某淺埋偏壓鐵路隧道變形綜合治理及監(jiān)測(cè)研究

崔俊杰,王 凱,雷 星,杜文山

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

引言

目前，淺埋偏壓隧道及其所在山體邊坡變形超限乃至失穩(wěn)問題較突出，對(duì)其變形與穩(wěn)定性研究逐漸引起重視。羅興華等[1]通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和理論計(jì)算安全系數(shù)的方法，探明了邊坡變形特征及其原因，并提出了減載+錨索抗滑樁+既有襯砌加固+加強(qiáng)排水的綜合整治措施；楊文輝[2]分析了南昆鐵路柏子村1號(hào)隧道病害特征，將病害原因劃分為內(nèi)因與外因，并提出了主滑方向研判方法；張永康等[3]分析了某通過老滑坡體的鐵路隧道變形原因，并研究了上擋下托式支擋對(duì)隧道應(yīng)力的影響；馬惠民[4]構(gòu)建了隧道滑坡理論分析框架，分析了不同隧道滑坡體系變形特征及其機(jī)理，并提出了防治原則與治理措施；謝正團(tuán)等[5]通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與數(shù)值模擬，分析了寶蘭客專洪亮營隧道滑坡成因和變形機(jī)制；弭坤等[6]通過有限元法對(duì)上砭隧道滑坡治理工程中預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁和普通抗滑樁聯(lián)合作用時(shí)，抗滑樁應(yīng)力分布和水平位移的變化規(guī)律進(jìn)行了分析；晏啟祥等[7]采用有限差分法，對(duì)被隧道穿過的滑坡體及隧道二襯變形與應(yīng)力進(jìn)行了分析，明確了隧道與滑坡體相互作用機(jī)理，并對(duì)錨索結(jié)合抗滑樁治理滑坡的效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。此外，相關(guān)研究[8-11]針對(duì)抗滑樁在隧道施工運(yùn)營過程中病害整治的有效性進(jìn)行了系統(tǒng)性分析。對(duì)于治理隧道變形病害，專家[12-15]提出了抗滑樁+錨索抗滑樁+加強(qiáng)支護(hù)等綜合治理措施。此外，也有學(xué)者[16-20]系統(tǒng)研究了隧道病害發(fā)生和發(fā)展的主要原因，認(rèn)為直接原因?yàn)樗淼阑虻乇碜冃?，根本原因可歸納為建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)低、地層巖性軟弱、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、降水豐沛、地下水及人類活動(dòng)活躍等多因素的共同作用。病害識(shí)別方面，蒲炳榮[21]針對(duì)隧道襯砌病害識(shí)別，提出了分岔裂縫特征提取算法，預(yù)警襯砌剝落掉塊。

針對(duì)廣西某鐵路隧道及其所在山體邊坡的變形特征與原因、綜合治理措施、監(jiān)測(cè)結(jié)果與綜合加固措施，對(duì)坡體和隧道的效果及其穩(wěn)定性影響進(jìn)行分析，為類似工程分析與治理提供參考和借鑒。

1 隧道工程概況

該隧道位于廣西藤縣，處于直線段，全長175 m。隧道內(nèi)縱坡為單面下坡，坡度為2.958‰。隧道所在山體地層分布縱斷面如圖1所示。

圖1 隧道所在地層縱斷面

隧道進(jìn)出口地表為殘坡積黏土，下伏寒武系砂巖、燕山期花崗巖，為全～強(qiáng)風(fēng)化，呈砂土狀及破碎狀，圍巖穩(wěn)定性差，為Ⅴ級(jí)圍巖。全隧暗洞襯砌采用VC偏壓型復(fù)合式襯砌。隧道拱頂埋深0.5～17 m，外側(cè)拱肩覆蓋土厚0.5～13.3 m，淺埋偏壓現(xiàn)象嚴(yán)重。為保證隧道進(jìn)洞安全，減少開挖刷坡高度，隧道進(jìn)出口設(shè)計(jì)為單壓耳墻式明洞，接半明半暗襯砌。明洞斷面設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 淺埋偏壓明洞斷面(單位：m)

2 隧道變形特征與原因

2.1 山體邊坡變形

2010年2月，隧道自進(jìn)口端里程D2K235+752處開始暗洞掘進(jìn)，上導(dǎo)坑進(jìn)尺7 m時(shí)，因隧道偏壓地表出現(xiàn)縱向開裂，地表變形較大。

