連拱隧道洞口仰坡開裂成因分析及處治措施研究

摘要 連拱隧道洞口開挖范圍較大，對(duì)山體擾動(dòng)較大，在降雨等誘因共同作用下易引起仰坡開裂等災(zāi)害。文章通過對(duì)某高速公路連拱隧道洞口仰坡開裂的成因進(jìn)行綜合分析，結(jié)合地表下沉監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與補(bǔ)勘地質(zhì)資料判斷山體的開裂滑塌類型，針對(duì)性地提出了洞口反壓回填、封閉裂縫、引排匯水、打設(shè)鋼管樁、設(shè)置抗滑樁板墻等臨時(shí)措施與永久措施相結(jié)合的綜合處治方案，并結(jié)合隧道施工監(jiān)控量測(cè)和洞口仰坡長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了處治方案的合理性，驗(yàn)證了其處治效果。

關(guān)鍵詞 連拱隧道；洞口仰坡開裂；成因分析；處治措施

中圖分類號(hào) U457.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）24-0121-06

0 引言

隨著高速公路網(wǎng)的不斷推進(jìn)和完善，目前高速公路建設(shè)已從人口稠密的平原微丘地區(qū)向地形復(fù)雜的山嶺重丘地區(qū)發(fā)展，且后續(xù)實(shí)施的各并行線、支線、連接線大部分將穿越山區(qū)復(fù)雜地質(zhì)。受山區(qū)地形地質(zhì)條件制約，以及路線選線時(shí)平縱技術(shù)指標(biāo)的限制，同時(shí)現(xiàn)階段生態(tài)環(huán)保要求高、建設(shè)用地政策控制要求嚴(yán)，在分離式隧道難以滿足上述要求的前提下，連拱隧道方案的應(yīng)用價(jià)值將更加突顯。但是連拱隧道也存在洞口普遍偏壓、洞口開挖范圍大、施工工序多、臨時(shí)支護(hù)多、作業(yè)空間狹小、施工效率低等特點(diǎn)，特別是洞口普遍偏壓、開挖范圍大的不利因素極易在施工過程中引起隧道洞口仰坡開裂、失穩(wěn)、滑塌等災(zāi)害。因此，全面準(zhǔn)確地分析洞口仰坡開裂等災(zāi)害的成因，針對(duì)性地采取切實(shí)有效的處治措施，降低施工、運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)顯得尤為重要[1]。

現(xiàn)以某高速公路連拱隧道洞口仰坡開裂及處治過程為案例，分析病害原因，判斷開裂滑塌類型，提出綜合處治方案，通過隧道施工監(jiān)控量測(cè)和洞口仰坡長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證其處治效果，總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，為其他類似連拱隧道洞口的安全施工提供有益借鑒和參考。

1 工程背景

某高速公路隧道為雙向四車道的連拱隧道，起止樁號(hào)為K129+914～K130+252，長(zhǎng)338 m，進(jìn)口端洞門采用端墻式，明洞長(zhǎng)14 m，出口端洞門采用直削式，明洞長(zhǎng)12 m。隧道最大埋深約104 m，第四系覆蓋層較厚，山體植被茂密，以竹子、松樹及灌木等為主。

隧址區(qū)地處中低山區(qū)，根據(jù)地貌形態(tài)，結(jié)合標(biāo)高、切割深度，隧址區(qū)微地貌單元為侵蝕高起伏低山（Ⅲ2）。隧道沿線地形起伏大，總體中間高、兩頭低，所在山體地面標(biāo)高為169.60～302.70 m。出洞口位于斜坡地形上，斜坡坡向約276°，自然坡角約32°，表層為覆蓋層（碎石），底部巖性為強(qiáng)-中風(fēng)化安山巖，巖體破碎，巖層面與進(jìn)洞口仰坡坡面傾向斜交，兩組節(jié)理切割巖體呈塊狀，在降雨等外界因素共同作用下，易產(chǎn)生小規(guī)模崩塌。進(jìn)出洞口及隧道洞身全線范圍內(nèi)的圍巖級(jí)別均為Ⅴ級(jí)。

隧址區(qū)地下水主要為基巖裂隙水，賦存在風(fēng)化裂隙及構(gòu)造裂隙中。大氣降雨是區(qū)內(nèi)地下水的唯一補(bǔ)給來(lái)源，雨水多沿基巖表面的裂隙下滲，一部分沿潛水面運(yùn)移到溪溝中，并以下降泉方式排泄；一部分則沿?cái)嗔堰\(yùn)移到深部?jī)?chǔ)水構(gòu)造中或側(cè)向補(bǔ)給孔隙水。隧道總涌水量為165.53 m3/d。

