某淺埋偏壓鐵路隧道變形綜合治理及監測研究

崔俊杰,王 凱,雷 星,杜文山

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

引言

目前，淺埋偏壓隧道及其所在山體邊坡變形超限乃至失穩問題較突出，對其變形與穩定性研究逐漸引起重視。羅興華等[1]通過現場監測和理論計算安全系數的方法，探明了邊坡變形特征及其原因，并提出了減載+錨索抗滑樁+既有襯砌加固+加強排水的綜合整治措施；楊文輝[2]分析了南昆鐵路柏子村1號隧道病害特征，將病害原因劃分為內因與外因，并提出了主滑方向研判方法；張永康等[3]分析了某通過老滑坡體的鐵路隧道變形原因，并研究了上擋下托式支擋對隧道應力的影響；馬惠民[4]構建了隧道滑坡理論分析框架，分析了不同隧道滑坡體系變形特征及其機理，并提出了防治原則與治理措施；謝正團等[5]通過現場調研與數值模擬，分析了寶蘭客專洪亮營隧道滑坡成因和變形機制；弭坤等[6]通過有限元法對上砭隧道滑坡治理工程中預應力錨索抗滑樁和普通抗滑樁聯合作用時，抗滑樁應力分布和水平位移的變化規律進行了分析；晏啟祥等[7]采用有限差分法，對被隧道穿過的滑坡體及隧道二襯變形與應力進行了分析，明確了隧道與滑坡體相互作用機理，并對錨索結合抗滑樁治理滑坡的效果進行了評價。此外，相關研究[8-11]針對抗滑樁在隧道施工運營過程中病害整治的有效性進行了系統性分析。對于治理隧道變形病害，專家[12-15]提出了抗滑樁+錨索抗滑樁+加強支護等綜合治理措施。此外，也有學者[16-20]系統研究了隧道病害發生和發展的主要原因，認為直接原因為隧道或地表變形，根本原因可歸納為建設技術標準低、地層巖性軟弱、地質構造復雜、降水豐沛、地下水及人類活動活躍等多因素的共同作用。病害識別方面，蒲炳榮[21]針對隧道襯砌病害識別，提出了分岔裂縫特征提取算法，預警襯砌剝落掉塊。

針對廣西某鐵路隧道及其所在山體邊坡的變形特征與原因、綜合治理措施、監測結果與綜合加固措施，對坡體和隧道的效果及其穩定性影響進行分析，為類似工程分析與治理提供參考和借鑒。

1 隧道工程概況

該隧道位于廣西藤縣，處于直線段，全長175 m。隧道內縱坡為單面下坡，坡度為2.958‰。隧道所在山體地層分布縱斷面如圖1所示。

圖1 隧道所在地層縱斷面

隧道進出口地表為殘坡積黏土，下伏寒武系砂巖、燕山期花崗巖，為全～強風化，呈砂土狀及破碎狀，圍巖穩定性差，為Ⅴ級圍巖。全隧暗洞襯砌采用VC偏壓型復合式襯砌。隧道拱頂埋深0.5～17 m，外側拱肩覆蓋土厚0.5～13.3 m，淺埋偏壓現象嚴重。為保證隧道進洞安全，減少開挖刷坡高度，隧道進出口設計為單壓耳墻式明洞，接半明半暗襯砌。明洞斷面設計如圖2所示。

圖2 淺埋偏壓明洞斷面(單位：m)

2 隧道變形特征與原因

2.1 山體邊坡變形

2010年2月，隧道自進口端里程D2K235+752處開始暗洞掘進，上導坑進尺7 m時，因隧道偏壓地表出現縱向開裂，地表變形較大。

施工結束后，2011年11月，現場勘查發現邊坡地表存在弧形裂縫，裂縫距隧道中線右側最遠處為63 m，長約80 m，寬度最大約0.2 m，現場測量的裂縫深度約5.5 m，如圖3所示。

圖3 地表裂縫測量

2.2 隧道內部變形

2011年9月～12月，已施工完成的隧道內水溝電纜槽側壁、仰拱和拱頂等多處位置出現裂縫。其中，拱部襯砌縱向裂縫最大長度為23 m(位于D2K235+885～D2K235+908)，寬度最大值為0.71 mm；仰拱最大裂縫發生在D2K235+829處，呈環向展布，長約2 m，寬度最大值為3.6 mm。

