软弱地层桥隧相连隧道洞口滑塌综合处治技术研究.pdf

第 卷，第 期年 月公路工程 ，：收稿日期 基金项目国家自然科学基金项目（）作者简介王木群（），男，高级工程师，硕士，主要从事隧道与地下工程设计研究相关工作。引文格式王木群，王海林，傅鹤林 软弱地层桥隧相连隧道洞口滑塌综合处治技术研究 公路工程，（）：，（）：软弱地层桥隧相连隧道洞口滑塌综合处治技术研究王木群，王海林，傅鹤林（湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙 ；中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 ）摘要为解决软弱地层桥隧相连隧道洞口滑塌的问题，以湖南省官新高速公路向家隧道为工程实例，分析了滑塌的原因和危害，结合规范和数值模拟、现场监测技术，采用工程类比法，通过对该隧道洞口滑塌处治技术进行综合研究，结果表明：采用陡坡比削坡卸载 明洞结构、明暗交界处设置桩式套拱结构、抗滑桩顶部设置 空桩和较宽的锁口、人工挖孔滑裂面以上松散土体采用 袖阀管注浆加固、仰坡之间设置较宽的反压缓冲平台、洞口设置抗滑桩和端墙式洞门等关键技术通过滑塌段，可以确保施工安全和后期桥梁运营安全；建立了有限元数值模型，仿真分析了设计方案可行性，在施工过程中现场监测数据验证了方案的合理可行性；设计施工案例，可供同类隧道参考。关键词软弱地层；桥隧相连；洞口滑塌；处治 中图分类号 文献标志码 文章编号 （），（，；，），：，；，；第 期王木群，等：软弱地层桥隧相连隧道洞口滑塌综合处治技术研究 引言当今，隧道洞口经常发生滑坡垮塌现象，李洋溢等 对大跨度隧道洞口滑塌形成机制进行了分析，采用卸载 锚拉抗滑桩的方式对滑塌进行处治；张运良等 以太真隧道工程为例，采用清除坍塌体 抗滑桩、锚杆加固与反压回填的措施对隧道边仰坡滑塌处治进行了研究；潘格林等 对某大断面隧道穿越滑坡体施工技术进行了研究，针对滑坡体滑动面横穿大断面隧道洞身的特点，分别采用了双侧壁导坑法和七步台阶法等暗挖方式通过滑坡段；高岩等 以重庆奉溪高速公路杨家湾隧道为例，通过试验现象分析得到在降雨入渗作用下，坡体灾变演化过程为坡顶张拉 坡中蠕动滑移 坡脚局部牵引破坏。从国内大量研究成果来看，通常采用局部清方的暗挖、大面积卸载的明挖等方式通过滑塌段，但是当隧道洞口为桥梁时，需要特别慎重考虑滑塌处治的方式。局部清方的暗挖法即山体基本不进行清除，洞外采用锚索框架梁对山体进行加固、洞内采用可靠的支护结构通过滑塌段；大量的工程实例表明，即使采用了强大的加固支护措施，暗挖法依然存在着一定的施工安全隐患，且造价过高，在后期运营过程中山体仍旧存在着滑动的可能，容易对前方桥台造成巨大安全隐患；大面积卸载的明挖法采用较缓的坡比（通常不缓于 ）对滑塌体进行清除，隧道采用较长的明洞结构、坡体采用喷锚进行防护，该方案最大的问题就是对山体破坏太大、边仰坡过高，后期存在着一定的安全隐患，对前方桥梁运营也十分不利。针对桥隧相连隧道洞口滑坡垮塌处治方案，如何保证施工安全和后期桥梁运营安全是当下必须要解决的问题。本文以官新高速公路向家隧道为工程实例，对软弱地层桥隧相连隧道洞口滑塌处治进行了研究。