該連拱隧道暗洞采用新奧法施工，施工步驟如下：中導(dǎo)洞開挖支護(hù)—中隔墻施工—主洞開挖初支—仰拱施工—主洞二次襯砌。施工方案中已提出連拱隧道跨度大、開挖斷面大、洞口均處于Ⅴ級(jí)圍巖淺埋段、施工難度大等施工重難點(diǎn)，并制定了以下應(yīng)對(duì)措施：

（1）洞口邊仰坡施工采用從上至下、分層開挖、及時(shí)支護(hù)，若存在偏壓段應(yīng)優(yōu)先施作偏壓擋墻，進(jìn)洞采用C30混凝土型鋼套拱+Ф108管棚注漿，中導(dǎo)洞采用超前Ф42小導(dǎo)管注漿，通過鋼管向圍巖壓注水泥漿以加固圍巖，同時(shí)加強(qiáng)洞口段的地表監(jiān)控量測(cè)預(yù)警，預(yù)防洞口坍塌風(fēng)險(xiǎn)。

（2）雨季前完善排水系統(tǒng)，施工現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)備足夠能力的排水設(shè)備，加強(qiáng)洞口排水。

（3）洞口段開挖采取預(yù)留核心土分層切塊開挖法，采用機(jī)械+人工開挖，減少圍巖擾動(dòng)，待進(jìn)入洞內(nèi)后及早完成洞口段初期支護(hù)的封閉成環(huán)。

（4）安排專業(yè)人員進(jìn)行施工過程中的監(jiān)控量測(cè)工作，根據(jù)位移管理等級(jí)確定施工狀態(tài)，及時(shí)聯(lián)系施工方，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及超前預(yù)報(bào)監(jiān)控量測(cè)資料做好開挖支護(hù)工序的調(diào)整，必要時(shí)可增加臨時(shí)仰拱支護(hù)或加強(qiáng)鎖腳錨固措施，控制隧道沉降變形。

2 洞口仰坡開裂情況及原因分析

2023年6月10日～11日，進(jìn)行出洞口仰坡開挖。6月23日～24日，進(jìn)行洞口仰坡錨噴支護(hù)施工。7月24日～8月6日，進(jìn)行洞口管棚施工。8月19日，進(jìn)行中導(dǎo)洞開挖。8月21日，發(fā)現(xiàn)抱兒山隧道出口端左洞上方仰坡出現(xiàn)裂縫、截水溝開裂。8月24日，踏勘發(fā)現(xiàn)用地紅線外山體地表出現(xiàn)裂縫，裂縫近似平行于左洞左側(cè)沖溝（如圖1～2所示），樁號(hào)范圍為K130+152～K130+204。8月25日，建設(shè)單位要求施工單位立即暫停中導(dǎo)洞開挖，對(duì)左洞洞口進(jìn)行堆載反壓，封閉山體地表裂縫，對(duì)仰坡進(jìn)行注漿加固等應(yīng)急處置措施，及時(shí)撤離人員和設(shè)備，并要求加強(qiáng)洞口仰坡及套拱的變形和位移監(jiān)測(cè)，以及地表裂縫的觀測(cè)。同時(shí)，為制定合理的處治方案，決定對(duì)洞口進(jìn)

行補(bǔ)勘。

9月11日～13日，受連續(xù)降雨影響，經(jīng)封閉處理后的山體地表裂縫出現(xiàn)變形（如圖3所示），左洞上方仰坡裂縫發(fā)展，套拱和左洞上方仰坡出現(xiàn)開裂，截至9月26日洞頂沉降觀測(cè)點(diǎn)的最大沉降累計(jì)值為120.6 mm。地表裂縫范圍未見擴(kuò)大跡象。

結(jié)合洞口仰坡開裂發(fā)展情況、現(xiàn)場(chǎng)查勘情況、地質(zhì)補(bǔ)勘結(jié)果及其他資料綜合分析，產(chǎn)生洞口仰坡開裂的原因主要有以下三個(gè)方面：

