)狀:133°∠80°。

炭質(zhì)千枚巖力學(xué)參數(shù):飽和密度為2.71 g/cm3，考慮潛在失穩(wěn)巖體位于地表，巖體受風(fēng)化影響強度降低，天然狀態(tài)取內(nèi)摩擦角φ＝35°，粘聚力c＝250 kPa；降雨飽水狀態(tài)下φ＝34°，c＝200 kPa。

潛在失穩(wěn)巖體形態(tài)和范圍根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及測量確定，后壁失穩(wěn)區(qū)及剪切錯斷面角度根據(jù)右側(cè)已失穩(wěn)區(qū)確定，潛在失穩(wěn)區(qū)圖示見圖3。該巖體后緣追蹤結(jié)構(gòu)面拉裂破環(huán)，前緣剪斷巖體，參考巖質(zhì)邊坡滑移失穩(wěn)破壞模式對該斷面進行穩(wěn)定性分析，計算公式見式(1)。

圖3 拉裂巖體穩(wěn)定性計算分析簡圖

式中，Q為考慮速度水頭的裂隙水壓力；P為地震力；W為巖體重力；c為粘聚力；φ為滑動面內(nèi)摩擦角；β為滑移面傾角；L為滑移面計算長度；T為因動水壓力作用產(chǎn)生的裂隙壁總拖曳力。

計算得到天然工況下，坡體穩(wěn)定系數(shù)為1.89；降雨后緣裂隙充水一半時，穩(wěn)定系數(shù)為1.24；降雨后緣裂隙充滿水并形成坡面水流條件下，拉裂巖體穩(wěn)定系數(shù)為0.57；地震作用下穩(wěn)定系數(shù)為1.86。

可見降雨充水對拉裂巖體穩(wěn)定性影響較大。同時，拉裂前提下方抗剪段巖體對整個巖體穩(wěn)定起至關(guān)重要作用。而千枚巖易于風(fēng)化，下方的抗剪段“關(guān)鍵塊體”在風(fēng)化以及上方巖體重力、裂隙水滲流作用下不斷削弱，前緣抗力逐漸降低，其穩(wěn)定系數(shù)會逐步降低，最終即便是重力和少量裂隙充水以及地震作用，也會導(dǎo)致巖體失穩(wěn)。

4 防治措施及施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 防治措施建議

針對洞口及橋梁存在威脅范圍的危巖進行工程處治。處治設(shè)計方案為:清危＋墊墩錨索＋墊墩錨桿＋掛網(wǎng)噴砼＋張口式導(dǎo)石網(wǎng)＋攔石墻，如圖4所示。

圖4 處治設(shè)計方案示意

對洞口以下坡面進行掛網(wǎng)噴砼，同時設(shè)置墊墩錨索和墊墩錨桿，錨桿與錨索交叉設(shè)置，水平間距4.0 m，垂直間距3.0 m，錨索長30 m，錨桿長15 m。

洞口以上至1 620 m高程坡面進行掛網(wǎng)噴砼，同時設(shè)置墊墩錨索和墊墩錨桿，洞頂以上9 m范圍內(nèi)全部采用墊墩錨桿，第一排錨桿長6 m，距離洞口高3 m，錨桿與錨索交叉設(shè)置，水平間距4.0 m，垂直間距3.0 m，錨索長30 m，錨桿長15 m。

1 620～1 660 m高程坡面進行掛網(wǎng)噴砼，同時設(shè)置墊墩錨索，水平間距4.0 m，垂直間距3.0 m，錨索長30 m，為6φ15.2 mm鋼絞線。

1 660 m～坡頂(8區(qū)以下)坡面進行掛網(wǎng)噴砼，同時設(shè)置墊墩錨索，水平間距4.0 m，垂直間距3.0 m，錨索長40 m，為6φ15.2 mm鋼絞線；垂直間距3.0 m，錨索長30 m，錨桿長15 m。

4.2 極破碎巖體高陡邊坡全高度腳手架搭架技術(shù)

隧道進口段高邊坡處治區(qū)高150 m，寬度約130～140 m，施工需要在處治區(qū)貼坡面全幅搭設(shè)施工腳手架?！督ㄖ┕た奂戒摴苣_手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ 130—2011)[12]規(guī)定腳手架搭架高度需小于等于50 m，故本例屬超常規(guī)搭架。通過專項研究建議施工工序為:

(1)利用坡體平臺優(yōu)勢進行分段上下搭架。

(2)坡體平臺至坡腳段采用雙鋼管立桿腳手架；上段采用單鋼管立桿腳手架。以充分減輕架體重量。

(3)當(dāng)坡度較陡但坡面平整時，高度每隔12 m增設(shè)1排減載提拉錨繩。

(4)為保證施工工期，采取下段78 m高范圍內(nèi)錨桿、錨索施工完畢后，拆除下段78 m內(nèi)的腳手架后進行洞口工程施工，待洞口工程施工完畢后再從新搭設(shè)下段78 m、上段72 m腳手架進行剩余錨索、錨桿及噴射混凝土施工。