工程概况 设计和施工情况向家隧道长度分别为左洞 、右洞 ，起讫桩号左洞 、右洞 。隧道出口紧接向家大桥 桥台（桥 台 末 端 桩 号 分 别 为 、），属于桥隧相接形式，隧道出洞口段为碎石和强 中风化板岩夹变质砂岩，岩层发育顺坡向，且岩体破碎。截止至 年 月 日，向家隧道出口边仰坡防护均以施作完毕，明洞未施作；左洞二衬施作桩号为 ，开挖掌子面桩号为 ，剩余 未开挖；右洞已经贯通，二衬施作至 ，尚有 二衬未施作。施工方发现右洞已经施作的初支拱顶和拱腰出现不规则裂纹，有轻微脱落、掉块，同时观测左洞出口端已掘进的 上导坑初支也出现裂纹；下午右洞初支有拱架有外露，裂纹持续发展扩大 。至 日下午右洞拱顶下沉量达到 ，初支裂纹宽度增大，最大的达 ，山体在 、位置裂缝横向弧形延展近 ，裂缝最宽处达到 以上，裂缝处坡体出现下沉错台，错台高度最大达到 ，见图 、图 。图 裂缝分布图 图 地表裂缝 滑塌情况和地质补勘 年 月 日上午，向家隧道出口山体发生滑移，局 部 发 生 坍 塌，坍 塌 后 缘 对 应 桩 号 为 、，见图 ，右洞 未施作二衬段整体垮塌，滑塌和隧道施作情况公路工程 卷纵断面见图 、图 ，坍塌现场情况见图 。根据地质补勘钻孔探测，滑裂面在右洞 附近，如图 所示。围岩从上而下依次为碎石、强风化板岩、中风化板岩，稳定性差。图 左线洞口 图 右线洞口 滑塌原因分析隧道洞口围岩以碎石和强风化板岩为主，强风化板岩节理裂隙发育，便于大气降水的下渗。隧道出口和向家大桥起点桥台施工开挖下部卸载，表层碎石层被挖除，下部强风化板岩出露，由于下边坡开挖卸载形成临空面，对于上部土压力临空面形成应力集中区，牵引上部坡体形成蠕动变形，加上勘图 垮塌情况 图 推测滑裂面 察区所在的安化县古楼乡属湖南省暴雨中心，坡体浅层发育岩土体以碎石和强风化板岩为主，隔水性能较弱，大量地表水渗入坡体，坡体土层自身黏聚力急剧下降，上部坡体产生持续变形，进而于坡顶后缘形成拉张裂缝，在坍塌舌附近形成剪切裂缝，同时，降水顺后缘裂缝和坡面裂缝进行下渗，导致坍塌带附近岩土层抗剪强度急剧降低，沿滑动带产生较大滑移（滑移深度扩展至路面标高以下，影响向家大桥桥台稳定）；连续降雨致使坡体中地下水位升高，增加了坡体的水压力，故裂隙水受重力作用向坡脚渗流，由于泥质含量较高的强风化板岩本身物理力学性质较差，导致抗剪强度大幅降低，使其又产生局部坍塌。实际上，现场滑塌体分为强烈变形区和蠕动变形区，强烈变形区位于隧道出口边仰坡区域，该段坡体变形强烈，已经垮塌至桥台施工平台区域；蠕动变形区位于强烈变形区后侧，根据监控量测数据反映，蠕动变形区与坍塌后缘之间裂缝最大水平位移达 ，错台最大高差约 ，如不及时处治，坍塌后缘会继续往路线大里程方向移动，滑体深度会继续加深，坍塌剪出口会进一步下移，进而对向家大桥 桥台和 墩的稳定第 期王木群，等：软弱地层桥隧相连隧道洞口滑塌综合处治技术研究性带来更大影响。滑塌处治方案设计通过对大量工程滑塌处治的研究分析可知，通常采用局部清方的暗挖、大面积卸载的明挖等方式通过滑塌段。不过，局部清方的暗挖法虽然可采用锚索框架梁对坡体进行加固（见图 ）、在洞内设置强大的支护系统，但依然存在着一定的施工安全隐患，后期运营过程中山体仍旧存在着滑动的可能，也容易对前方桥台造成巨大的威胁；而大面积卸载的明挖法设置的坡比过缓，对山体破坏太大且边仰坡过高，后期存在着一定的安全隐患，对前方桥梁运营不利。