（1）降雨影響。降雨是誘發(fā)崩塌、滑塌等的外在主要因素[2-3]。隧道出口位于斜坡地層，左側(cè)發(fā)育沖溝，降雨后極易形成匯水通道，隧道出洞口邊仰坡防護(hù)及中導(dǎo)洞開挖期間，正值江淮梅雨季節(jié)，曾有過兩次較長(zhǎng)時(shí)間降雨，降雨強(qiáng)度較大，出洞口山體表層為碎石土，中風(fēng)化巖層較破碎，且下部夾斷層破碎帶，透水性強(qiáng)，降雨下滲后順風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙等匯集、運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度下降，易產(chǎn)生崩塌[4]。從隧道開挖期間出洞口地表出現(xiàn)裂縫及降雨后地表裂縫出現(xiàn)的變形情況來(lái)看，洞口土體穩(wěn)定性受降雨影響較大。

（2）地質(zhì)原因。出洞口位于斜坡地形，斜坡坡向約276°，自然坡角約32°，自然狀態(tài)下出洞口整體較穩(wěn)定。出洞口表層為覆蓋層（碎石），底部巖性為強(qiáng)-中風(fēng)化安山巖，巖面產(chǎn)狀為5°∠36°，巖體破碎，發(fā)育兩組節(jié)理，分別為J1：235°∠74°，主要充填物為泥質(zhì)，張開度為1～4 mm，較光滑，延長(zhǎng)2.10 m，結(jié)合度較差；J2：166°∠80°，主要充填物為泥質(zhì)，張開度為1～3 mm，較光滑，延長(zhǎng)2.70 m，結(jié)合程度差。從赤平投影圖可知，巖層面與仰坡坡面傾向斜交；節(jié)理J1、J2與仰坡面呈大角度斜交。該山坡巖性為安山巖，巖體破碎，但巖層面與進(jìn)洞口仰坡坡面傾向斜交，兩組節(jié)理切割巖體呈塊狀，在降雨等外界因素共同作用下，易產(chǎn)生小規(guī)模崩塌。結(jié)合地質(zhì)補(bǔ)勘結(jié)果，隧道出洞口處地形較陡，洞口位于斜坡地層，表層碎石土層較厚，下部中風(fēng)化巖層夾一層斷層破碎帶，破碎帶層較厚，巖層面與仰坡坡面傾向斜交，節(jié)理裂隙發(fā)育，在洞口開挖施工過程中，地表土體在不利節(jié)理切割、重力、降雨、施工擾動(dòng)等因素影響下，容易產(chǎn)生裂縫、變形甚至崩塌。

（3）施工原因。洞口一次開挖刷坡范圍較大，仰坡局部刷坡較高，左洞開挖切削坡腳，導(dǎo)致一次對(duì)山體卸載量較大，坡面形成卸荷臨空面[5]，在坡頂附近產(chǎn)生一系列拉張裂縫，加之施工期間降雨頻繁，雨水沿裂縫往山體低洼處排泄，軟化和潤(rùn)滑巖土體，使裂縫進(jìn)一步增大。因隧道出口處切坡卸載，導(dǎo)致錯(cuò)動(dòng)的土體對(duì)隧道出口的仰坡面也產(chǎn)生一定擠壓。該斜坡裂縫后緣主拉裂縫貫通，正在發(fā)育中，外側(cè)下錯(cuò)，并向兩側(cè)延長(zhǎng)。前緣先出現(xiàn)平行滑動(dòng)方向的放射狀裂縫，再出現(xiàn)垂直滑動(dòng)方向的鼓脹裂縫，因及時(shí)對(duì)隧道出口段進(jìn)行填土反壓，未出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。從地表裂縫情況來(lái)看，出口左側(cè)斜坡，在平面分布與隧道開挖的關(guān)系比較密切。裂縫的縱向發(fā)育與隧道的左側(cè)沖溝基本一致。裂縫邊緣位于隧道左出洞口正上方約35 m的位置，沿山脊線向沖溝處縱深。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查，裂縫的上下兩側(cè)呈現(xiàn)明顯的地形變化，裂縫上部往山體頂部延伸段，山勢(shì)變陡，基巖出露，基本無(wú)松散覆蓋層，施工單位巡查時(shí)也未發(fā)現(xiàn)其他明顯的裂縫；裂縫下部往沖溝及隧道出口延伸段，山勢(shì)較山體上部略緩，覆蓋層厚度很大，裂縫發(fā)育。

3 處治措施

綜合現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況，結(jié)合補(bǔ)勘資料、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測(cè)資料，為減小斜坡裂縫對(duì)隧道施工及運(yùn)營(yíng)安全的影響，提出以下處治方案：