腳手架細部設(shè)計方案以A4-A4’斷面為例，該高邊坡搭架方案如圖5所示。

圖5 腳手架各類桿件關(guān)系示意

4.3 復(fù)雜地質(zhì)條件長深墊墩錨索(桿)施工技術(shù)

墊墩錨索總長29 300 m，布設(shè)高度108 m，豎向最多36索，橫向最多22索，單根錨索長度分30 m和40 m兩種，采用6φ15.2 mm鋼絞線制作，錨孔孔徑150 mm，錨固段長度10 m。錨墩采用100 cm×100 cm×50 cm現(xiàn)澆C25鋼筋砼，同標(biāo)號砼封錨。

墊墩錨桿總長3 600 m，布設(shè)高度60 m，豎向最多10根，橫向最多24根，單根錨桿長度15 m，采用φ32 mm鋼筋制作，錨孔孔徑110 mm。錨墩采用60 cm×60 cm×25 cm現(xiàn)澆C30鋼筋砼，同標(biāo)號砼封錨。相鄰錨點間距豎向3 m、橫向4 m。

具體預(yù)應(yīng)力錨索施工工藝框圖如圖6所示。

圖6 預(yù)應(yīng)力錨索施工工藝框圖

錨索按3級安全型壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索布置，要求巖土體與錨固體粘接強度特征值不低于450 kPa，各單元錨固段的鋼絞線數(shù)量均為2束。錨索自由段采用安置定位器的結(jié)構(gòu)形式，使鋼絞線在錨孔中居中。鋼絞線采用φ15.24 mm的高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線(抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值不低于1 860 MPa)制作，單根鋼絞線套一根φ20 mm PE管，兩端10～20 cm范圍內(nèi)注滿黃油，外繞工程膠布封閉固定。鋼絞線用OVM15-6型錨具鎖定。

錨孔注漿，安裝錨索體后24 h內(nèi)進行注漿，錨孔注漿水灰比0.4～0.5 MPa，漿體強度不低于40 MPa。注漿采用孔底返漿法一次注漿，水泥砂漿壓力灌注，錨桿注漿壓力0.2～0.4 MPa。

墊墩施工前先預(yù)制錨噴鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)片寬度、高度各大于錨墩尺寸50 cm，壓于錨墩下方，便于施工錨噴鋼筋網(wǎng)時能連接成整體。

錨噴砼的檢驗按《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG F80/2—2004)執(zhí)行[13]。

4.4 松散坡面表層巖體掛網(wǎng)錨噴混凝土技術(shù)

掛網(wǎng)錨噴混凝土面積共為1.82萬m2，鋼筋網(wǎng)眼間距20 cm×20 cm，橫縱每隔2 m加設(shè)加強筋(直徑18 mm)，掛網(wǎng)固定錨桿長3 m，橫縱間距3 m?；炷羾娚浜穸葹?6 cm，并按間隔10～15 m設(shè)置伸縮縫。

具體施工工藝框圖如圖7所示。

圖7 掛網(wǎng)錨噴砼施工工藝框圖

網(wǎng)噴混凝土粗骨料最大粒徑需小于等于12 mm；自上而下進行噴射，且噴頭與受噴面距離宜控制在0.8～1.5 m范圍內(nèi)，射流方向垂直指向噴射面。噴射作業(yè)時，為了使鋼筋背面噴填充實需要按段按面錨噴；并嚴(yán)格按照混凝土初凝時間(一般為2 h)和養(yǎng)護時間(一般為5～7 h)安排施工工序。

5 結(jié)論

本文以汶川至馬爾康高速公路C7標(biāo)段薛城1號隧道進口段炭質(zhì)千枚巖高陡邊坡為例，采用工程地質(zhì)調(diào)查和無人機數(shù)碼攝影輔助技術(shù)，對炭質(zhì)千枚巖區(qū)高速公路隧道仰坡危巖失穩(wěn)特征及處置措施關(guān)鍵技術(shù)開展了相關(guān)研究，主要成果為:

(1)隧道進口高邊坡巖體為炭質(zhì)千枚巖，屬卸荷重力變形體，平面范圍為進口段兩條沖溝夾持的基巖山梁，片理極發(fā)育，部分片理面在近地表有一定的張開度，巖體極破碎。

(2)根據(jù)邊坡變形位置及特征、失穩(wěn)破壞模式將邊坡劃分為8個潛在失穩(wěn)風(fēng)險區(qū)。

(3)提出了全坡面聯(lián)合多級差異加固的防治措施:清危＋墊墩錨索＋墊墩錨桿＋掛網(wǎng)噴砼＋張口式導(dǎo)石網(wǎng)＋攔石墻。并形成了極破碎巖體高陡邊坡全高度腳手架搭架、復(fù)雜地質(zhì)條件長深墊墩錨索(桿)施工、松散坡面表層巖體掛網(wǎng)錨噴混凝土等關(guān)鍵技術(shù)。