本文采用陡坡比削坡卸载 明洞方式通过滑塌段，采用了明暗交界处设置桩式套拱结构、抗滑桩顶部设置 空桩和较宽的锁口、人工挖孔滑裂面以上松散土体采用 袖阀管注浆加固、仰坡之间设置较宽的反压缓冲平台、洞口设置抗滑桩和端墙式洞门等关键技术，确保施工安全和后期桥梁运营安全。考虑到洞口为小净距隧道，为了减少左右线之间的相互影响、便于施工，左右线明暗交界位置、洞口位置均设置在同一横断面上（见图），同时为了确保仰坡下部有足够的缓冲平台宽度，右洞明暗交界桩号设置为 ，左洞明暗交界桩号设置为 ；左洞洞门桩号维持原设计 ，右洞洞门桩号设置为 ，明洞均设置为 ，能有效地起到落石缓冲和抵抗山体下滑的作用。图 坡体加固 桩式套拱隧道明暗交界处采用截面尺寸为 、长 的抗滑桩，嵌入推测滑裂面不小于 ，图 洞口布置 桩与套拱通过钢筋进行连接，从而形成一整体，共同抵抗山体围岩推力，能有效阻止山体下滑和垮塌，同时又能防止套拱管棚的下沉和滑移，增强了超前管棚施作效果，见图 。抗滑桩桩顶标高为 ，桩底标高为 。由于右洞明暗交界位置调整为 ，剩余垮塌 暗洞需重新开挖，因此右洞设置 管棚（穿过滑裂面 ）；左洞明暗交界位置为 ，左洞设置 管棚（级围岩暗洞段落还剩 ）。仰坡防护型式为了减少开挖，采用 、陡坡比对山体进行清方卸载（永久性坡比不宜陡于 ），滑裂面以上松散体不全部进行清除，在确保满 足 安 全 性、经 济 性 的 前 提 下 坡 体 采 用 锚 杆（管）从上而下分级进行防护，而稳定仰坡下部坡脚尤为重要。考虑到上部第 级 第 级仰坡预留松散体不多，采用 长的 砂浆锚杆防护即可，穿过滑裂面的长度不小于 ，平台宽度；而下部第 级仰坡采用 长 注浆小导管进行加固（穿过滑裂面的长度不小于），防止仰坡下部土体失稳，进而保证仰坡整体稳定。另外，第 级与第 级仰坡之间设置 宽平台，第 级与第 级仰坡之间设置 宽平台，起到反压缓冲作用，平台宽度可以根据现场实际情况进行调整。仰坡设 泄水孔，长 ，间距 ，弱化降雨对坡体的影响，见图 。空桩和锁口设计为了更有助于仰坡稳定，采用“先利用抗滑公路工程 卷图 桩式套拱 图 仰坡防护设计 桩抵抗山体推力、后卸载”的理念，在明暗交界抗滑桩上部设置 空桩，保持实际桩长不变，空桩和抗滑桩施作完成之后，再进行第 级仰坡卸载开挖。空桩顶部设置 大锁口，更好地提供了施工作业平台和确保孔口稳定；另外为了人工挖孔安全，滑裂面以上松散土体采用 袖阀管注浆加固，间距 ，袖阀管穿过滑裂面的距离不小于 ，见图 。洞门型式和洞口预加固处治采用端墙式洞门，并在洞口设置 根 、长 的抗滑桩，嵌入推测滑裂面不小于 。抗滑桩距隧道开挖轮廓线距离 ，桩顶标高 ，桩底标高 ，与端墙式洞门形成一整体，共同抵抗洞门墙后背明洞回填土石和山体土压力，见图 。施工工序 做好地表排水措施，按设计要求清除部图 空桩和袖阀管加固 分土石，并施作坡体防护。清除部分土石，并施作坡体防护。明暗交界处抗滑桩锁口位置进行袖阀管注浆加固，施作锁口，人工挖孔并施作护壁（含 空桩），施作明暗交界位置抗滑桩。清除部分土石，并施作坡体防护，施作洞口位置抗滑桩。