隧道施工期間邊坡崩塌原因分析及整治處理方案

馬保華

（貴州省公路工程集團有限公司，貴州 貴陽 550000）

1 工程概況

某隧道全長156m，以東西向貫穿山脈，南側(cè)下邊坡臨溪流，隧道與溪流高差20m。隧道西側(cè)接明挖段路基，東側(cè)與橋梁相銜接，地表坡度介于30°～52°，隧道最大覆蓋厚度20m，屬于典型的短小淺埋隧道。本隧道設計全線采用傳統(tǒng)鋼支撐工法的底導坑先進工法施工，施工后一年全線完成底導坑，正擬進行上半斷面施工時，北側(cè)上邊坡發(fā)現(xiàn)數(shù)條平行隧道的裂縫，遇雨即產(chǎn)生坍滑，坍落的土石堆積于邊坡上，隧道正上方的地表則明顯可見兩個窟窿，因此決定暫停施工，封閉東西洞口，對邊坡崩塌先行開展整治。

2 調(diào)查方法

為了解崩塌的范圍與原因，首先需進行現(xiàn)場調(diào)查，再依據(jù)調(diào)查結(jié)果分析可能的原因，進而提出整治處理方案。

（1）地表調(diào)查：包含地形測量、地表地質(zhì)調(diào)查與地表裂縫調(diào)查，主要了解崩塌區(qū)的地形、地表地質(zhì)及裂縫的分布狀況，以分析崩塌區(qū)的范圍。

（2）隧道內(nèi)情況勘察：進入已開挖的隧道內(nèi)，勘查了解到隧道內(nèi)的地質(zhì)與支撐構(gòu)造破壞情形，作為地層坍滑深度及范圍分析的參考[1]。

（3）地質(zhì)及地球物理調(diào)查：包含折射震波探測、地質(zhì)鉆探取樣與試驗及傾斜管安裝與量測。為能明確顯示崩塌區(qū)的地質(zhì)條件與坍滑的機制，上述測線采用縱橫交錯布置于調(diào)查范圍內(nèi)，并在縱橫交錯點輔以地質(zhì)鉆探，同時在該處設置傾斜管以測量地層變形等。

3 調(diào)查結(jié)果

3.1 地形與地質(zhì)調(diào)查結(jié)果

本隧道經(jīng)過的邊坡坡度在28°～52°之間。隧道東、西口附近及施工道路K12+076m—K12+110m 的下邊坡，為基巖出露處或表層剝蝕部位，坡度較陡約為40°～52°，地表植生較為稀疏，甚至光禿一片，植生以草及2m高的銀合歡居多。隧道中心線地表附近及K12+110m至K12+145m 處，多為表土層或崩積土石，坡度較平緩約為28°～30°間，植生較為茂密，篇闊葉樹及銀合歡的混合林，樹木較為高大、茂盛。K12+145m—K12+170m處，為表層剝蝕劇烈及裂隙發(fā)達的區(qū)域，坡度約為42°左右，植生較為稀少，并有許多樹木連根滑落、傾倒或枯死。K12+170m 以上的區(qū)域，其坡度約為25°～28°間，為闊葉樹茂密的混合林。

本崩塌區(qū)地層主要以硬頁巖、板狀頁巖及砂頁巖互層所組成易受風化而成碎屑剝落。地質(zhì)構(gòu)造則有背斜與向斜通過隧道附近，調(diào)查區(qū)的巖層多有扭曲現(xiàn)象，根據(jù)地表地質(zhì)調(diào)查、折射震測及現(xiàn)場鉆探調(diào)查的結(jié)果，判斷本隧道的地質(zhì)依上至下的順序可概略分為表層堆積層、風化擾動硬頁巖層及致密頁巖層等三層。

