閩南山區淺埋偏壓大斷面隧道洞口塌方機理與處治措施

畢志剛

(中鐵十五局集團第一工程有限公司， 陜西 西安 710018)

近年來，我國大力進行交通基礎設施建設，在公路隧道施工過程中，通常會面臨工程地質條件復雜、隧道施工斷面大等問題，同時由于施工過程中還存在一些技術難題，塌方事故常有發生[1]。隧道塌方的處治需要一定的時間，塌方處治過程中需要移除坍塌結構，同時補強坍塌隧道的支護結構，這會延長工期，相應地也增加了人力和材料成本。

隧道塌方的表現形式多種多樣，塌方的成因也較為復雜。針對隧道塌方的成因、塌方的形式以及塌方處治措施，國內外很多學者進行了研究。李梓源、張曉今、王鵬、于群群等[2-5]結合實際工程，采用數值模擬、風險評價和現場監測等方法，分析了隧道塌方產生的原因。鄭俊清、張龍生、劉智勇、姚遠等[6-9]在分析隧道塌方成因的基礎上，提出了加強支護、注漿加固等處治措施。吳學智、閆天璽、劉艷明等[10-12]分析了具有淺埋、偏壓、危巖滑動體、松散土體等地質狀況的隧道洞口發生塌方冒頂、圍巖失穩和地表塌陷等事故的原因，提出了相應的處治措施，取得了良好的處治效果。

本文依托中鐵十五局集團第一工程有限公司承擔的福建省三明市莆炎高速公路布盂隧道工程，采用Midas GTS有限元軟件對軟弱圍巖洞口淺埋偏壓段進行數值模擬，分析降雨和隧道洞口開挖施工對邊坡穩定性的影響，提出合適的塌方處治方案，并對處治效果進行評價。

1 工程概況

布盂隧道進口位于福建省尤溪縣新陽鎮高士村布盂境內，出口位于大田縣文江鄉橋下村，整體呈北東-南西走向。布盂隧道為分離式隧道，進口線間距約18 m，出口線間距約19 m。根據JTG 3370.1-2018《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》 要求[13]，進出口位置屬于小凈距隧道。右洞起迄樁號為K196 + 225、K197 + 304，長1 079 m；左洞起迄樁號為Z3K196 + 298、Z3K197 + 290，長992 m。

隧道洞身區域屬構造剝蝕丘陵地貌，山地自然坡度30°～50°，隧道地面標高在300～460 m之間，相對高差約40～110 m，植被較茂密，進口谷地多辟為農田。旱季水流量小，雨季易受洪水侵襲，水量變化大。隧道進出口圍巖為第四系坡殘積粉質粘土、砂質黏性土、全風化花崗巖殘積土和強風化花崗巖殘積土。粉質粘土和砂質黏性土呈松散狀，具有可塑性；風化花崗巖殘積土，孔隙率大、強度低、壓縮性高，遇水易軟化。隧道洞口埋深淺，土體穩定性較差，洞口邊仰坡開挖后易引起塌方，圍巖等級為Ⅴ級。

布盂隧道進出口段屬于淺埋偏壓地層，圍巖軟弱破碎，自穩能力差。隧道進出口部位邊坡穩定性差，雨季施工時花崗巖殘積土邊坡易塌方或形成工程滑坡。為此，開展洞口邊坡塌方施工治理關鍵技術研究，以確保施工進度及施工安全。

2 洞口塌方分析

由于受地形限制，隧道進口段屬于小凈距隧道，右線先行開挖施工。洞口導向墻施工期間，出現短期強降雨，降雨強度為302.6 mm/d。2018年9月8日隧道右線施作導向墻鋼拱架時，左上方坡面出現局部塌方(如圖1所示)，塌方坡面錨噴支護局部破壞，殘坡積粉質黏土、花崗巖殘積土坍落并掩埋部分導向墻鋼架，無法安裝導向墻模板。為了及時快速地處治塌方，結合詳細的塌方勘察，對塌方誘因進行分析。

