某隧道-滑坡體系中隧道變形侵限段換拱加固效果研究

2023-04-29 00:00:00張娟陳川李世明盧波

西部交通科技 2023年3期

摘要：某隧道在施工過程中遭遇滑坡侵害導致隧道結構變形，形成隧道-滑坡體系，擬在未排除滑坡變形工況下，對該隧道病害段進行換拱處理，提高隧道結構強度，控制滑面變形。文章基于該隧道換拱前后滑坡體、隧道結構的變形監測數據，研究處治措施對隧道-滑坡體系中隧道變形、滑坡變形的控制效果。結果表明：在隧道-滑坡體系中，當隧道穿越滑坡體時，對隧道病害段進行換拱加固，可有效減緩滑坡變形；引起隧道變形的根本原因是滑坡，如未對滑坡采取設防排險措施，在強降雨等不利工況下，坡體仍可能會出現變形；后期建議考慮對滑坡采取適當刷方減重、設置排水溝等措施增加坡體穩定性，確保隧道后期運營安全。

關鍵詞：隧道；滑坡；換拱處理；處治措施

中圖分類號：U457+.3 A 49 172 5

0 引言

在山區修建公路隧道的過程中，常因施工引起坡體滑動，形成隧道-滑坡體系。在隧道-滑坡體系中，由于隧道與滑坡存在相互作用，滑坡蠕動變形引發隧道結構變形、開裂，隧道結構的變形也會進一步加劇滑坡蠕動變形，兩者相互促進和發展。不同于單獨隧道變形問題的治理，要針對隧道-滑坡體系中隧道或者滑坡的變形破壞制定相應的治理措施，需考慮隧道與滑坡的相互作用。

許多學者對隧道-滑坡體系中隧道、滑坡變形的治理措施進行了研究，并取得了一定成果。馬惠民等［1］分析了關于隧道-滑坡體系的一些典型治理案例，為隧道-滑坡體系的治理問題提供了思路；馮冀蒙等［2］對隧道-滑坡體系處治措施的主要進展進行了分析；張治國等［3］全面總結了關于隧道-滑坡體系的防控技術，主要分為對滑坡體加固、對隧道加固、聯合加固（即對隧道和滑坡均進行加固）等三種方式；牌立芳等［4］通過試驗研究驗證了刷方減重措施對隧道-滑坡體系中滑坡變形治理的有效性；王永剛等［5］提出縱穿滑坡體段的隧道結構對滑坡體而言是一個重要的抗滑結構體，為滑坡隧道的治理提供了新思路；趙志剛等［6］基于監測數據，探討隧道穿越滑坡體時隧道施工對滑坡體的影響機制與處治技術，并提出了抗滑樁處治方案；魏家旭等［7］、張玉芳等［8］針對滑坡體作用下隧道變形特征和控制技術開展了研究和分析，這些研究均為隧道-滑坡體系中隧道變形破壞或滑坡變形的治理提供了思路和參考。

某公路隧道在施工過程中遭遇滑坡蠕動變形引發隧道圍巖變形、初支環狀開裂。結合工程實際情況，擬在未排除滑坡滑動變形風險的情況下，對隧道初支侵害段進行換拱處理。由于換拱作業施工安全風險大，采取對隧道結構、滑坡進行監控量測，為工程施工提供安全預警預報，同時驗證隧道換拱對隧道結構變形、隧道上部滑坡變形控制的有效性。

本文以該工程作為工程背景，基于在隧道病害段進行換拱加固前后對滑坡體、隧道結構的變形監測數據，分析換拱對隧道-滑坡體系中隧道結構變形和滑坡變形控制的有效性，并針對性地提出后期治理建議，以期為相似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

該工程隧道全長5 334 m，為分離式隧道，隧道出口偏壓較為嚴重。隧道左、右洞均設計為端墻式洞門，邊、仰坡坡率設計為1∶0.5，右洞仰坡最高為14.3 m，左洞仰坡最高為9.7 m。圍巖等級為Ⅴ級圍巖，設計采用支護型式為XS5-B。隧道在施工過程中遭遇滑坡蠕動變形，引發隧道防護結構出現下沉及向外側移等現象，具體病害發展情況及病害特征如表1所示。