3.2 隧道內(nèi)現(xiàn)場勘查結(jié)果

現(xiàn)場勘查時西口已崩塌無法進入，因此自東洞口進入隧道底導坑內(nèi)觀察，發(fā)現(xiàn)里程距東口28m處基巖狀態(tài)變好，鋼支撐并無任何異狀。直至距東口73m處基巖開始較差，距東口73m 及距東口123m 處計有十余對鋼支撐嚴重扭曲變形，尤其是靠山一側(cè)的鋼支撐。距東口108m處支撐的木矢板沿隧道橫斷面方向環(huán)狀被剪斷，并有多處滲水狀況[2]。

3.3 傾斜管測量結(jié)果

本崩塌基現(xiàn)場裝設四支傾斜管，深度介于24～30m。根據(jù)傾斜管量測的變形走勢分析，地表下20～26m深度內(nèi)的地層有變形的跡象。其中中部傾斜管的變形走勢較不明朗，可能為滑動深度較傾斜管更深所致。但依據(jù)物探及鉆探資料所示，該處約在地表下29m，為致密基巖位置，因此推估該處的滑動深度在26m上下。

4 崩塌原因分析

根據(jù)上述現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，本隧道洞口邊坡很可以明顯區(qū)分為六個坍滑區(qū)，現(xiàn)分別敘述其可能坍滑原因如下：

4.1 S1及 S3坍滑區(qū)

S1及S3坍滑分別位于隧道西洞口及東洞口附近，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果分析，其主要的坍滑原因是洞口開挖施工所引致，加之暴雨侵蝕使其范圍擴大，并于S1坍滑區(qū)的上方產(chǎn)生一張力裂縫，S1及S3坍滑區(qū)均屬于表土層的坍滑，屬淺層的滑動

4.2 S4、S5及 S6坍滑區(qū)

S4、S5及S6坍滑區(qū)均位于隧道的下邊坡靠近西側(cè)的產(chǎn)業(yè)道路附近，其坍滑主要是暴雨侵蝕所造成，均屬于淺層的滑動。

4.3 S2滑塌區(qū)

S2坍滑區(qū)位于隧道的上邊坡，坍滑范圍大及滑動深度深，屬深層滑動的坍滑區(qū)，可能的坍滑原因如下：

（1）地形因素：隧道平行坡面開挖，平行坡面的最大主應力（δ1）遠大于垂直坡面的最小主應力（δ3），隧道開挖后將會造成偏壓現(xiàn)象。隧道愈接近坡面，此現(xiàn)象愈顯著，并會引起異常變形及崩塌，導致邊坡的坍滑。

（2）地質(zhì)因素：S2坍滑區(qū)蓋范圍均為厚達25m 的風化擾動巖層，該巖層的巖體非常破碎，較易產(chǎn)生邊坡滑動。

（3）工程因素：本邊坡原為一自然邊坡，自隧道開挖后即陸續(xù)產(chǎn)生滑動，因此隧道開挖系為一重要的工程因素，隧道的擠壓作用造成邊坡的安全降低較快，其中包括：①由于隧道巖體的開挖移除，造成了邊坡對滑動體的抵抗力降低；②隧道開挖變形控制不佳將造成一松動帶，尤其采用傳統(tǒng)鋼支撐工法施工隧道，因鋼支撐與基巖面接合不易，其周圍松動帶將更大，隧道內(nèi)的鋼支撐若強度不足將因此受擠壓而變形。

S2坍滑區(qū)為一深層滑動區(qū)，可由上述三項因素推論與隧道內(nèi)現(xiàn)場勘查結(jié)果互佐證。

5 整治方案

5.1 整治原則

根據(jù)上述描述可知，本案隧道施工與邊坡穩(wěn)定息息相關(guān)，隧道基本均位于風化擾動硬頁巖層中開挖，且由調(diào)查結(jié)果顯示有深層滑動面，因此無論采用何種工法施工，邊坡的穩(wěn)定處理都是最重要的[3]。尤其是東口附近及西口附近，由于已被崩落的土石所掩蓋，已不適于采用隧道工法施工，而應采用明挖或明挖覆蓋法施工，至于其他坍滑區(qū)整治方案如下節(jié)所述。本計劃于施工初期并未設置任何的監(jiān)測儀器，因此無法預知邊坡是否可能會發(fā)生滑動，并且加以防止，因此后續(xù)的整治方案須先設置監(jiān)測系統(tǒng)，施工時方能有效控制邊坡及隧道的變形，避免再發(fā)生邊坡崩塌[4]。

