某山嶺公路隧道出口淺埋段塌方原因分析

王濤，李致立，孔凡林

(1 重慶市建筑科學研究院有限公司，重慶 400016；2 重慶建筑工程職業(yè)學院，重慶 400072)

0 引言

隨著我國公路、鐵路等交通的不斷發(fā)展，大量的山嶺隧道陸續(xù)修建。一般來講，山嶺隧道洞口段往往受到淺埋、偏壓、圍巖破碎等因素的影響，其施工風險較洞身段更大[1-3]，容易引發(fā)一些病害的產生。如受連續(xù)降雨作用，成武高速鎖池隧道洞口邊坡出現(xiàn)了大規(guī)模滑塌[4]；廈沙高速玉園隧道洞口出現(xiàn)了地表坍塌以及圍巖和支護結構的大變形等問題[5]；李洋溢和何克揚[6]則報道了西部地區(qū)某高速公路大跨度隧道洞口開挖誘發(fā)滑坡的病害，并針對其形成機制進行了分析，指出洞內的不合理施工是導致滑坡產生的主要原因。劉小軍等[7]以廈蓉線水都高速瑞坡隧道為對象，利用三維數(shù)值分析對其洞口段的失穩(wěn)機制進行了分析和研究，并提出了相應的處置措施。

分析已有的大量工程案例報道，發(fā)現(xiàn)大多集中于隧道進洞過程中，即“進口段”，而針對“出口段”即出口過程中洞口段的病害報道相對較少。西部某山嶺高速公路隧道在出口過程中出現(xiàn)了塌方的現(xiàn)象，本文以此為對象，通過現(xiàn)場監(jiān)測結果的分析對塌方的原因進行了研判，并提出了相應的處理措施，并取得了良好的效果。所用分析思路和方法等可為類似工程提供一定的借鑒和參考。

1 工程概況

某隧道為分離式，左右幅隧道均屬段隧道。其中左幅長168m（ZK 173+776～ZK173+944），最大埋深44.2m；右幅長269m（YK173+736～ZK174+005），最大埋深60.5m。隧道的開挖高度和跨度分別為10.4m 和13.5m（圖1）。隧道穿越區(qū)為構造隆升低山工程地質區(qū)，分布的地層有第四系全新統(tǒng)坡殘積碎石土和中泥盆泥質灰?guī)r。隧址區(qū)地質構造簡單，無斷裂構造，且無其他不良地質級特殊巖性土存在。

圖1 隧道開挖尺寸及監(jiān)測點布置圖（單位：m）

其中左幅隧道出口段（ZK173+894～ZK173+944）位于山體坡腳處斜坡，地形坡度較陡，坡角38°，基巖出露?；诠こ痰刭|特征和相關規(guī)范，該段圍巖級別為V 級。由于整個左幅隧道長度較短，因此采用鉆爆法進行施工，所有斷面均采用上下臺階法進行開挖，每次開挖進尺2.0m，上下臺階保持30m 的間距。考慮到出口段前30m 埋深特別淺（約0～5.0m），因此在ZK173+914～ZK173+944區(qū)間段隧道中線至左右側各15m 范圍內采取地表注漿進行加固。注漿鋼管采用梅花型布置，間距2m×2m；初期支護由間距50cm 的20b 工字鋼、25mm 中空注漿錨桿（長3m）、8mm 的鋼筋網（間距20cm×20cm）以及26cm 厚的噴射混凝土構成。

隧道在進洞以及洞身段開挖的過程中均較為順利，當上臺階開挖至出洞口ZK173+918 斷面時，前方約2m 的出現(xiàn)了坍塌（位置如圖2 標注區(qū)域），在地表形成了大小約40cm 的空洞（如圖3）。且該空洞在隨后進一步發(fā)展，最終形成了約長3.6m、寬約2.7m 的地表塌陷（圖4）。

圖2 出口段塌方位置整體圖

圖3 地表塌陷最初局部圖

圖4 后期發(fā)展后的地表塌陷圖

2 塌方原因分析及應對

2.1 原因分析

明確塌方產生的原因對于后續(xù)施工以及采取相應的應對措施十分重要。從地表最初出現(xiàn)塌陷時的隧道內部來看，可以較為清楚地從掌子面前方觀察到圖3 所出現(xiàn)的空洞，整體上離已施作好的ZK173+918 斷面的初期支護約1～2m 的距離。也就是說，其主要原因是ZK173+918 斷面開挖后掌子面圍巖向洞內產生位移，而由于前方圍巖埋深太淺，無法形成有效的拱效應，因此最終導致了地表塌陷的產生?；谶@一初步判斷結果，考慮到出口處橋梁已經施作，存在當?shù)鼐用窈褪┕と藛T等從塌方處地表經過的可能，首先對塌方地表進行了圍欄處理。

根據(jù)《公路隧道施工技術規(guī)范》（JTG/T—2020），整個上臺階掌子面先暫緩施工，并進一步通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析地表以及出洞口已支護斷面變形以及支護受力的變化情況，從而判斷是否存在坡體滑動的現(xiàn)象或可能。圖5 為ZK173+910 和905 斷面的地表沉降曲線?？梢钥闯觯瑑蓚€斷面均是隧道拱頂正上方的地表產生的沉降最大（ZK173+905 斷面因D 點破壞，測點C 沉降值最大），且值分別達到了36.0mm 和35.1mm。且從隧道中心線對稱兩側來看，右側沉降值略大于左側沉降值，這主要是由于左側埋深略淺于右側埋深導致的。而從初始發(fā)現(xiàn)塌方（圖中豎向虛線標注位置）后曲線的變化趨勢來看，整體受影響不是特別明顯，僅ZK173+905 斷面測點C 在2d 后出現(xiàn)了明顯的沉降（約19mm），且此時測點D 因沉降遭受損壞。且可以看出，所有測點在第5d 后的變形遠小于前5d，第15d 后所有測點連續(xù)兩天的沉降差值均小于1mm，表明所有測點沉降已經穩(wěn)定。