2 滑坡體特征及成因

2.1 滑坡體特征

隧道病害的產生主要是由隧道上部滑坡造成，經調查得到隧道與滑坡位置剖面見圖1。由圖1可知，滑坡主滑方向與在建隧道軸線方向基本一致，形成隧道-滑坡平行體系?；虑熬壩挥谒淼莱隹诙搜銎卤嵌宋恢?，根據深層測斜孔變形曲線，推測該滑坡存在兩級滑面：淺層滑動面沿主滑方向，滑動面形態近似弧形，滑動體面積約為8 855 m2，屬中型厚層牽引式滑坡，后緣較陡峭，前緣位于人工邊坡中下部；深層潛在滑動面滑動體面積約為18 246 m2，屬大型厚層推移式滑坡。滑坡蠕動變形特征總體表現為淺層帶動深層，深層促進淺層滑面變形的特點。淺層滑動面位于隧道洞頂及洞身附近，于右洞YK429+466處侵入隧道洞身，該區域隧道結構目前已形成放射狀裂縫，左洞淺層滑面位于隧道洞頂巖土中；深層滑動面于左洞掌子面ZK429+469和右洞YK429+444附近穿過隧道洞身，到達隧道底部。

2.2 滑坡成因分析

結合隧道施工過程中出現的病害特征及發展可初步推斷，滑坡的產生與隧道施工、降雨息息相關。本工程隧道出口斜坡坡率設置為1∶0.5，仰坡高10～14 m，坡體未設置臺階，為坡體失穩創造了有利條件，在暴雨、隧道施工擾動等聯合作用下，坡體發生變形失穩。

3 處治措施

初始隧道左洞段地表出現開裂、拱頂沉降外移等現象時，采取在隧道仰坡鼻端、左洞隧道左側設置鋼筋混凝土擋墻的防護措施，對右洞明洞范圍YK429+000～YK429+530半填半挖式路基段采用漿砌片石及片石混凝土進行換填。隨著滑坡繼續發展，隧道病害加重，滑坡蠕動變形是導致隧道變形加劇的直接外因，其穩定性對隧道能否順利進行施工有直接關系。針對隧道-滑坡體系的治理問題，最初多數以治理滑坡為主，治理措施大多以刷坡卸荷、排水、設置抗滑樁、擋土墻、注漿加固等一種或多種措施的組合［9］，后逐漸發展為同時加固滑坡和隧道。將隧道結構作為隧道-滑坡中的一部分，從隧道內部進行加固治理隧道上部滑坡成為當前新的思路。隧道初支換拱是在隧道圍巖發生變形時，為保證充足的二襯空間，將圍巖壓力適時適度釋放后，再次進行支護施工的一種有效方法［10］。本工程擬采取對隧道右洞初支侵害段進行換拱加固，提高隧道結構剛度，保證隧道施工安全，同時希望能控制隧道上部滑坡變形。為考慮換拱作業的安全性，并驗證方法的有效性，在換拱過程中對隧道結構及隧道上部滑坡進行監測。

4 監控量測換拱效果

4.1 監測方案

4.1.1 測點布置

采用滑動式測斜儀進行深層測斜監測，深層測斜監測孔編號為ZK1～ZK10，共10個測斜孔，分為3個斷面，其中，主斷面包含測孔ZK1～ZK5；采用監測機器人半自動化監測方法進行地表變形監測；地表位移監測點分3個縱斷面進行布設，共布設13個，編號為J1～J13。測點位置具體見圖2。

隧道擋墻及拱頂監測點共布設5個，編號分別為DQ1、DQ2、DQ3、GD1和GD2，如圖3所示。

4.1.2 監測預警值（表2）

4.2 監測數據分析

4.2.1 深層位移測斜淺層滑面變形速率分析

由圖4可知，各測點變形速率主要表現為換拱前緩慢增長，換拱期間發生劇烈波動變化，換拱后逐漸降速并趨于穩定收斂的特征。換拱前的變形速率緩慢增長，說明此時坡體處于加速變形階段，與病害發生特征一致；換拱期間受換拱施工擾動影響，各測點變形速率異?；钴S，其中測點ZK1、ZK6、ZK7的變形速率均多次超過預警值；換拱結束后，各測點變形速率總體下降，并趨于穩定收斂，但并未全面歸零，仍有個別測點的變形速率在波動變化，說明隧道換拱在一定程度上可以減緩滑面變形，但滑面并未完全穩定。

