大斷面隧道滑坡段原位擴建關鍵技術研究

摘要：為了解決隧道滑坡病害段的原位擴建問題，文章以廣西某公路隧道的滑坡病害為研究對象，在對隧道滑坡病害段的滑動模式、隧道開裂過程進行分析的基礎上，對荷載估算方法、滑坡治理技術以及施工開挖穩(wěn)定技術進行深入研究。結果表明：（1）主滑方向與隧道軸線呈大角度相交時可根據(jù)滑坡的機理，利用隧道的極限破壞模式得出滿足生產(chǎn)實踐需要的荷載估算方法；（2）隧道洞身滑坡的治理需要解決滑體荷載、位移兩個方面的問題，可綜合采用卸荷、結構措施、加固措施等方式進行解決；（3）施工穩(wěn)定措施需要采取臨時支撐、超前加固、開挖過程控制等多種措施。

關鍵詞：大斷面隧道；荷載估算；原位擴建；滑坡治理

U457+.2A371164

0 引言

隧道洞口臨近段洞身埋深較淺、洞臉處臨空，造成洞口臨近段洞身襯砌處于不利受力狀態(tài)，在生產(chǎn)實踐中時有發(fā)生施工誘導隧道洞口滑動。山體滑動與隧道相互作用極為復雜，需要深入地進行研究。關于隧道洞身段的滑坡已有大量學者和技術專家對此進行了研究［1-2］，但對已發(fā)生開裂病害的原位擴建隧道的荷載估算、滑體治理以及開挖控制技術等研究較少。本文結合工程實踐經(jīng)驗，從服務生產(chǎn)實踐的角度出發(fā)，對依托隧道的滑坡開裂病害進行了深入研究，提出了滑坡段隧道的原位擴建關鍵技術方法。

1 工程概況

廣西某高速公路隧道為與路基同寬的短隧道，長200 m，最大埋深為49.5 m，開挖跨度為16 m。原隧道洞身主要為Ⅳ、Ⅴ級泥質(zhì)粉砂圍巖。隧道建成后，因交通發(fā)展需改建成滿足三車道通行的高速公路，因斷面限制需對隧道進行原位擴建。

1.1 隧道病害情況

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隧道二襯出現(xiàn)大面積開裂現(xiàn)象，開裂段落均為鋼筋混凝土結構，其中左拱肩、右拱腰裂縫出現(xiàn)成組分布，呈現(xiàn)塑性變形形態(tài)，仰拱填充面裂縫為一條寬度較寬的裂縫。

1.2 隧道勘察情況

為基于隧道病害情況進行針對性處治，對本隧道進行了勘察調(diào)查工作，發(fā)現(xiàn)隧道頂部山體出現(xiàn)錯臺，截水溝出現(xiàn)斷裂。為此勘察設計單位對此補充10個鉆孔（圖1），根據(jù)地表調(diào)查、鉆孔結果以及施工過程資料等分析，推測本隧道存在一個誘發(fā)型滑體下切隧道右線，滑體范圍較大長寬約100 m，滑體滑動方向與隧道斜交，斜交角大概為45°。

2 病害分析

2.1 滑動分析

從勘察結果結合地形來看，本隧道頂部滑動為大角度滑動（ω≥30°），在不同的位置分別表現(xiàn)為淹沒式滑動及非淹沒式滑動兩種形式。圖2為本隧道裂縫的分布示意圖，圖3為據(jù)此推測的彎矩分布圖。根據(jù)開裂彎矩并結合勘察成果、施工材料，可推測本隧道頂部滑動為下切滑動，據(jù)此分析，本隧道頂部滑體滑動為大角度下切式滑動。

2.2 致裂機理

沿主滑方向ZK1-ZK3～ZK7-ZK10段剖面的滑動為淹沒式滑動，沿ZK2-ZK6處偏右剖面為非淹沒式滑動。考慮到兩類滑動致裂機理相似，因此選取ZK1-ZK3～ZK7-ZK10段典型剖面進行分析。通過調(diào)查、勘探可推斷本處滑坡段的病害為誘發(fā)式滑坡導致的結構塑性開裂，其形成過程總結如下：