（1）洞口反壓

對(duì)隧道出口段左右洞進(jìn)行反壓回填[6]，增加回填范圍，分級(jí)夯實(shí)，確保洞口段坡體穩(wěn)定后，先施工中導(dǎo)洞，再施工明洞。

（2）打設(shè)鋼管樁

沿左洞左側(cè)山體打設(shè)φ108 mm鋼管樁，樁長(zhǎng)20～30 m，樁距1.5 m，鋼管樁設(shè)置3排，呈梅花形布設(shè)，內(nèi)設(shè)鋼筋籠，樁頂設(shè)置鋼筋混凝土冠梁，提高鋼管樁加固效果，鋼管樁深入完整基巖的深度不小于6 m，不大于三分之一的樁長(zhǎng)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

（3）設(shè)置抗滑樁板墻

在左洞洞口左側(cè)設(shè)置抗滑樁板墻，對(duì)上方滑動(dòng)土體進(jìn)行支擋，避免對(duì)洞口施工和運(yùn)營(yíng)安全產(chǎn)生影響[7-8]?？够瑯稑稄?.5 m，樁長(zhǎng)15 m，間距4.75 m，進(jìn)行隔樁跳打。

（4）直削式洞門調(diào)整為端墻式

將出口端原設(shè)計(jì)的直削式洞門調(diào)整為端墻式洞門，洞門墻采用2 m厚的C25鋼筋混凝土，對(duì)洞口結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理，并對(duì)明洞拱背進(jìn)行反壓回填，保證洞門結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

（5）中導(dǎo)洞增設(shè)仰拱

隧道出口端中導(dǎo)洞初期支護(hù)增設(shè)仰拱，及時(shí)封閉成環(huán)，提高中導(dǎo)洞開挖初期支護(hù)的整體穩(wěn)定性，確保施工期間安全。

（6）封閉裂縫、引排地表水和地下水

對(duì)地表裂縫進(jìn)行夯實(shí)、封閉處理；對(duì)洞口左側(cè)沖溝進(jìn)行改溝處理，將沖溝內(nèi)匯水引排至路塹坡頂?shù)慕厮疁希欢纯谘銎旅嬖鲈O(shè)仰斜排水孔，及時(shí)引排地下水，防止山體下滲雨水滯留在仰坡內(nèi)[9]。

4 處治效果觀測(cè)分析

隧道出口地表沉降測(cè)點(diǎn)布置了2個(gè)斷面，分別為K130+229（8個(gè)測(cè)點(diǎn)）和K130+224（10個(gè)測(cè)點(diǎn)），后又陸續(xù)新增部分測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置圖如圖4所示。洞內(nèi)拱頂下沉及周邊位移測(cè)點(diǎn)布置圖如圖5所示。為保障后期施工及運(yùn)營(yíng)安全，能夠?qū)ρ銎伦冃巫龅郊皶r(shí)預(yù)警，建設(shè)單位另外增加了北斗GNSS長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)置了4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，布置圖如圖6所示。

通過對(duì)洞口地表沉降、中導(dǎo)洞拱頂下沉、周邊位移及北斗GNSS長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證綜合處治措施的效果。

（1）隧道出口地表沉降數(shù)據(jù)分析

以K130+229斷面的8個(gè)測(cè)點(diǎn)為例進(jìn)行分析，左洞上方D1、D2、D3測(cè)點(diǎn)在2023年9月13日左右沉降量急劇加大，與9月11日～13日連續(xù)降雨過后裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大相對(duì)應(yīng)（如圖7所示）。停止中導(dǎo)洞開挖，左右洞口全部反壓回填后沉降速率逐漸放緩。在增加反壓回填范圍、山體逐漸趨于穩(wěn)定的情況下，為加快施工進(jìn)度，避免耽誤工期，經(jīng)專家綜合分析研判，于11月9日在鋼管樁及抗滑樁板墻同步施工的同時(shí)開始中導(dǎo)洞的掘進(jìn)，掘進(jìn)后D1、D2、D3測(cè)點(diǎn)的沉降量有所增大，但仍處于Ⅲ級(jí)位移管理等級(jí)，在可控范圍內(nèi)（如圖8所示）。

