隧洞進(jìn)出口高邊坡巖體穩(wěn)定性分析與處理方法

周鶴

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

某高速公路的K17+454～K17802 段擬建一座分離式隧道，全長為351 m，呈直線型展布。隧道開挖斷面為馬蹄形，直徑為9.50 m，上部覆土最大厚度11.30 m。隧洞進(jìn)口地形陡峭，自然坡度77°～83°，坡面上植被稀疏，部分區(qū)域基巖完全裸露；隧洞出口坡度較為平緩，自然坡度52°～56°。隧洞進(jìn)出口處巖石以燕山期閃長巖為主，呈青灰色、淺灰色，碎塊狀構(gòu)造。進(jìn)口高邊坡的節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化情況嚴(yán)重。隧洞節(jié)理面以NE向和NW向節(jié)理為主，多為共軛節(jié)理，特征如下：

節(jié)理1：N20°W/50°SW，d=0.20～0.50，l＞10 m，微張，略有充填；節(jié)理2：N48°W/52°NE，d=0.08～0.30，l＞10 m，微張，略有充填；節(jié)理3：N76°E/73°NW，d=0.10～0.40，l＞10 m，微張，略有充填；節(jié)理4：N35°E/66°SE，d=0.02～0.05，l＞5 m，微張，略有充填。

2 隧洞地質(zhì)特征

2.1 地層巖性特征

根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，該隧洞的出露地層以泥盆系中統(tǒng)東崗嶺階上段灰?guī)r和第四系殘坡積黏土為主?；?guī)r呈深灰色，為中厚層狀構(gòu)造，溶蝕作用發(fā)育，表層分化情況嚴(yán)重，巖體破碎。受斷層影響，隧洞的進(jìn)口地層產(chǎn)狀為3°∠15°，出口地層產(chǎn)狀為230°∠5°。在隧洞附近10 km范圍內(nèi)有2條斷層，但是未見活動跡象。鉆孔取樣分析表明，斷層兩側(cè)有破碎帶分布，并且破碎帶的巖石性質(zhì)為灰質(zhì)斷層角礫巖，硬度較低，穩(wěn)定性差，隧洞施工中可能會出現(xiàn)崩塌情況，需要采取支護(hù)措施。

2.2 水文地質(zhì)條件

該隧洞的地表水主要來源于季節(jié)性沖溝水，集中在每年的7、8 月份。隧洞的進(jìn)出口均為坡度大于50°的斜坡，地表水位低于設(shè)計洞口標(biāo)高，因此即便是在雨水較多的夏季也不會發(fā)生漫淹的情況。降雨后形成的地表水一部分下滲，另一部分沿著沖溝、坡面凹溝形成徑流。該隧洞地下水以松散層孔隙潛水和基巖裂隙巖溶水為主，地下水的水量受到裂隙發(fā)育程度、孔隙率及降水量等多種因素的共同影響。在夏季雨水豐沛，并且節(jié)理裂隙發(fā)育較好、孔隙率較高的區(qū)域，地下水的水量會明顯升高，局部可能形成透水帶，在隧洞開挖時有一定的涌水風(fēng)險。

3 隧洞進(jìn)出口高邊坡巖體穩(wěn)定性分析

3.1 進(jìn)口穩(wěn)定性分析

該隧洞進(jìn)口的赤平投影如圖1所示。

圖1 隧洞進(jìn)洞口結(jié)構(gòu)面赤平投影圖

圖1 中，P 為坡面，傾向?yàn)?2°，傾角為89°；C 為產(chǎn)狀，傾向?yàn)?°，傾角為15°；L1和L2為兩條裂隙，傾向分別為3°、215°，傾角分別為69°、27°，該進(jìn)洞口包含了P-C、P-L1、P-L2、C-L1、CL2、L1-L2 六個結(jié)構(gòu)面。節(jié)理裂隙L1 和L2 的特征如下：L1 節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀為0°∠69°，發(fā)育密度1～2條/m，豎向切深超過3 m，水平延伸超過1 m，有穿層現(xiàn)象；L2節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀為215°∠27°，發(fā)育密度1～2 條/m，豎向切深超過3 m，水平延伸超過1m，有穿層現(xiàn)象。