圖1 隧道洞口坡面塌方圖Fig. 1 Slope collapse photos of tunnel portal

3 塌方數值模擬分析

3.1 模型建立

布盂隧道隧址區地層圍巖主要包括溝谷沖洪積粉質粘土、第四系坡積粉質粘土、第四系殘積黏性土和華力西期花崗巖。淺埋偏壓洞口段隧道凈距約18 m，根據Ⅴ級圍巖條件，其屬于小凈距隧道。為了確保洞口段小凈距隧道施工的安全，采用中隔壁法進行開挖。為了分析布盂隧道洞口坡面塌方破壞機理，采用Midas GTS有限元軟件對洞口淺埋偏壓段進行數值模擬分析。數值計算模型的圍巖主要包括4 m厚的粉質粘土、6 m厚的碎塊狀強風化花崗巖、50 ～ 80 m厚的中風化花崗巖，模型左右邊界距隧道約為3倍洞徑。隧道洞口段數值計算模型如圖2所示。

圖2 隧道洞口段數值計算模型Fig. 2 Numerical model of tunnel portal

粉質粘土、碎塊狀強風化花崗巖、中風化花崗巖采用平面應變單元來模擬，相應的本構模型選擇摩爾庫倫模型；隧道初期支護和中隔壁支持采用梁單元模擬，本構模型為彈性模型；隧道系統錨桿采用植入式桁架來模擬，本構模型為彈性模型。根據地質勘察和現場試驗，得出圍巖、初期支護、鋼支撐和系統錨桿力學參數，如表1所示。

表1 力學參數Tab. 1 Mechanical parameters

3.2 模擬工況

3.2.1 降雨入滲邊坡穩定分析

布盂隧道隧址區處于亞熱帶季風濕潤氣候區，氣候溫和，雨量充沛，年最大降雨量為2 730 mm，且多年平均降雨量為1 949 mm。布盂隧道屬于越嶺隧道，在閩南山區多雨的氣候條件下，由于地形條件，雨水容易向隧道洞口附近的溪溝匯集，影響隧道施工安全。

大氣降水是誘發邊坡失穩的重要因素[14-19]。由于大氣降水入滲土體，土體的含水量不斷增加，相應的抗剪強度則有所降低；雨水通過土體向下滲入巖層，減小了巖層界面的抗滑能力，從而使邊坡的穩定系數降低。因此，采用強度折減理論，對強降雨條件下淺埋偏壓隧道邊坡穩定性進行分析。數值模擬計算中降雨強度為特大暴雨，降雨量為300 mm/d，降雨持續時間為10 h，降雨條件下隧道邊坡穩定性計算模型如圖3所示。

圖3 降雨邊坡穩定性計算模型Fig. 3 Calculation model of rainfall slope stability

3.2.2 洞口施工邊坡穩定分析

隧道進洞施工一直是關鍵環節，洞口工程的順利完成是隧道正常施工的前提，尤其對于淺埋偏壓小凈距隧道，為了確保結構的穩定，實現快速安全進洞，需要采用合理的進洞開挖工法[20-22]。隧道洞口段施工采用中隔壁法，隧道斷面分部開挖的同時施作初期支護、錨桿和臨時中隔壁支撐鋼架，模型的開挖工序示意圖如圖4所示。基于強降雨條件下隧道洞口邊坡穩定性分析模型計算結果，進一步計算隧道洞口開挖施工對邊坡穩定性的影響。

(a) 左線 (b) 右線圖4 隧道模型開挖工序示意圖Fig. 4 Schematic diagram of excavation process of model tunnel

3.3 結果分析

3.3.1 降雨邊坡應變規律

短期強降雨過后，坡體內部水平方向和豎向應變云圖如圖5所示。隨著雨水的入滲，右線隧道頂部坡面出現較大的水平方向應變；左線隧道頂部坡面坡度稍緩，由于雨水下滲，花崗巖殘積土遇水軟化，出現較大的豎向應變。強降雨條件下，由于雨水入滲，左右線隧道頂部粉質粘土層出現較大的剪應變和塑性應變，如圖6所示。強降雨條件下，隧道邊坡粉質粘土層含水量急劇增加，坡面塑性區不斷增大，隧道邊坡的穩定安全系數顯著下降，施工期間易形成塌方或工程滑坡。

(a) 水平方向應變 (b) 豎向應變圖5 坡體水平方向和豎向應變云圖Fig. 5 Horizontal and vertical strain contour figures of slope