（2）中導(dǎo)洞拱頂下沉、周邊位移數(shù)據(jù)分析

以K130+252.2斷面拱頂下沉及上下臺(tái)階周邊位移為例進(jìn)行分析，中導(dǎo)洞掘進(jìn)支護(hù)后的一個(gè)月時(shí)間內(nèi)，拱頂下沉和周邊位移逐漸緩慢擴(kuò)大，變形速率在可控范圍內(nèi)，一個(gè)月后基本收斂（如圖9～10所示），表明周邊圍巖應(yīng)力重分布已基本完成，圍巖已基本穩(wěn)定。2024年3月31日，中導(dǎo)洞貫通，在貫通過程中地表無(wú)進(jìn)一步塌陷，已支護(hù)段無(wú)開裂，鋼拱架無(wú)壓屈現(xiàn)象，表明在洞口反壓回填穩(wěn)固山體的情況下，進(jìn)行的中導(dǎo)洞施工受仰坡開裂滑塌影響較小，風(fēng)險(xiǎn)基本可控[10]。

（3）北斗GNSS長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

北斗GNSS長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)于2024年4月2日建設(shè)完成并開始監(jiān)測(cè)，截至4月23日，GNSS-1號(hào)北斗監(jiān)測(cè)站平面方向累計(jì)位移為9.43 mm，垂直方向累計(jì)位移為14.61 mm，該測(cè)站高程有抬升趨勢(shì)，推測(cè)原因?yàn)楹缶墡r土體變形擠壓至鋼管樁支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)導(dǎo)致該區(qū)域向上隆起；GNSS-2號(hào)北斗監(jiān)測(cè)站平面方向累計(jì)位移為1.60 mm，垂直方向累計(jì)位移為-4.07 mm；GNSS-3號(hào)北斗監(jiān)測(cè)站平面方向累計(jì)位移為3.03 mm，垂直方向累計(jì)位移為2.40 mm；GNSS-4號(hào)北斗監(jiān)測(cè)站平面方向累計(jì)位移為1.50 mm，垂直方向累計(jì)位移為6.03 mm；仰坡整體基本穩(wěn)定，未發(fā)出預(yù)警。

上述數(shù)據(jù)分析均表明綜合處治措施對(duì)山體開裂滑塌病害起到了較好的控制作用，有效保障了后續(xù)施工的運(yùn)營(yíng)安全，形成了一套較為成熟的洞口仰坡開裂滑塌病害的處治方案。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)補(bǔ)勘結(jié)果可判定隧道左洞左側(cè)仰坡為典型堆積體，下伏強(qiáng)-中風(fēng)化安山巖較為破碎，加之此次連拱隧道洞口一次開挖的范圍大，特別是左側(cè)山體卸載量較大產(chǎn)生臨空面，堆積體在坡頂產(chǎn)生牽引裂縫，又正逢連續(xù)降雨，雨水沿裂縫深入山體，潤(rùn)滑了滑動(dòng)面，導(dǎo)致裂縫進(jìn)一步加大，堆積體向洞口及沖溝方向下錯(cuò)滑動(dòng)，擠壓洞口。因此，在洞口不良地質(zhì)情況下連拱隧道洞口開挖應(yīng)盡量避免一次大范圍開挖，宜首先局部開挖中導(dǎo)洞洞口部分，工期安排上應(yīng)盡量避開雨季并做好洞口周圍地表水、地下水的導(dǎo)排措施。

（2）在隧道洞口山體發(fā)生開裂滑移等情況時(shí)，應(yīng)立即在開挖面處采取回填反壓等臨時(shí)措施，同時(shí)封閉裂縫，以最快速、經(jīng)濟(jì)、合理的應(yīng)急措施防止山體位移進(jìn)一步加大，待險(xiǎn)情得到一定控制后再根據(jù)滑塌類型進(jìn)行針對(duì)性處治。該文所述隧道洞口仰坡開裂為典型的堆積體牽引裂縫，因此采取鋼管樁“護(hù)腰”及抗滑樁板墻“固腳”的永久處治措施，同時(shí)為進(jìn)一步保障施工和運(yùn)營(yíng)安全，在隧道出口端中導(dǎo)洞增設(shè)仰拱，并將直削式洞門調(diào)整為端墻式。

（3）現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的裂縫發(fā)展情況、洞口地表下沉、中導(dǎo)洞拱頂下沉、中導(dǎo)洞周邊位移等監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，以及北斗GNSS長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)表明，一系列綜合處治措施實(shí)施后，洞口仰坡山體已趨于穩(wěn)定，仰坡滑塌風(fēng)險(xiǎn)得到了有效控制，在中導(dǎo)洞及中隔墻施工完成后可進(jìn)行主洞開挖。主洞開挖期間仍應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，根據(jù)仰坡位移及洞內(nèi)圍巖變形情況及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整開挖方式及支護(hù)類型。

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