施工結(jié)束后，2011年11月，現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)邊坡地表存在弧形裂縫，裂縫距隧道中線右側(cè)最遠(yuǎn)處為63 m，長約80 m，寬度最大約0.2 m，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的裂縫深度約5.5 m，如圖3所示。

圖3 地表裂縫測(cè)量

2.2 隧道內(nèi)部變形

2011年9月～12月，已施工完成的隧道內(nèi)水溝電纜槽側(cè)壁、仰拱和拱頂?shù)榷嗵幬恢贸霈F(xiàn)裂縫。其中，拱部襯砌縱向裂縫最大長度為23 m(位于D2K235+885～D2K235+908)，寬度最大值為0.71 mm；仰拱最大裂縫發(fā)生在D2K235+829處，呈環(huán)向展布，長約2 m，寬度最大值為3.6 mm。

2.3 后期變形發(fā)展

2012年9月，已修復(fù)完成的隧道內(nèi)裂縫再次出現(xiàn)細(xì)微裂紋，10月進(jìn)口洞門端墻、出口明洞仰拱填充表面及隧道洞外地表等部位也出現(xiàn)較為明顯的裂縫。如圖4所示。

圖4 隧道地表裂縫

2016年9月，新增隧道進(jìn)口左側(cè)擋墻開裂，洞頂骨架護(hù)坡開裂下挫變形。

針對(duì)上述不同時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)的隧道及其邊坡變形，均及時(shí)分析了其原因，并提出了相應(yīng)加固整治措施。

2.4 變形原因分析

基于隧址區(qū)地層條件、氣候條件、施工情況及變形特征，分析變形產(chǎn)生的原因如下。

(1)地層巖性

隧道明洞段通過丘陵斜坡中下部，隧道所在邊坡表層為第四系殘坡積(Q4el+pl)硬塑狀粉質(zhì)黏土，厚1.6～2.2 m，隧道洞身主要穿越花崗巖和砂巖全風(fēng)化層(呈粉質(zhì)黏土、黏土狀)，該地層穩(wěn)定性差。隧道仰拱下有約20 cm厚虛砟，質(zhì)地松散，強(qiáng)度較低，為軟弱夾層。

(2)坡體結(jié)構(gòu)

隧址區(qū)自然邊坡陡峭，隧道呈淺埋偏壓狀態(tài)，如圖5所示。施工期間在隧道邊坡坡腳處進(jìn)行了施工便道開挖，造成坡腳地層卸載，形成臨空面，引起應(yīng)力釋放，局部發(fā)生變形開裂。

圖5 隧道穿越區(qū)域地形(單位：m)

(3)降雨與地下水

隧道進(jìn)口明洞施工期間，遇持續(xù)降雨，雨量大、頻率高，使得地表水很難以地表徑流的方式完全排泄，滑體巖土含水量在很短時(shí)間內(nèi)升高，巖土體重度增大、抗剪強(qiáng)度降低、抗滑力減弱。同時(shí)，地表水下滲及地下水位活動(dòng)軟化了滑帶土，使滑帶土強(qiáng)度急劇降低，引發(fā)坡體滑動(dòng)。降雨是滑坡發(fā)展的誘因。

(4)施工擾動(dòng)

邊坡臨時(shí)開挖易軟化坍塌，造成坡體應(yīng)力松弛，牽引右側(cè)山體蠕滑變形。此外，較大的臨空面削弱了滑坡抗滑力，在明洞施工后雖進(jìn)行了回填，但在長期降雨及地下水作用下坡體逐漸下滑，人工填土及隧道無法承擔(dān)較大的坡體下滑力，導(dǎo)致隧道左側(cè)邊墻受擠壓變形。施工擾動(dòng)是滑坡形成的外部因素。

3 整治措施

從施工至運(yùn)營初期，隧道與山體邊坡多次出現(xiàn)變形問題，基于上述變形原因分析，及時(shí)采取了邊坡反壓卸載、錨索樁加固和注漿加強(qiáng)等綜合治理措施。

3.1 邊坡反壓卸載

針對(duì)隧道所在坡體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的淺埋偏壓狀態(tài)問題，經(jīng)過理論分析與方案比選，確定對(duì)山體采取減載反壓，于D2K235+770～+890段，在高程73.6～73.4 m處設(shè)置卸荷、反壓平臺(tái)，具體方案如下。