(a) 最大剪應變 (b) 有效塑性應變圖6 坡體最大剪應變和有效塑性應變云圖Fig. 6 Maximum shear strain and effective plastic strain contour figures of slope

3.3.2 隧道施工坡面圍巖穩定性

隧道右線先行開挖，采用中隔壁法施工，臨時鋼支撐拆除后，隧道地層模型的水平向和豎向位移云圖如圖7所示，隧道地層模型整體位移和等效應變云圖如圖8所示。布盂隧道洞口段淺埋偏壓，右線隧道頂部坡面地層產生較大的位移變形，最大水平位移為4.19 mm，最大豎向位移為1.72 mm。右隧道開挖后，右隧道頂部坡面出現較大的整體位移，最大整體位移為4.45 mm；粉質粘土層底部產生較大的應變，最大等效應變為8.07×10-4。右線隧道左上方粉質粘土層底部出現潛在的滑動面，該位置坡面需要重點加固。

(a) 水平方向位移 (b) 豎向位移圖7 右線隧道開挖坡體水平方向和豎向位移云圖Fig. 7 Horizontal and vertical displacement contour figures of slope after excavation of right tunnel

(a) 整體位移 (b) 等效應變圖8 右線隧道開挖坡體整體位移和等效應變云圖Fig. 8 Overall displacement and equivalent strain contour figures of slope after excavation of right tunnel

左線隧道后行開挖，在臨時鋼支撐拆除后，隧道地層模型水平位移和豎向位移云圖如圖9所示，隧道地層模型整體位移和等效應變云圖如圖10所示。左線隧道開挖后，右線隧道頂部粉質粘土層依然存在較大的水平位移變形，最大水平位移為4.19 mm；由于左線隧道埋深相對較淺，其頂部粉質粘土存在較大的豎向位移，最大豎向位移為4.10 mm。當左線隧道開始施工時，左右兩線隧道頂部圍巖均出現較大的整體位移，左右兩線隧道頂部最大位移分別為4.35 mm和4.44 mm。此時，右線隧道頂部依然存在較大的應變，最大等效應變為8.11×10-4，右線隧道頂部粉質粘土滑動面向左隧道頂部延伸。

(a) 水平方向位移 (b) 豎向位移圖9 左線隧道開挖后坡體水平方向和豎向位移云圖Fig. 9 Horizontal and vertical displacement contour figures of slope after excavation of left tunnel

(a) 整體位移 (b) 等效應變圖10 左線隧道開挖坡體整體位移和等效應變云圖Fig. 10 Overall displacement and equivalent strain contour figures of slope after excavation of left tunnel

3.3.3 洞口坡面塌方機理

布盂隧道洞口段屬于淺埋偏壓小凈距隧道，存在山體坡度大、圍巖壓力不對稱、圍巖較軟易破碎等特點。洞口土體穩定性較差，雖然前期施工進行支護，但右線隧道導向墻施工時，左上方坡面出現塌方。結合現場勘察和數值模擬，對隧道洞口塌方機理進行分析，結果如下：

(1) 隧址區屬于構造剝蝕丘陵地貌，山體坡度大，覆蓋層較厚，植被發育良好。淺埋偏壓隧道洞口圍巖級別為Ⅴ級，隧道洞口圍巖主要為殘坡積粉質黏土、砂質黏性土、全風化花崗巖和強風化花崗巖。花崗巖殘積土孔隙大、強度低、壓縮性高，遇水易軟化。隧道右線進口順層偏壓坡面在強降雨條件下易形成塌方。

(2) 隧道進出口圍巖軟弱破碎。模擬結果顯示，在強降雨條件下，隧道中夾巖頂部坡面會出現較大的位移變形，且由于降雨入滲，導致地層接合面間出現較大的剪切應變以及大范圍的塑性區，坡面極易產生滑動破壞。

(3) 隧道進出口為淺埋偏壓地層，降雨入滲過后，巖體的完整性已經遭到破壞，此時進行隧道洞口開挖，會對圍巖進一步產生擾動，隧道洞口坡面會出現較大位移變形以及塑性應變區。由于花崗巖殘積土已經軟化，在坡面支護稍弱條件下，洞口開挖容易導致塌方的產生。