2.3 后期變形發展

2012年9月，已修復完成的隧道內裂縫再次出現細微裂紋，10月進口洞門端墻、出口明洞仰拱填充表面及隧道洞外地表等部位也出現較為明顯的裂縫。如圖4所示。

圖4 隧道地表裂縫

2016年9月，新增隧道進口左側擋墻開裂，洞頂骨架護坡開裂下挫變形。

針對上述不同時間點出現的隧道及其邊坡變形，均及時分析了其原因，并提出了相應加固整治措施。

2.4 變形原因分析

基于隧址區地層條件、氣候條件、施工情況及變形特征，分析變形產生的原因如下。

(1)地層巖性

隧道明洞段通過丘陵斜坡中下部，隧道所在邊坡表層為第四系殘坡積(Q4el+pl)硬塑狀粉質黏土，厚1.6～2.2 m，隧道洞身主要穿越花崗巖和砂巖全風化層(呈粉質黏土、黏土狀)，該地層穩定性差。隧道仰拱下有約20 cm厚虛砟，質地松散，強度較低，為軟弱夾層。

(2)坡體結構

隧址區自然邊坡陡峭，隧道呈淺埋偏壓狀態，如圖5所示。施工期間在隧道邊坡坡腳處進行了施工便道開挖，造成坡腳地層卸載，形成臨空面，引起應力釋放，局部發生變形開裂。

圖5 隧道穿越區域地形(單位：m)

(3)降雨與地下水

隧道進口明洞施工期間，遇持續降雨，雨量大、頻率高，使得地表水很難以地表徑流的方式完全排泄，滑體巖土含水量在很短時間內升高，巖土體重度增大、抗剪強度降低、抗滑力減弱。同時，地表水下滲及地下水位活動軟化了滑帶土，使滑帶土強度急劇降低，引發坡體滑動。降雨是滑坡發展的誘因。

(4)施工擾動

邊坡臨時開挖易軟化坍塌，造成坡體應力松弛，牽引右側山體蠕滑變形。此外，較大的臨空面削弱了滑坡抗滑力，在明洞施工后雖進行了回填，但在長期降雨及地下水作用下坡體逐漸下滑，人工填土及隧道無法承擔較大的坡體下滑力，導致隧道左側邊墻受擠壓變形。施工擾動是滑坡形成的外部因素。

3 整治措施

從施工至運營初期，隧道與山體邊坡多次出現變形問題，基于上述變形原因分析，及時采取了邊坡反壓卸載、錨索樁加固和注漿加強等綜合治理措施。

3.1 邊坡反壓卸載

針對隧道所在坡體結構呈現明顯的淺埋偏壓狀態問題，經過理論分析與方案比選，確定對山體采取減載反壓，于D2K235+770～+890段，在高程73.6～73.4 m處設置卸荷、反壓平臺，具體方案如下。

(1)隧道右側進行挖方減載，洞頂設置卸荷平臺，共設置6級邊坡，邊坡坡率1∶1.5～1∶1.75，總高51.45 m，如圖6所示。其中，1～4級邊坡均采用框架錨桿內客土草灌結合防護，錨桿長12 m，傾角15°，其余邊坡采用M7.5漿砌片石截水骨架內客土植草種灌木防護。塹頂外5 m處設置排水天溝，每級邊坡平臺及卸荷平臺均設置M7.5漿砌片石截水溝。

(2)隧道左側坡腳位置進行填方反壓處理，共設置4級邊坡，其邊坡坡率均為1∶1.75，總高41.75 m，如圖6所示。邊坡平臺均設置M7.5漿砌片石截水溝，其中，1～3級邊坡采用骨架護坡防護，其余邊坡采用M7.5漿砌片石護坡防護。基底及邊坡平臺處設置3層貫通雙向土工格柵，層間距0.6 m。

圖6 山體卸載反壓邊坡橫斷面(單位：m)

3.2 錨索樁加固

針對地層巖性特點，為防止隧道橫向滑移變形進一步擴大，對該隧址區進行了地質補勘工作，未發現隧底虛砟以外的軟弱夾層，且不存在古滑坡，通過方案比選最終于隧道進出口設置錨索樁進行加固處理。