(1)隧道右側(cè)進(jìn)行挖方減載，洞頂設(shè)置卸荷平臺(tái)，共設(shè)置6級(jí)邊坡，邊坡坡率1∶1.5～1∶1.75，總高51.45 m，如圖6所示。其中，1～4級(jí)邊坡均采用框架錨桿內(nèi)客土草灌結(jié)合防護(hù)，錨桿長12 m，傾角15°，其余邊坡采用M7.5漿砌片石截水骨架內(nèi)客土植草種灌木防護(hù)。塹頂外5 m處設(shè)置排水天溝，每級(jí)邊坡平臺(tái)及卸荷平臺(tái)均設(shè)置M7.5漿砌片石截水溝。

(2)隧道左側(cè)坡腳位置進(jìn)行填方反壓處理，共設(shè)置4級(jí)邊坡，其邊坡坡率均為1∶1.75，總高41.75 m，如圖6所示。邊坡平臺(tái)均設(shè)置M7.5漿砌片石截水溝，其中，1～3級(jí)邊坡采用骨架護(hù)坡防護(hù)，其余邊坡采用M7.5漿砌片石護(hù)坡防護(hù)。基底及邊坡平臺(tái)處設(shè)置3層貫通雙向土工格柵，層間距0.6 m。

圖6 山體卸載反壓邊坡橫斷面(單位：m)

3.2 錨索樁加固

針對(duì)地層巖性特點(diǎn)，為防止隧道橫向滑移變形進(jìn)一步擴(kuò)大，對(duì)該隧址區(qū)進(jìn)行了地質(zhì)補(bǔ)勘工作，未發(fā)現(xiàn)隧底虛砟以外的軟弱夾層，且不存在古滑坡，通過方案比選最終于隧道進(jìn)出口設(shè)置錨索樁進(jìn)行加固處理。

(1)錨索抗滑樁于隧道進(jìn)出口明暗分界處設(shè)置，樁身位于隧道右側(cè)，進(jìn)口端、出口端樁長分別為37，33 m，截面均為3.0 m×3.5 m，分別設(shè)置4根，共計(jì)8根。樁身采用C30鋼筋混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑，樁上設(shè)單支點(diǎn)單孔錨索，位置為樁頂以下2 m處，由7根φ15.24 mm鋼絞線組成，錨索長32～45 m，傾角20°，錨固段長10 m，錨孔φ150 mm。如圖7所示。

圖7 隧道進(jìn)口段錨索樁(單位：m)

(2)進(jìn)口明洞段右側(cè)設(shè)置錨索樁，樁長37 m，截面2.5 m×2.5 m，共4根。樁身采用C30鋼筋混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑，樁背平臺(tái)采用M7.5漿砌片石回填。樁上設(shè)雙支點(diǎn)單孔錨索，樁頂以下1.5 m處設(shè)1孔(上支點(diǎn))，樁頂以下3.5 m處設(shè)1孔(下支點(diǎn))，上支點(diǎn)錨索長45.0 m，傾角25°，下支點(diǎn)錨索長40 m，傾角30°，錨固段長10 m，錨孔φ150 mm，單孔預(yù)張拉力350 kN，錨索由7根φ15.24 mm鋼絞線組成。錨索樁內(nèi)均設(shè)置PVC深層測(cè)斜孔1根，測(cè)斜管管徑70 mm，管口高出樁頂0.5 m，管底同樁底，如圖8所示。

圖8 隧道進(jìn)口錨索樁設(shè)計(jì)(單位：m)

3.3 隧道洞身及回填土加固

針對(duì)降雨與地下水對(duì)地層強(qiáng)度的不利影響，參考上述隧道襯砌裂縫寬度、長度、位置，采用環(huán)氧砂漿封閉法、鉆孔灌漿法及埋管灌漿法等方式對(duì)裂縫進(jìn)行針對(duì)性處理。

對(duì)D2K235+733～D2K235+777明洞段洞頂回填土采用地表注漿加固，提高其自穩(wěn)性，減少側(cè)向壓力的產(chǎn)生。

4 坡體與隧道監(jiān)測(cè)

從2017年綜合加固措施完成開始，直至2020年8月，對(duì)隧道與山體邊坡進(jìn)行了持續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，以科學(xué)評(píng)價(jià)分析綜合加固措施對(duì)坡體支擋效果及其穩(wěn)定狀態(tài)。