隧洞的進(jìn)口在一個南北向的斜坡上，根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果，該斜坡上部覆土為粉質(zhì)黏土，厚度為50～58 cm。淺表層巖體破碎情況嚴(yán)重，坡面角度為77°～83°，洞口斜坡臨空面與路線走向呈60°斜交?？紤]到洞口巖石裂隙發(fā)育成熟，如果直接進(jìn)行隧洞開挖很容易因?yàn)檫吰率Х€(wěn)而發(fā)生坍塌，所以隧洞進(jìn)洞口開挖作業(yè)前必須要采取支護(hù)措施。理論上來說，第四系土層的放坡率為1∶1.5、強(qiáng)風(fēng)化層的放坡率為1∶1是比較合適的，同時還要在坡面采取保護(hù)措施，防止隧洞開挖時進(jìn)洞口出現(xiàn)大范圍坍塌事故。該隧洞的進(jìn)口斜坡坡向?yàn)?3°，表層溶蝕發(fā)育、巖質(zhì)偏軟，節(jié)理裂隙L1和L2組合切割巖體，影響斜坡穩(wěn)定性。

3.2 出口穩(wěn)定性分析

該隧洞出口的赤平投影如圖2所示。

圖2 隧洞出洞口結(jié)構(gòu)面赤平投影圖

圖2 中，P 為坡面，傾向243°，傾角51°；C 為產(chǎn)狀，傾向240°，傾角5°；LX1和LX2為兩道裂隙，傾向分別為145°、260°，傾角分別為65度°、78°，隧道出洞口有P-C、P-LX1、P-LX2、CLX1、C-LX2、LX1-LX2 六個結(jié)構(gòu)面。節(jié)理裂隙LX1 的產(chǎn)狀為260°∠78°，發(fā)育密度1～2條，豎向切深超過3 m，水平延伸超過1 m，微張，有穿層現(xiàn)象，節(jié)理裂隙LX2的產(chǎn)狀同上。

該隧洞的出口在東北向的斜坡上，上部覆土為殘坡積層，坡體自然坡度在52°～56°之間，洞口斜坡臨空面與路線走向呈45°斜交。出口仰坡為順向坡，并且洞口巖石裂隙發(fā)育一般，巖體破碎情況并不嚴(yán)重，直接進(jìn)行隧洞開挖發(fā)生邊坡失穩(wěn)的概率不高，如果能做好坡面截流排水措施，可不做特殊加固處理。理論上來說，第四系土層的放坡率應(yīng)達(dá)到1∶1.5，強(qiáng)風(fēng)化層的放坡率應(yīng)達(dá)到1∶1，中風(fēng)化層的放坡率應(yīng)達(dá)到1∶0.8。結(jié)合水文地質(zhì)條件，該區(qū)域松散層有較好的透水性，但因位置較高，實(shí)際含水量不高，所含水分以風(fēng)化裂隙水為主。地下水的水位季節(jié)性變化明顯，基本上不會影響到洞口的穩(wěn)定性。但在夏季雨水較多、降水集中的情況下，雨水和坡面徑流的沖刷作用可能會對洞口高邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，因此在隧洞出洞口高邊坡要采取截流排水措施?？紤]到隧洞出口坡面較緩，且?guī)r體破碎情況一般、巖質(zhì)較硬等情況，對出洞口支護(hù)加固的要求不高。

3.3 洞身圍巖穩(wěn)定性分析

此隧洞的最大埋深為185 m，屬于低應(yīng)力場，不具備爆破條件。圍巖的主要成分是泥盆系中統(tǒng)東崗嶺階上段中風(fēng)化灰?guī)r，中厚層狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)結(jié)合面整體較好，圍巖級別為IV～V級。