(4) 布盂隧道屬于越嶺隧道，且閩南山區屬于亞熱帶季風濕潤氣候，大氣降水易在山體上部地勢低洼處匯集成地表水。隧道進口附近存在溪溝，水位變化大，影響邊坡的穩定。右線隧道導向墻施工期間，出現多次短期強降雨，現場記錄降雨強度為302.6 mm/d，雖然前期已經施作截水天溝，但由于降雨量大，雨水無法及時排出，致使地表雨水匯集下滲。隧道洞口左上方花崗巖殘積土遇水軟化，雖然邊坡已經進行了一定的噴錨支護，但由于導向墻施工對軟化的圍巖進一步產生擾動，致使右線隧道洞口左上方出現局部塌方。

4 塌方處治措施

布盂隧道右線先行開挖，首先施作隧道洞門，而后再進行隧道進洞施工。由于施工期間多次出現強降雨，隧道洞口邊坡土體軟化，在施工擾動作用下，出現塌方事故，邊坡垮塌且鋼拱架破壞。為了防止塌方進一步擴大，根據塌方位置位移、應變分析，進行相應處治。塌方具體處治措施如下：

(1) 移除導向墻鋼拱架，清理坍落的土體，將巖面浮渣、危巖以及初期支護清除干凈，并用高壓風將坡面清理干凈。

(2) 仰坡塌方位置清理完成后，重新進行刷坡，采用小導管注漿對隧道仰坡進行加固。

(3) 通過增設直徑為50 mm的仰斜式排水孔來減小降雨入滲對隧道邊仰坡穩定性的影響。排水管采用直徑為50 mm、長度為6 m的PVC管，外裹土工布，梅花形布置，橫向及縱向排水管間距皆為2 m。

(4) 隧道洞口仰坡注漿加固且排水管道施作完成后，采用網噴混凝土對坡面進行防護。為了防止降雨入滲對邊坡的影響，同時提高仰坡坡面穩定性，需要加大網噴混凝土面積。

5 處治效果評價

右線隧道塌方邊坡處治完成，重新施作導向墻，開展隧道后續施工。根據JTG 3370.1-2018 《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》[13]要求，隧道洞口地表以及洞內每5 m布置一個監測斷面，來評價塌方事故處治效果。洞口附近樁號為K196+232監測斷面處的拱頂沉降和地表沉降如圖11所示。

圖11 K196+232斷面監測數據曲線圖Fig. 11 Field monitoring data curve of K196+232 section

由圖11可知，隧道開挖初期K196 + 232斷面拱頂沉降變化量為4.3 mm，拱頂測點對應的地表沉降為1.8 mm。地表沉降、拱頂沉降的實測結果與數值模擬結果基本一致，且相對較小。右線隧道洞口塌方的快速有效處治，避免了塌方進一步擴大，為隧道后續施工提供了有利條件。

6 結論

在山嶺隧道施工過程中，頻發的塌方事故不僅延誤工期，而且會嚴重威脅人身安全，開展塌方機理與處治技術研究具有重大的現實意義。以布盂隧道為背景，研究了淺埋偏壓小凈距大斷面公路隧道洞口坡面塌方與處治技術，得出主要結論如下：

(1) 花崗巖殘積土強度低、壓縮性高，遇水易軟化，短期強降雨條件下，坡面土體的位移、應變顯著增大。淺層坡面土體形成飽和區，坡面結構安全系數減小，極易產生坡面滑坡事故。

(2) 隧道洞口采用中隔壁工法開挖，右線隧道上覆坡面地層會產生較大的位移和變形，該部位土體易產生塌方滑落。淺埋偏壓隧道洞口圍巖級別為Ⅴ級，圍巖穩定性較差，短期強降雨使洞口圍巖軟化，強度降低。右線隧道洞口導向墻的施工，對洞口軟弱土體進一步產生擾動，致使右線洞口順層偏壓坡面出現局部塌方。

(3) 根據淺埋偏壓洞口塌方原因分析結果，采用加強支護、先護后挖的方法對塌方坡面進行處治。采用小導管注漿對隧道邊仰坡進行加固，設置仰斜式排水孔，能減小地下水對邊仰坡穩定性的影響，加大邊仰坡錨噴面積穩定坡面。這樣隧道洞身開挖時，地表沉降和拱頂沉降初期變形較小，洞口坡面塌方得到了有效處治。