清除部分土石，施作套拱、管棚。施作洞口明洞、洞门墙，明洞 反压回 填，暗洞开挖。见图 。数值模拟对处治方案进行有限元数值计算，模型尺寸为第 期王木群，等：软弱地层桥隧相连隧道洞口滑塌综合处治技术研究图 端墙式洞门 图 施工工序图 （长 宽 高），模型见图 。主要材料参数见表 。边界条件：左右边界固定、前后边界固定，底面固定。图 模型 表 材料参数表 类别单元类型本构关系弹性模量 黏聚力 摩擦角 （）泊松比 容重 （）注浆加固体实体单元摩尔库伦 松散土石实体单元摩尔库伦 强风化板岩实体单元摩尔库伦 初期支护实体单元弹性 锚杆结构单元弹性 二次衬砌结构单元弹性 桩实体单元弹性 通过计算，地表水平位移和抗滑桩位移分别见图 、图 。为了更好地展示仰坡位移，选取各级仰坡平台中间节点进行分析，从图 中可以看出，仰坡平台 水 平 位 移 从 上 而 下 依 次 为 、，呈递减趋势，位移不大，证明坡体加固措施和预留较宽的反压缓冲平台效果明显，仰坡位移在安全可控范围之内；从图 中可以看出，抗滑桩起到了抵抗山体下滑的作用，由于进行了卸载，再加上坡体采取了有效的防塌措施，残余的下滑力有限，因此抗滑桩整体位移不大，明暗交界位置 桩 顶 水 平 位 移 要 比 洞 门 位 置 稍 大，为 ，而洞门抗滑桩桩顶水平位移为 ，均在安全可控范围之内。整体上，从坡顶平台依次往下，到明暗交界位置抗滑桩、洞门位置抗滑桩，水平位移在递减，且位移均不大，再次说明滑塌综合处治有效可靠，能确保隧道施工安全和前方桥梁运营安全。公路工程 卷图 地表位移 图 抗滑桩位移 监控量测该滑坡为牵引式滑坡，主要为表层覆盖层和强风化板岩组成，在强降雨作用下，仰坡岩土体黏聚力急剧下降，造成仰坡失稳，采用以地表位移、抗滑桩位移监测为主，裂缝监测、降雨量监测和桥墩建构筑物倾斜监测为辅的方式，本文只探讨地表位移和抗滑桩位移监测内容。地表位移通过在各级平台上设置北斗监测点进行监测，北斗监测方法不受气候条件的限制，能在台风、大雾、暴风雨等恶劣天气条件下全天候进行工作，且自动化程度高，能够进行实时动态监测；由于抗滑桩桩顶覆土厚度 ，不宜采用北斗监测点，在桩内部安装测斜管，在测斜管不同深度布设测斜仪探头，达到采集抗滑桩位移的目的，本文只探讨桩顶位移。从上而下，依次布置 个水平位移监测点，其中 为北斗监测点，布置在仰坡各级平台中间，为右洞左侧明暗交界和洞门位置抗滑桩桩顶测斜仪探头监测点，见图 。监测点的水平位移如图 所示。图 监测点布置 图 监测点水平位移 从图 可以看出，各监测点随着时间推移，位移均在逐渐增大，最终于 年 月 日趋于稳定，监测点从上而下，最终水平位移分别为 、，未见明显位移变化，该监测点与其附近坡体基本稳定，施工过程中的实际监测结果与数值模拟结果接近，验证了数值模拟的合理性，进一步表明了所采取的滑塌处治方案合理有效。第 期王木群，等：软弱地层桥隧相连隧道洞口滑塌综合处治技术研究 结论本文为了解决软弱地层桥隧相连隧道洞口滑塌的问题，以湖南省官新高速公路向家隧道为工程实例，采用了陡坡比削坡卸载 明洞方式、明暗交界处设置桩式套拱结构、仰坡之间设置较宽的反压缓冲平台、洞口设置抗滑桩等关键技术通过滑塌段，结论如下：明暗交界处设置桩式套拱结构，共同抵抗山体围岩推力，能有效阻止山体下滑和垮塌，同时又能防止套拱管棚的下沉和滑移，增强了超前管棚施作效果，确保施工安全和后期桥梁运营安全；采用端墙式洞门，并在洞口设置抗滑桩，与端墙式洞门形成一整体，共同抵抗端墙式洞门后背明洞回填土石和山体压力，也对隧道洞口前方桥台起到了进一步保护的作用。