4 隧洞進(jìn)出口高邊坡巖體的處理方法

4.1 處理方案的比選

根據(jù)隧洞現(xiàn)場情況和穩(wěn)定性分析，初步設(shè)計了2種洞口高邊坡穩(wěn)定方案。方案一為爆破挖出不穩(wěn)定組合體，然后采用錨噴支護(hù)的方式；方案二為強(qiáng)支護(hù)，支護(hù)方案為超前錨桿+鋼拱架+20 cm 混凝土噴護(hù)。由于隧洞進(jìn)洞口高邊坡較陡，局部可以達(dá)到80°，坡腳出應(yīng)力較為集中，在受到震動或者是強(qiáng)降雨后，高邊坡滑塌的概率也會明顯上升。這種情況下若采用強(qiáng)支護(hù)方案，如果支護(hù)施工結(jié)束前高邊坡失穩(wěn)滑動，將會導(dǎo)致后續(xù)施工無法繼續(xù)進(jìn)行。鑒于該隧洞的高邊坡上尚未形成滑移面，可按照巖體的最優(yōu)穩(wěn)定坡比確定需要挖除的不穩(wěn)定組合體的范圍，避免了超挖或欠挖的情況，降低了高邊坡巖體處理的技術(shù)難度和施工成本。因此，從技術(shù)可行性上來看，方案一更適合此次隧洞進(jìn)口高邊坡巖體的加固處理。

4.2 爆破處理方法

為保證施工安全，從隧洞進(jìn)洞口向前推進(jìn)10 m 后開始進(jìn)行爆破作業(yè)。在巖土分界處設(shè)置馬道，洞口開挖坡比設(shè)定為1∶0.6，按照“自上而下”的順序分層施工，首先清理上部覆蓋層，然后挖除下放石方。以隧洞的洞頂為界限，洞頂以上部分使用潛孔鉆造孔梯段爆破，邊坡預(yù)裂爆破；洞頂以下部分采用氣腿式鑿巖機(jī)鉆孔，邊坡光面爆破。處理方法如下：

清理作業(yè)面的松動石塊后，按照施工圖紙進(jìn)行現(xiàn)場測量放線，標(biāo)記出鉆孔位置。經(jīng)復(fù)核無誤后，在預(yù)裂爆破區(qū)域內(nèi)使用潛孔鉆在標(biāo)記出的孔位上鉆孔。鉆孔深度為30 cm，孔徑為35 mm，周邊控的孔距為鉆孔直徑的8～10倍。完成鉆孔后，清理孔內(nèi)的石渣，檢查成孔效果。確定無內(nèi)壁開裂等問題后，裝入炸藥。預(yù)裂爆破中使用的炸藥為2#巖石乳化炸藥，藥卷直徑為30 mm，裝藥方式為不耦合裝藥。梯段爆破高度為8.50 m，采用潛孔鉆造孔，并將炮孔以梅花形布置，裝填硝銨炸藥。光面爆破采用水平鉆孔，裝藥方式為不耦合裝藥。

爆破結(jié)束后，清理現(xiàn)場石塊，檢查確認(rèn)隧道進(jìn)洞口高邊坡不存在松動石塊后，開始進(jìn)行洞臉邊坡支護(hù)。在邊坡上以梅花形布置砂漿錨桿，所用錨桿的直徑為20 mm、長度為2.80 m，排間距為1.20 m。將砂漿錨桿插入高邊坡并進(jìn)行固定后，在錨桿上掛鋼筋網(wǎng)。此次作業(yè)中所用鋼筋網(wǎng)的規(guī)格為φ10@180 mm×180 mm，鋼筋網(wǎng)與錨桿之間采用鋼絲綁扎方式予以固定。保證鋼筋網(wǎng)緊貼在坡面上，然后將準(zhǔn)備好的C30混凝土噴射到鋼筋網(wǎng)上。為提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，分兩次噴射混凝土，初噴厚度為5 cm，保證混凝土厚度均勻，等到混凝土初凝結(jié)束后，再復(fù)噴混凝土。復(fù)噴厚度為5 cm，噴射結(jié)束后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。待混凝土完全硬化后，即可保證洞口高邊坡的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

隧洞進(jìn)出口的高邊坡是施工中需要重點(diǎn)處理的對象，對高邊坡且?guī)r體不穩(wěn)定的隧洞，在進(jìn)出口施工前需要使用赤平投影法，對滑面穩(wěn)定性展開分析。對于在自然狀態(tài)下處于不穩(wěn)定狀態(tài)的巖體，必須要先采取防護(hù)措施，在保證安全的前提下再進(jìn)行隧洞施工。相比于強(qiáng)支護(hù)措施，文章提出了一種先進(jìn)行爆破清理不穩(wěn)定組合體，然后再進(jìn)行砂漿錨桿噴錨支護(hù)的方案，能夠顯著提高隧洞進(jìn)出口的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，為下一步的洞內(nèi)掘進(jìn)施工創(chuàng)造了安全的作業(yè)環(huán)境。