（1）本隧道病害段為雙洞小凈距隧道淺埋隧道，如圖4所示，右洞洞身上部穿越全、強風化巖體，下部穿越中風化巖體，兩種巖體力學差異較大。右洞開挖先形成陷落擾動區(qū)，左洞開挖形成的陷落區(qū)與右洞重疊，此時沿中風化巖層頂部形成局部的塑性區(qū)。

（2）因施工坍塌、大擾動等原因，分散的局部塑性區(qū)逐步形成連片塑性區(qū)，巖體的峰值強度降為殘余強度，此時形成連貫滑面。形成的滑面下切隧道結構，在右洞左側形成較大偏壓力，導致隧道結構及頂部巖土體推動阻滑側或隧底地基移動，造成隧道結構承受較大的水平側壓。

（3）在偏壓力、阻滑力、拱頂自重荷載的作用下，隧道右洞左側拱肩、右側拱腰產(chǎn)生裂縫，隨著結構鋼筋的拉伸變形，開裂部分結構產(chǎn)生卸荷作用，隧道產(chǎn)生成組裂縫，裂縫范圍、深度隨滑體緩慢發(fā)展。

3 關鍵技術

在滑體里面進行大斷面隧道原位擴建的關鍵技術包括滑坡段結構荷載的估算、原位擴建隧道的滑坡治理以及原位擴建施工控制三大方面。

3.1 荷載估算

根據(jù)選取的沿主滑方向的不同存在淹沒式滑動及非淹沒式滑動兩種情況，原位擴建前的隧道結構和擴建后的隧道結構荷載計算方法是類似的，計算式均可根據(jù)最終成型的地形情況選取計算方法，但原位擴建后的計算應考慮相關力學參數(shù)的折減。

3.1.1 淹沒式滑動

沿主滑方向取1 m滑帶寬度的典型滑面分別進行滑動區(qū)荷載計算、阻滑區(qū)荷載計算和淺層荷載計算?；瑒訁^(qū)荷載計算主要用于剩余下滑力對結構的下切作用，阻滑區(qū)計算針對阻滑區(qū)對結構的阻滑荷載，淺層荷載主要適用于主滑區(qū)滑面從隧道頂部穿過的情況。

3.1.1.1 滑動區(qū)

圖5為淹沒式滑動荷載估算的簡化圖式?；瑝KHIEF作用在滑面以上，將三角塊IEJ看著一個獨立體，忽略EJ面上的摩擦力，只考慮水平力，此時破裂角β′、側壓力系數(shù)λ、滑體豎向下滑力Ev、滑體水平下滑力Eh、結構自重豎向壓強qv以及結構自重水平壓強qh為：

β′=45°-φ′2（1）

λ=tan245°-φ′2（2）

Ev=E1sin α（3）

Eh=E1cos α（4）

qv=γhi（5）

qh=λγhi（6）

根據(jù)斜長關系，可求得下切荷載垂直于隧道軸線方向的延米豎向力為：

Ev′=E1sin αsinω（7）

假定極限狀態(tài)下周邊土體給隧道的縱向阻力能夠約束隧道縱向位移，可求得下滑區(qū)垂直于隧道軸線方向延米水平力為：

Eh′=E1cos α（8）

3.1.1.2 阻滑區(qū)

取阻滑區(qū)作為隔離體進行力學分析，阻滑區(qū)受到破裂面的約束力為F2，重力為G1，結構區(qū)對阻滑區(qū)的作用力為F1，在忽略仰拱底部水平摩擦力的情況下，根據(jù)阻滑區(qū)三力平衡關系、結構區(qū)的水平力平衡關系，可得出：