4.2.2 地表位移分析

如圖5所示，隧道換拱期間，地表各測點變形均在加速增長，其中J1、J2、J3等測點的變形量較大，在2018年12月期間，各測點的變形急速增長，其變形量為前期變形量的2倍多。J2測點變形量的增長最為明顯，其變形量已觸發預警值。究其原因，是由于12月換拱期間舊拱拆除完成，滑坡體得到釋放，導致變形進一步增大。換拱完成后，各測點變形量開始緩慢增長，明顯降速，最后逐漸趨于穩定收斂，可見換拱對減緩坡體地表變形有效。主要原因是隧道處于滑坡體內，隧道結構本身也是一個重要的抗滑結構體。從隧道-滑坡滑動面相對位置來分析，隧道結構強度的提高有效提升了深層潛在滑動面附近的結構強度，控制深層滑動面變形，進而促使淺層滑動面也整體降速。但淺層滑動面未采取排險設防措施，仍存在較大的變形積累，因此地表監測點變形速率仍有波動變化。若后期遇到強降雨等不利情況，滑坡仍會出現某一時段的活躍變形，或者可能發生失穩破壞。

4.2.3 隧道結構變形分析

如圖6（a）所示，受滑坡推力作用，隧道結構在水平方向上整體均往同一個方向變形，在換拱期間隧道結構平面變形不斷增長，換拱結束后，其變形逐漸趨于穩定，但仍在緩慢增長，最終其累計變形未超過20 mm。如圖6（b）所示，隧道右洞擋墻1和拱頂1的變形量為負值，隧道左洞擋墻、拱頂變形量為正值，推測可能是由于隧道右洞換拱，舊拱拆除后形成臨空面，在滑坡推力作用下，隧道右洞受壓下沉，偏壓作用使隧道左洞上移。隧道換拱結束后，隧道結構強度提高，變形量在降速期仍在緩慢增長，最后緩慢減小趨于穩定，說明最終的滑面變形得到了有效控制，隧道結構變形量也趨于穩定，對隧道侵害段進行換拱，有效減緩了本工程隧道的變形和滑坡變形。

5 后期處治措施建議

本工程在未排除滑坡滑動變形的情況下，對隧道病害段進行換拱加固，在一定程度上控制了滑動面變形，使工程得以順利完工，可見通過從隧道內部采取措施加固隧道以控制滑坡變形在一定程度上是有效的。但本工程滑坡產生的原因是在隧道施工擾動和暴雨聯合作用下導致坡體失穩變形，從而引發隧道變形開裂。雖然目前通過換拱加固隧道減緩了滑坡變形，使滑坡處于暫時的穩定狀態，但后期若遇到強降雨等不利工況時，滑坡還是可能會發生變形失穩，對已建好的隧道造成嚴重影響，甚至可能影響后期運營安全。由此，后期仍建議采取適當措施治理滑坡，如刷方減重可減少滑坡下滑力，增強滑坡整體性；也可在滑坡上方修建截水溝，減少降雨對滑坡的影響。

6 結語

（1）本工程在未排除滑坡變形工況下，通過換拱強化隧道結構，提高滑動面附近結構強度，有效控制滑動面的變形，在一定程度上保持了滑動面的穩定性，但若未來遇到強降雨等不利情況時，滑坡仍可能會出現變形，影響隧道后期運營安全。

（2）在對隧道-滑坡體系進行治理時，不應只單一地加固滑坡或者隧道，應將其當成一個整體，采用聯合加固的方法，更能保障后期體系的穩定性和安全性。

（3）從隧道內部采取措施以控制滑動面變形的方法可行，但需要考慮引起滑坡的原因，排除后期強降雨等不利工況對滑坡的影響。建議后期對滑坡采取適當刷方減重、排水等相應措施，提高坡體穩定性。

參考文獻

［1］馬惠民，吳紅剛.隧道-滑坡體系的研究進展和展望［J］.地下空間與工程學報，2016，12（2）：522-530.

［2］馮冀蒙，蔣輝，丁曉琦，等.并行雙洞隧道穿越滑坡工程研究進展與挑戰［J］.現代隧道技術，2021，58（6）：1-10.

［3］張治國，毛敏東，PANY.T.，等.隧道-滑坡相互作用影響及控制防護技術研究現狀與展望［J］.巖土力學，2021，42（11）：3 101-3 125.

［4］牌立芳，趙金，吳紅剛，等.刷方減重下隧道-滑坡平行體系變形演化試驗研究［J］.防災減災工程學報，2019，39（5）：842-850.

［5］王永剛，丁文其，唐學軍.陽坡里隧道縱穿滑坡體段變形破壞機制與加固效應研究［J］.巖土力學，2012，33（7）：2 142-2 148.

［6］趙志剛，李德武，張志軍，等.高速公路隧道穿越滑坡段變形機制與處治技術［J］.鐵道科學與工程學報，2013，10（3）：47-52.

［7］魏家旭，張玉芳.香麗高速公路昌格洛老滑坡穩定性研究［J］.鐵道建筑，2019，59（8）：108-112.