4.1 監(jiān)測(cè)方案

本次監(jiān)測(cè)內(nèi)容共包含3個(gè)方面，分別為：隧道所在山體卸載反壓邊坡地表橫向水平位移、深層橫向水平位移、隧道CPⅢ變形，并進(jìn)行了錨索樁樁體超聲檢測(cè)。其監(jiān)測(cè)位置如圖9所示。其中，地表變形監(jiān)測(cè)覆蓋整個(gè)卸載反壓邊坡，編號(hào)從1-1～11-1；深部地層變形監(jiān)測(cè)孔分別位于進(jìn)口段右側(cè)4根錨索樁內(nèi)及出口明暗洞交界處右側(cè)天然地層內(nèi)，共計(jì)6個(gè)測(cè)斜孔位，編號(hào)1～6；CPⅢ變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于隧道內(nèi)，每間隔60 m于對(duì)側(cè)拱墻位置布設(shè)1對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)布設(shè)4對(duì)，共計(jì)8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；錨索樁樁身超聲檢測(cè)選取了位于隧道進(jìn)口明洞段右側(cè)的4根錨索樁，通過4個(gè)預(yù)留聲測(cè)管進(jìn)行混凝土灌注質(zhì)量檢測(cè)。

圖9 變形監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)平面示意

4.2 結(jié)果分析

(1)地表橫向水平位移

隧道右側(cè)卸載邊坡平臺(tái)、隧道上方平臺(tái)與隧道左側(cè)反壓邊坡平臺(tái)、隧道進(jìn)出口錨索樁橫向水平位移時(shí)程曲線分別如圖10～圖12所示。

由圖10可知，隧道右側(cè)卸載邊坡平臺(tái)橫向水平位移波動(dòng)范圍為-2.2～3.2 mm，無增加趨勢(shì)，已趨穩(wěn)定。

由圖11可知，隧頂上方平臺(tái)橫向水平位移波動(dòng)范圍為-1.9～4.5 mm，且近兩年其變形具有明顯收斂趨勢(shì)。隧道左側(cè)反壓邊坡平臺(tái)橫向水平位移在2017年4月～2018年8月期間處于小幅波動(dòng)范圍，波動(dòng)區(qū)間為-2.2～2.3 mm；此后至2018年12月，位移處于增加狀態(tài)，最大值為8.2 mm，然后逐漸減小并趨于收斂，截止2020年5月監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示其變形穩(wěn)定在4.7 mm。

圖11 隧頂上方平臺(tái)與反壓邊坡平臺(tái)橫向位移時(shí)程曲線

由圖12可知，隧道進(jìn)口明洞段右側(cè)錨索樁樁頂橫向水平位移波動(dòng)范圍為-2.0～3.9 mm，無增加趨勢(shì)；隧道出口段右側(cè)錨索樁樁頂橫向水平位移同樣處于小幅波動(dòng)狀態(tài)，其波動(dòng)范圍為-2.7～3.2 mm，無增加趨勢(shì)。說明加固措施有效控制了隧道與山體的橫向水平位移。

圖12 錨索樁樁頂橫向水平位移時(shí)程曲線

(2)深部橫向水平位移

對(duì)隧道上方平臺(tái)天然地層進(jìn)行深部測(cè)斜，分析不同深度地層橫向水平位移隨時(shí)間變化關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，位移波動(dòng)幅值為16.8 mm(歷史變形最大值)，且最新偏移量介于歷史位移最大值與最小值之間，說明該位置處橫向水平位移已趨于穩(wěn)定，左右波動(dòng)現(xiàn)象是由測(cè)量操作誤差引起。

此外，針對(duì)隧道進(jìn)口段右側(cè)的4根錨索樁進(jìn)行了深部橫向水平位移監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析可知，隧道進(jìn)口明洞段右側(cè)4根錨索樁內(nèi)不同深度橫向水平位移曲線隨時(shí)間先增加，然后小幅波動(dòng)，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。最大橫向水平位移均出現(xiàn)在隧道仰拱下方，且在土石分界線之下，具體分別出現(xiàn)在樁頂以下27.5，28.5，29.5，34.0 m位置處。

圖13為錨索樁最大橫向水平位移時(shí)程曲線。

圖13 錨索樁最大橫向水平位移時(shí)程曲線

由圖13可知，隧道進(jìn)口段4根錨索樁的最大變形規(guī)律可劃分為3個(gè)階段，分別為：位移緩慢增加區(qū)間、快速增加區(qū)間和收斂區(qū)間，趨勢(shì)位移曲線可精確表征該規(guī)律。其中，樁體最大橫向位移出現(xiàn)在極速增加區(qū)間結(jié)束時(shí)，但其沿豎向最大撓跨比僅為1.47‰。該現(xiàn)象可解釋為：地層推力作用下，錨索樁被動(dòng)受力，由于樁體上部錨固作用，其位移被約束，因此，下部發(fā)生較小程度的彈性橫向水平變形，以產(chǎn)生抵抗力，從而與地層下滑力構(gòu)成平衡狀態(tài)，保證隧道所在山體的穩(wěn)定。