圖5 出口段地表沉降監(jiān)測曲線

圖6為不同斷面的拱頂沉降曲線圖，為了更好地顯示，圖中給出了隧道出洞完成后所有監(jiān)測斷面的曲線圖，且豎向虛線為初始塌方出現(xiàn)時的位置。從圖中可以看出，地表塌陷產生時已開挖的ZK173+900、910 和915 三個斷面的拱頂下沉值均不超過3mm，且在后續(xù)的2d 內并未有迅速增加的現(xiàn)象。 圖7 為ZK910 斷面初期支護鋼拱架應力計測量曲線（監(jiān)測點的布置如圖1 所示），可以看出，整體上鋼支撐拱頂和兩側拱腰上下側所受到的應力值并不大，最大值也不超過30MPa。而且在地表出現(xiàn)塌陷后沒有明顯的曲線突變現(xiàn)象，表明該斷面受地表塌陷的影響相對較小。

圖6 出口段拱頂下沉最終曲線

圖7 ZK173+910 斷面鋼支撐內力變化曲線

綜合上述分析可以看出，雖然出現(xiàn)了地表塌陷，但后方坡體的變形并未見到明顯增加，同時已開挖且初期支護的洞內也未見到明顯的變形和受力突增。而且從現(xiàn)場塌陷土體來看，基本呈現(xiàn)垂直塌落的形式。因此判斷，本次塌陷主要是由于該段埋深很淺，隧道開挖后掌子面前方土體變形而引起的。

2.2 應對措施及效果分析

基于上述判斷，認為隧道施工引發(fā)的仰坡整體失穩(wěn)的可能性小，但極有可能出現(xiàn)掌子面前方土體的垮塌?？紤]到前方覆土厚度越來越小且風化松散，因此決定采用挖掘機開挖的方式繼續(xù)施工，以減小對前方土體的擾動?？紤]到降雨等其他因素對坡體穩(wěn)定的影響，要求對已完成的全斷面及時進行二襯施作，且在出洞開挖完成后及時進行明洞的施作，從而對仰坡起到“固腳”的作用。另外，加強對坡體地表的變形監(jiān)測，一旦出現(xiàn)變形較大或速率過快的情況則及時進行處理。

在上述措施的保障下，隧道實現(xiàn)了順利的出洞。圖8 為塌方段前后兩個斷面（ZK173+910和ZK173+925斷面）圍巖與初支間的壓力曲線（監(jiān)測點的布置如圖1 所示）。 可以看出，塌方前已開挖的ZK173+910 斷面在塌方產生的前后拱頂處圍巖壓力一直都處于增加的狀態(tài)，但左右拱腰處的變化不是很大。表明塌方前后該斷面承受了較大的豎向壓力，但范圍僅主要在拱頂上方，這與前述的對塌方變形特點的判斷是一致的。后續(xù)在采取措施后拱頂受力出現(xiàn)了一定的下降且逐漸趨于穩(wěn)定，表明該斷面的壓力得到了一定程度的釋放。ZK173+925 斷面在開挖完成后初期支護受到的圍巖壓力是很小的，均未超過0.15MPa，表明后續(xù)開挖斷面支護受到的壓力較小，可以較好地對圍巖提供支撐。從圖4 的后續(xù)曲線（15d 后）的發(fā)展來看，地表的變形均趨于穩(wěn)定。從圖6 和圖7 的隧道內部圍巖變形和襯砌受力來看，無論是拱頂沉降還是初期支護受力，均未出現(xiàn)大的突變，且很快趨于了穩(wěn)定。以上所有監(jiān)測結果均表明對該出口段的塌方判斷以及提出的相應的應對措施取得了良好的效果。

圖8 塌方區(qū)間前后兩個斷面圍巖與初期支護間接觸壓力

3 結語

西部某山嶺公路隧道出口淺埋段在出洞的過程中出現(xiàn)了地表塌方的病害。通過現(xiàn)場觀測并結合監(jiān)測數(shù)據(jù)，對塌方原因進行了分析并提出了相應的治理措施，取得了以下主要結論：

1）塌方前后斷面的地表沉降和拱頂下沉等變形監(jiān)測顯示，塌方后方坡體未見明顯變形。除了后方斷面圍巖和支護間的拱頂處壓力略有增加外，其他部位的接觸壓力以及鋼支撐的內力均未有明顯突變。結合現(xiàn)場塌方的形態(tài)來看，認為本次塌陷主要是由于該段埋深很淺，隧道開挖后掌子面前方土體變形而引起的；

2）針對性地提出了采用挖掘機進行開挖的方式繼續(xù)施工，以減小對前方土體的擾動；對已完成的全斷面及時進行二襯施作，且在出洞開挖完成后及時進行明洞的施作，從而對仰坡起到“固腳”的作用；加強對坡體地表的變形監(jiān)測等措施；

3）后續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，對塌方進行整治后的變形和受力等監(jiān)測數(shù)據(jù)均很快趨于穩(wěn)定，表明所采取的治理措施取得了良好效果；

4）監(jiān)測手段在本次隧道塌方治理的過程中發(fā)揮了重要作用，一方面其對塌方的準確判斷提供了切實依據(jù)，另一方面也對治理措施的效果評價提供了有力支撐。