采用了 、陡坡比对山体进行卸载，在确保满足安全性、经济性的前提下对仰坡上部（级）和下部（级）土体分别采用了 砂浆锚杆、注浆小导管进行加固，减少了开挖且确保了仰坡下部坡脚稳定乃至整个仰坡的稳定。同时在第 至第 级、第 至第 级仰坡之间分别设置 、宽平台，起到反压缓冲作用，进一步确保了卸载开挖之后仰坡的稳定；仰坡坡面设置 长泄水孔，加强坡体排水，弱化降雨对坡体的影响。采用了“先利用抗滑桩抵抗山体推力、后卸载”的思路，在明暗交界抗滑桩上部设置 空桩，保持桩长不变，空桩和抗滑桩施作完成之后，再进行第 级边仰坡卸载开挖，更有助于仰坡坡脚的稳定。在空桩顶部设置 大锁口，人工挖孔滑裂面以上松散体采用 袖阀管注浆加固，提供了较宽的施工作业平台和确保人工挖孔安全。数值有限元仿真分析和施工中的动态监控量测表明，该桥隧相连隧道洞口滑塌综合处治方案非常有效。参考文献 李洋溢，何克扬 大跨度隧道洞口滑坡形成机制及处治方案研究 公路，（）：张运良，陈富东，陈英烈，等 隧道边仰坡滑塌处治及二次进洞施工技 术 实 例 研 究 铁 道科 学 与 工 程 学 报，（）：潘格林，王渭明，杜德持，等 大断面隧道穿越古滑坡体施工技术优 化 研 究 铁 道 科 学 与 工 程 学 报，（）：高岩，韦洪，李博，等 降雨 滑坡 隧道系统灾害演进机制研究 以重庆奉溪高速公路杨家湾隧道为例 隧道建设（中英文），（）：赵金，文丽娜，吴红刚，等 隧道 洞口滑坡平行体系受力变形模式与计算方法研究 现代 隧 道 技 术，（）：邹宝恩 玉皇山 隧道进口仰坡滑塌处治技术 公路交通科技（应用技术版），（）：肖冰 高原峡谷区高陡边坡滑塌综合治理技术 铁道建筑，（）：李强 偏压洞口段黄土隧道滑塌原因及处治措施分析 公路交通科技（应用技术版），（）：崔永杰，张浩，樊朝向 秦岭某隧道出口滑坡分析及治理方案 公路，（）：王晓军，廖声银，韩晓亮，等 某隧道上覆易滑塌坡体失稳机制及控制研究 公路，（）：张治国，毛敏东，等 隧道 滑坡相互作用影响及控制防护技术研究现状与展望 岩土力学，（）：冯冀蒙，蒋辉，丁晓琦，等 并行双洞隧道穿越滑坡工程研究进展与挑战 现代隧道技术，（）：李广林，王亮，郭毅 浅谈隧道洞口仰坡滑坡成因及综合治理措施 现代隧道技术，（）：李秀花 湿陷性黄土隧道洞口段易滑塌原因及防治 铁道建筑，（）：王春明，杨秀权 注浆技术在复合地层滑坡体隧道工程中的应用 现代隧道技术，（）：王木群 软弱地层超大断面连拱隧道开挖方式的探讨 湖南交通科技，（）：卢冠群，胡迎迎 软弱地层地铁隧道侧穿桥桩群施工安全控制技术研究 湖南交通科技，（）：，櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧 （上接第 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