5.2 施工技術(shù)簡介

5.2.1 明挖法

在地下結(jié)構(gòu)工程施工時，首先從地面向下分層、分段，并逐層、逐段按照順序開挖，尺寸和高程要符合結(jié)構(gòu)要求。其次，在基坑中對主體結(jié)構(gòu)開展施工和防水作業(yè)，一直到回填并恢復地面。明挖法的施工工序指：降低地下水位、邊坡支護、土方開挖、結(jié)構(gòu)施工及防水工程等。其中，邊坡支護是確保安全施工的關(guān)鍵因素。明挖法的基本類型包括：

（1）先墻后拱法。先墻后拱法是最常見的，適用于地形、地質(zhì)條件好的淺埋隧道以及地下工程。當?shù)匦魏蛨龅貪M足條件時，在邊坡開挖之后，并且可以暫時穩(wěn)定，可以使用帶邊坡的基坑或塹壕。假如施工場地不滿足條件，受到限制以及邊坡不穩(wěn)定時，可以使用直壁的基坑或塹壕，坑壁要支護。

（2）先拱后墻法。此種方法用于破碎土層以及巖層。

（3）墻拱交替法。它是先墻后拱法和先拱后墻法的混合采用，交替使用邊墻和頂拱，此種方法應用于比較特殊的情況，例如不能單獨采用先拱后墻法或者先墻后拱法時。

5.2.2 蓋挖法

由于明挖法存在占地較大、挖方量及填方量大、長時間隔斷地面交通等問題，因此一般隧道采用半明挖法開挖。半明挖法最為常見的是“蓋挖法”。在20世紀60 年代，蓋挖法第一次被應用于西班牙馬德里的城市隧道，其后廣泛應用于其他城市的隧道建造。蓋挖法首先做圍護結(jié)構(gòu)和中間樁，主要采用連續(xù)墻、鉆孔樁等技術(shù)；其次制作鋼筋混凝土蓋板，充分利用圍護結(jié)構(gòu)、中間樁和蓋板的保護開展土方開挖和結(jié)構(gòu)施工。

由于蓋挖法在開挖施工作業(yè)存在很大的優(yōu)勢，因此經(jīng)常被采用。其優(yōu)點包括：對鄰近建筑物影響小、受氣候影響小和封閉地面交通時間短，當蓋板建立完成之后，后續(xù)開展的開挖施工作業(yè)不受地面條件影響。同樣，蓋挖法也存在一些弊端：為避免安全事故，蓋板應盡量少設置豎井，但開挖出的土方必須采用水平方式運輸，導致作業(yè)空間有限、工期長等問題，且施工費用較明挖法高。

順作與逆作是蓋挖法的兩種施工方式，兩種方法的主要不同點是施工順序不同以及支撐方式不同。順作是由下而上開展施工，逆作法是由上而下開展施工。順作法支撐采用鋼管支撐、型鋼支撐、鋼筋混凝土支撐以及土錨桿等方式；順作法采用在擋墻施工之后，對擋墻進行支撐，開挖至設計標高，澆筑基礎底板，之后按照由下而上順序，澆筑地下結(jié)構(gòu)本體，并拆除臨時支撐。逆作法支撐是本身建筑物的結(jié)構(gòu)支撐，即建筑物本體的梁和板。

順作法是在既有條件下，根據(jù)方案需求的寬度，在地表面完成擋土結(jié)構(gòu)，采用事先預制完成的覆蓋置于擋土結(jié)構(gòu)上，不斷開挖和架設橫撐，完成指定設計標高，并從下向上進行建筑主體結(jié)構(gòu)、防水措施和回填土，最后拆除擋土結(jié)構(gòu)的外露部分，直至恢復交通。