F1=EHcosθ=γH2（tanδ+tanβ）sin（β+φ）2cos（φ+β+θ）（9）

結構區(qū)水平力合力EH為：

EH=E1cosα+λγ（2hi+h0）h02（10）

令：

d（F1）d（tan β）=0（11）

即可能的最大阻滑破裂角與其他參數(shù)的關系

令：

A=-sin（φ+θ）cosφ（12）

B=2cos（φ+θ）cosφ（13）

C=cos（φ+θ）（sinφ+tanδcosφ）+tanδsinφsin（φ+θ）（14）

則：

tanβ=-B±2B2-4AC2A（15）

據(jù)此，可以求出F1、θ與EH的關系值。

根據(jù)斜長關系可求得阻滑區(qū)垂直于隧道軸線方向的延米豎向力為：

F1′v=F1sin θsinω（16）

假定極限狀態(tài)下周邊土體給隧道的縱向阻力能夠約束隧道縱向位移，可求得阻滑區(qū)垂直于隧道軸線方向延米水平力為：

F1′h=EHsinω÷1sinω=EH（17）

3.1.1.3 淺層滑動荷載的計算

左洞處于滑體的下方，參照淹沒式滑動的處理方式，可以求得垂直于隧道軸線方向延米水平力Eh1′及隧道軸線方向延米豎向力Ev1′為：

Ev1′=E2sin γsinω（18）

Eh1′=E2cos γ（19）

3.1.2 非淹沒式滑動

非淹沒式滑動的淺層滑動荷載與淹沒式滑動的荷載計算方法是一致的，可參照淹沒式滑動的計算方法。下切滑動滑動區(qū)下切荷載的計算方法與淹沒式一致，但其阻滑區(qū)荷載產(chǎn)生的荷載為土體自重產(chǎn)生的側壓力。

3.1.3 載荷的分布形式

如圖6所示，淹沒式滑動荷載分布形式考慮下切荷載、阻滑荷載、巖土自重，下切荷載、阻滑荷載按照三角形分布，巖土自重水平荷載按照梯形分布在滑面以下，巖土自重豎向荷載根據(jù)地形分布。

非淹沒式的荷載分布主要考慮下切荷載、巖土自重，下切荷載按照三角形分布，巖土自重豎向力按照三角形分布在有效土體范圍內(nèi)，左側巖土自重水平力按照梯形分布在滑面以下，右側按照三角形分布在有效土體范圍內(nèi)。見圖7。

3.2 擾動滑動處治

滑坡對隧道的影響包括兩大方面，一方面為滑坡體造成隧道結構受力荷載大幅度增大；另外一方面就是滑坡體造成山體位移，使得山體對隧道結構的位移約束能力減弱。因此，針對滑坡的治理，需要解決荷載問題和位移問題。

3.2.1 荷載問題

解決荷載問題可以考慮采用三個方法：卸載、結構阻滑和加固阻滑。

3.2.1.1 卸荷

如圖8所示，卸荷方案的關鍵要點包括：（1）隧道拱頂宜保留一定厚度的土體，保留土體可以分擔卸荷施工的施工荷載，使得阻滑體的阻滑能力沒有被削弱太多，同時也利于地形的銜接；（2）卸荷坡度應結合計算分析確定，計算分析過程中需要考慮擴建施工擾動的不利影響，可采取折減相關力學參數(shù)實現(xiàn)；（3）配合卸荷的錨固措施，不宜采用錨索，可采用全粘結型錨桿；（4）因為出現(xiàn)地形突變，要做好排水工作及坡面防護。

3.2.1.2 結構阻滑

結構阻滑的本質(zhì)就是提高結構的承載能力，結構阻滑措施關鍵要點包括：（1）應提高初期支護的承載能力，使得初期支護能夠承受短期的滑體荷載；（2）需要提高二襯的承載能力，二襯要充分考慮施工期持續(xù)的加載及各種不利工況下的承載能力；（3）結構阻滑要考慮因為荷載增大造成的地基承載力不足問題，可采取微型樁、換填等方案提高地基承載能力。