(1)錨索抗滑樁于隧道進出口明暗分界處設置，樁身位于隧道右側，進口端、出口端樁長分別為37，33 m，截面均為3.0 m×3.5 m，分別設置4根，共計8根。樁身采用C30鋼筋混凝土現場澆筑，樁上設單支點單孔錨索，位置為樁頂以下2 m處，由7根φ15.24 mm鋼絞線組成，錨索長32～45 m，傾角20°，錨固段長10 m，錨孔φ150 mm。如圖7所示。

圖7 隧道進口段錨索樁(單位：m)

(2)進口明洞段右側設置錨索樁，樁長37 m，截面2.5 m×2.5 m，共4根。樁身采用C30鋼筋混凝土現場澆筑，樁背平臺采用M7.5漿砌片石回填。樁上設雙支點單孔錨索，樁頂以下1.5 m處設1孔(上支點)，樁頂以下3.5 m處設1孔(下支點)，上支點錨索長45.0 m，傾角25°，下支點錨索長40 m，傾角30°，錨固段長10 m，錨孔φ150 mm，單孔預張拉力350 kN，錨索由7根φ15.24 mm鋼絞線組成。錨索樁內均設置PVC深層測斜孔1根，測斜管管徑70 mm，管口高出樁頂0.5 m，管底同樁底，如圖8所示。

圖8 隧道進口錨索樁設計(單位：m)

3.3 隧道洞身及回填土加固

針對降雨與地下水對地層強度的不利影響，參考上述隧道襯砌裂縫寬度、長度、位置，采用環氧砂漿封閉法、鉆孔灌漿法及埋管灌漿法等方式對裂縫進行針對性處理。

對D2K235+733～D2K235+777明洞段洞頂回填土采用地表注漿加固，提高其自穩性，減少側向壓力的產生。

4 坡體與隧道監測

從2017年綜合加固措施完成開始，直至2020年8月，對隧道與山體邊坡進行了持續的現場監測，以科學評價分析綜合加固措施對坡體支擋效果及其穩定狀態。

4.1 監測方案

本次監測內容共包含3個方面，分別為：隧道所在山體卸載反壓邊坡地表橫向水平位移、深層橫向水平位移、隧道CPⅢ變形，并進行了錨索樁樁體超聲檢測。其監測位置如圖9所示。其中，地表變形監測覆蓋整個卸載反壓邊坡，編號從1-1～11-1；深部地層變形監測孔分別位于進口段右側4根錨索樁內及出口明暗洞交界處右側天然地層內，共計6個測斜孔位，編號1～6；CPⅢ變形監測點位于隧道內，每間隔60 m于對側拱墻位置布設1對監測點，共計布設4對，共計8個監測點；錨索樁樁身超聲檢測選取了位于隧道進口明洞段右側的4根錨索樁，通過4個預留聲測管進行混凝土灌注質量檢測。

圖9 變形監測測點布設平面示意

4.2 結果分析

(1)地表橫向水平位移

隧道右側卸載邊坡平臺、隧道上方平臺與隧道左側反壓邊坡平臺、隧道進出口錨索樁橫向水平位移時程曲線分別如圖10～圖12所示。

由圖10可知，隧道右側卸載邊坡平臺橫向水平位移波動范圍為-2.2～3.2 mm，無增加趨勢，已趨穩定。

由圖11可知，隧頂上方平臺橫向水平位移波動范圍為-1.9～4.5 mm，且近兩年其變形具有明顯收斂趨勢。隧道左側反壓邊坡平臺橫向水平位移在2017年4月～2018年8月期間處于小幅波動范圍，波動區間為-2.2～2.3 mm；此后至2018年12月，位移處于增加狀態，最大值為8.2 mm，然后逐漸減小并趨于收斂，截止2020年5月監測結果顯示其變形穩定在4.7 mm。

圖11 隧頂上方平臺與反壓邊坡平臺橫向位移時程曲線

由圖12可知，隧道進口明洞段右側錨索樁樁頂橫向水平位移波動范圍為-2.0～3.9 mm，無增加趨勢；隧道出口段右側錨索樁樁頂橫向水平位移同樣處于小幅波動狀態，其波動范圍為-2.7～3.2 mm，無增加趨勢。說明加固措施有效控制了隧道與山體的橫向水平位移。

圖12 錨索樁樁頂橫向水平位移時程曲線

(2)深部橫向水平位移

對隧道上方平臺天然地層進行深部測斜，分析不同深度地層橫向水平位移隨時間變化關系可以發現，位移波動幅值為16.8 mm(歷史變形最大值)，且最新偏移量介于歷史位移最大值與最小值之間，說明該位置處橫向水平位移已趨于穩定，左右波動現象是由測量操作誤差引起。