逆作法通常應用于深層開挖、軟弱地層開挖、靠近建筑物施工等工況下。在地下建筑結(jié)構(gòu)施工時，逆作法通過結(jié)構(gòu)本身既做擋土墻又作內(nèi)支撐，不再另外做臨時支撐。施工順序正好與順作法相反，由上而下開展施工。在沿線建筑物過于靠近或者地下構(gòu)筑物頂板覆土較淺的工況下，可能由于基坑長期開挖而造成地表明顯沉陷。為保證鄰近建筑物的安全措施，避免蓋挖順作法兩次占用道路的弊端，采用逆作法。

5.3 整治方案說明

（1）方案一：本案為全線采用明挖工法，隧道結(jié)構(gòu)變更為路塹形式的施工方法。

（2）方案二：隧道東半段采用明蓋挖法，隧道西半段采用原隧道形式施工。

（3）方案三：隧道東口段及西口段采用蓋挖法，隧道中段采用中隔壁法（CD法）。但隧道施工前，邊坡必須先行打設地錨護坡，再擴挖隧道。

5.4 整治方案的比較

比較三種方案的工程內(nèi)容、工程經(jīng)費、工期及優(yōu)劣點等，其中方案三由于無論在工程經(jīng)費、工期及技術(shù)的復雜性和不確定性等因素，均較另兩個方案不利，因此不宜采用。而方案一在工程經(jīng)費、工程期限及技術(shù)上均有明顯的優(yōu)勢，且若在一崩積層上開挖隧道本身困難度即較大，因此方案一為較佳的選擇，但其用地范圍較大，需另增加征地費用。相較于方案一，方案二雖然工期略長，費用稍昂貴，但仍以方案二為最佳的選擇。

5.5 后續(xù)施工簡述

后續(xù)的整治除采用上節(jié)所述方案二外，并沿用調(diào)查時邊坡上所設置的傾斜管，作為施工時監(jiān)測邊坡滑動的依據(jù)，并在隧道內(nèi)設置收斂巖釘?shù)茸鳛榭刂扑淼朗┕ぷ冃蔚幕鶞?。在整個施工過程中，由于事前的調(diào)查精確及施工中監(jiān)測系統(tǒng)功能的發(fā)揮，使本工程整治成功完成，同時證明了方案二的選用是正確的。

6 結(jié)語

本案例工程中，由于隧道平行坡面開挖，隧道本身已承受相當大的偏壓，加之開挖引致隧道周邊巖體松弛誘發(fā)邊坡坍滑，因此，如何進行隧道的開挖與邊坡的整治成為重要課題。本案例采用先行穩(wěn)定坡面，再進行隧道施工方式進行整治，通過折射震測、地質(zhì)鉆探、地表地質(zhì)調(diào)查、傾斜管、地形測量及裂縫調(diào)查充分了解邊坡坍滑的機制、范圍及深度，有效而正確地提供了邊坡坍滑整治所需的資料；隧道施工則配合邊坡整治，采用減輕覆土重及剛性支撐成功地克服偏壓及淺覆蓋所產(chǎn)生的問題，順利地完成邊坡整治及隧道施工。

但預防勝于治療，隧道選線時應盡量正交邊坡等高線，避免平行坡面而行。若無可避免，首先應對隧道開挖后鄰近坡面的滑動趨勢進行評估，考量坡面保護措施是否須事先設置的必要性，以確保邊坡的穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求；其次再就隧道鄰近坡面所產(chǎn)生的偏越及覆土厚進行詳細評估，評估隧道支撐的剛性及變形是否在容許范圍，以避免隧道施工產(chǎn)生的變形，影響坡面的穩(wěn)定性；施工時則于坡面及隧道內(nèi)設置監(jiān)測儀器，以了解隧道及邊坡的互動關(guān)系，如有異狀方能事先提出預警，盡快予以處理。簡言之，平行坡面施工的隧道，若能秉持上述三原則進行設計與施工，必能竟全功順利完成，不致發(fā)生邊坡坍滑的現(xiàn)象。