3.2.1.3 加固阻滑

加固阻滑主要指對圍巖進行加固，加固的本質(zhì)就在于提高周邊圍巖對滑體的阻滑能力。針對地表埋深比較淺的段落，可采用地表注漿等措施，對于洞內(nèi)可采取全環(huán)注漿等措施。

3.2.2 位移問題

3.2.2.1 側向位移

解決側移問題通?？梢圆捎每够瑯都盎靥罘磯簝煞N辦法限制側向位移。針對側向位移的控制可采用如圖9所示的方案，一般情況下可采用C方案。各方案的特點為：（1）A方案將右線拱頂處下滑力的直接傳遞，但抗滑樁懸臂端很長且對右洞襯砌產(chǎn)生水平推力，不能從根本解決右線襯砌的側移問題；（2）B方案主要設置在山體的阻滑段，抗滑樁剛度較大，能夠給襯砌提供較大的側向約束，但抗滑樁懸臂很長且未充分利用抗滑樁右側山體的阻滑能力；（3）D方案主要設置在山體的阻滑段，其充分利用了山體的滑動能力，但對右洞襯砌結構的側向約束較弱；（4）C方案主要設置在山體的阻滑段，其能夠產(chǎn)生限制位移的作用，綜合考慮了側向約束剛度，施工的可行性，同時也能在一定程度上發(fā)揮山體的阻滑能力。

3.2.2.2 縱向位移

由于滑體與隧道斜交，滑體產(chǎn)生的水平力有沿隧道縱向的分量，有使得襯砌及周邊的巖體產(chǎn)生縱向滑動的趨勢。通常情況下可采取延長明洞或設置抗滑樁+加強洞門墻的結構形式（見圖10），其主要通過洞門墻作為擋土結構，然后將水平力傳給抗滑樁，抗滑樁再將水平力傳遞到更完整的基巖部分。

3.2.3 開挖穩(wěn)定措施

如圖11所示，為了保障施工期的穩(wěn)定，需要采取臨時支撐、超前加固以及施工控制等手段：（1）臨時支撐需要承擔襯砌拆除過程中的轉移荷載，因此可采用閉合鋼架進行內(nèi)套支撐；（2）超前加固采用洞口管棚及洞內(nèi)管棚進行加固，大管棚加固主要起到彈性地基梁的作用，通過大管棚與圍巖的協(xié)調(diào)變形，將開挖區(qū)產(chǎn)生的荷載傳遞到兩端；（3）通過施工控制達到穩(wěn)定滑體的作用，可采取控制爆破、靜態(tài)開挖、提高初支承載力、二襯緊跟等綜合措施。

通過加強支護、臨時支撐、控制縱、橫位移來抵抗山體松動對隧道的作用的技術方法已在包括改擴建在內(nèi)的項目中得到應用，施工及運營效果均較好。

4 結語

（1）與隧道軸線呈大角度相交的滑坡荷載，可選取不同的典型斷面，根據(jù)滑坡的機理，利用隧道的極限破壞模式得出滿足生產(chǎn)實踐的滑動區(qū)、阻滑區(qū)、淺層滑動的隧道荷載估算。

（2）隧道洞身滑坡的治理需要解決滑體產(chǎn)生過大荷載、滑體造成位移兩個方面的問題，可綜合采用卸荷、結構措施、加固措施等方式進行解決。

（3）施工穩(wěn)定措施需要采取臨時支撐，超前加固，開挖過程控制等多種措施。

（4）已發(fā)生滑動病害的隧道的原位擴建應確保施工期穩(wěn)定，施工過程要充分考慮滑體滑動帶來的不利影響。

參考文獻：

［1］吳紅剛，陳小云，艾 揮.隧道-滑坡斜交體系變形機理的模型試驗研究［J］.鐵道工程學報，2016，33（9）：19-23，75.

［2］趙 金，文麗娜，吳紅剛，等.隧道-洞口滑坡平行體系受力變形模式與計算方法研究［J］.現(xiàn)代隧道技術，2022，59（2）：53-61.