(3)隧道收斂變形

通過CPⅢ測(cè)量隧道邊墻的相對(duì)變形，兩側(cè)拱墻凈空收斂曲線與高差變化曲線如圖14所示。

圖14 隧道拱墻相對(duì)位移曲線

由圖14可知，隧道進(jìn)口段徑向擴(kuò)張位移為7.2 mm，出口段徑向擴(kuò)張位移為3.9 mm，隧道中部徑向擴(kuò)張位移小于1.2 mm。此外，隧道各位置處徑向高差均較小，介于-1.1～1.2 mm之間。由此可以判定隧道本身已處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.3 樁體質(zhì)量分析

通過聲波透射法對(duì)錨索樁樁體質(zhì)量進(jìn)行探測(cè)與分析，所選用聲測(cè)管內(nèi)徑42 mm，外徑48 mm，4枚聲測(cè)管可形成6個(gè)聲測(cè)剖面，如圖15所示，分別為剖面1-2、1-3、1-4、2-3、2-4與3-4。

圖15 樁身聲測(cè)管布置與聲測(cè)斷面示意

分析現(xiàn)場(chǎng)超聲檢測(cè)結(jié)果可知，4根錨索樁主要缺陷范圍為距離樁頂28.3～36.5 m處，尤其在樁深30.7～33.7 m位置處存在明顯異常。

上述結(jié)果與錨索樁內(nèi)深部測(cè)斜結(jié)果進(jìn)行比對(duì)可發(fā)現(xiàn)，變形特征與聲測(cè)異常位置具有較好的吻合性，即聲測(cè)結(jié)果異常部位附近均發(fā)生了較大程度的橫向水平變形，其原因可歸納為灌樁之前孔底有水或灌樁時(shí)振搗不及時(shí)，導(dǎo)致局部混凝土離析，造成錨索樁局部抗彎剛度較小，從而在地層推力作用下發(fā)生的相對(duì)變形較其他位置稍大，以提供足夠的抗滑力。

5 結(jié)論

通過對(duì)病害隧道設(shè)計(jì)、施工、地質(zhì)條件及變形特征進(jìn)行分析，明確了變形產(chǎn)生的主要原因，提出了綜合整治方案，并全程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，科學(xué)評(píng)價(jià)分析了綜合加固措施對(duì)坡體和隧道的加固效果及其穩(wěn)定性，主要結(jié)論如下。

(1)隧道變形特征主要為隧道拱部襯砌、電纜槽側(cè)壁發(fā)生縱向裂縫，仰拱出現(xiàn)環(huán)向裂縫，個(gè)別貫穿隧底，最大寬度達(dá)3.6 mm；地表變形較大，局部產(chǎn)生縱向裂縫或弧形裂縫，最大寬度、深度分別達(dá)0.2，5.5 m，且隧道拱部隨時(shí)間繼續(xù)出現(xiàn)細(xì)微裂縫，局部仰拱填充與洞外地表隨時(shí)間也相繼出現(xiàn)裂縫。

(2)隧道邊坡變形主要原因可歸納為隧道仰拱下存在虛砟軟弱夾層；山體邊坡陡峭，隧道淺埋偏壓顯著；持續(xù)降雨強(qiáng)度大，地表水下滲，導(dǎo)致隧底軟弱夾層強(qiáng)度降低；隧道和邊坡坡腳臨空開挖，引起應(yīng)力釋放，造成地層穩(wěn)定性差。

(3)提出的邊坡卸載反壓、洞口抗滑錨索樁、注漿增強(qiáng)等綜合加固處理措施有效控制了變形發(fā)展。加固后，隧道卸載區(qū)、隧頂區(qū)和反壓區(qū)橫向水平位移呈小幅波動(dòng)狀態(tài)，幅值小于4.7 mm，隧道未發(fā)生明顯偏移，聲測(cè)結(jié)果異常部位附近發(fā)生撓跨比為1.45‰的橫向水平變形，但并未持續(xù)增加，有效抵抗地層下滑力，隧道與山體已趨于穩(wěn)定狀態(tài)，治理效果良好。