此外，針對隧道進口段右側的4根錨索樁進行了深部橫向水平位移監測，根據監測結果分析可知，隧道進口明洞段右側4根錨索樁內不同深度橫向水平位移曲線隨時間先增加，然后小幅波動，趨于穩定狀態。最大橫向水平位移均出現在隧道仰拱下方，且在土石分界線之下，具體分別出現在樁頂以下27.5，28.5，29.5，34.0 m位置處。

圖13為錨索樁最大橫向水平位移時程曲線。

圖13 錨索樁最大橫向水平位移時程曲線

由圖13可知，隧道進口段4根錨索樁的最大變形規律可劃分為3個階段，分別為：位移緩慢增加區間、快速增加區間和收斂區間，趨勢位移曲線可精確表征該規律。其中，樁體最大橫向位移出現在極速增加區間結束時，但其沿豎向最大撓跨比僅為1.47‰。該現象可解釋為：地層推力作用下，錨索樁被動受力，由于樁體上部錨固作用，其位移被約束，因此，下部發生較小程度的彈性橫向水平變形，以產生抵抗力，從而與地層下滑力構成平衡狀態，保證隧道所在山體的穩定。

(3)隧道收斂變形

通過CPⅢ測量隧道邊墻的相對變形，兩側拱墻凈空收斂曲線與高差變化曲線如圖14所示。

圖14 隧道拱墻相對位移曲線

由圖14可知，隧道進口段徑向擴張位移為7.2 mm，出口段徑向擴張位移為3.9 mm，隧道中部徑向擴張位移小于1.2 mm。此外，隧道各位置處徑向高差均較小，介于-1.1～1.2 mm之間。由此可以判定隧道本身已處于穩定狀態。

4.3 樁體質量分析

通過聲波透射法對錨索樁樁體質量進行探測與分析，所選用聲測管內徑42 mm，外徑48 mm，4枚聲測管可形成6個聲測剖面，如圖15所示，分別為剖面1-2、1-3、1-4、2-3、2-4與3-4。

圖15 樁身聲測管布置與聲測斷面示意

分析現場超聲檢測結果可知，4根錨索樁主要缺陷范圍為距離樁頂28.3～36.5 m處，尤其在樁深30.7～33.7 m位置處存在明顯異常。

上述結果與錨索樁內深部測斜結果進行比對可發現，變形特征與聲測異常位置具有較好的吻合性，即聲測結果異常部位附近均發生了較大程度的橫向水平變形，其原因可歸納為灌樁之前孔底有水或灌樁時振搗不及時，導致局部混凝土離析，造成錨索樁局部抗彎剛度較小，從而在地層推力作用下發生的相對變形較其他位置稍大，以提供足夠的抗滑力。

5 結論

通過對病害隧道設計、施工、地質條件及變形特征進行分析，明確了變形產生的主要原因，提出了綜合整治方案，并全程進行現場監測，科學評價分析了綜合加固措施對坡體和隧道的加固效果及其穩定性，主要結論如下。

(1)隧道變形特征主要為隧道拱部襯砌、電纜槽側壁發生縱向裂縫，仰拱出現環向裂縫，個別貫穿隧底，最大寬度達3.6 mm；地表變形較大，局部產生縱向裂縫或弧形裂縫，最大寬度、深度分別達0.2，5.5 m，且隧道拱部隨時間繼續出現細微裂縫，局部仰拱填充與洞外地表隨時間也相繼出現裂縫。

(2)隧道邊坡變形主要原因可歸納為隧道仰拱下存在虛砟軟弱夾層；山體邊坡陡峭，隧道淺埋偏壓顯著；持續降雨強度大，地表水下滲，導致隧底軟弱夾層強度降低；隧道和邊坡坡腳臨空開挖，引起應力釋放，造成地層穩定性差。

(3)提出的邊坡卸載反壓、洞口抗滑錨索樁、注漿增強等綜合加固處理措施有效控制了變形發展。加固后，隧道卸載區、隧頂區和反壓區橫向水平位移呈小幅波動狀態，幅值小于4.7 mm，隧道未發生明顯偏移，聲測結果異常部位附近發生撓跨比為1.45‰的橫向水平變形，但并未持續增加，有效抵抗地層下滑力，隧道與山體已趨于穩定狀態，治理效果良好。