隧洞進出口高邊坡巖體穩定性分析與處理方法

周鶴

（新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

某高速公路的K17+454～K17802 段擬建一座分離式隧道，全長為351 m，呈直線型展布。隧道開挖斷面為馬蹄形，直徑為9.50 m，上部覆土最大厚度11.30 m。隧洞進口地形陡峭，自然坡度77°～83°，坡面上植被稀疏，部分區域基巖完全裸露；隧洞出口坡度較為平緩，自然坡度52°～56°。隧洞進出口處巖石以燕山期閃長巖為主，呈青灰色、淺灰色，碎塊狀構造。進口高邊坡的節理裂隙發育，風化情況嚴重。隧洞節理面以NE向和NW向節理為主，多為共軛節理，特征如下：

節理1：N20°W/50°SW，d=0.20～0.50，l＞10 m，微張，略有充填；節理2：N48°W/52°NE，d=0.08～0.30，l＞10 m，微張，略有充填；節理3：N76°E/73°NW，d=0.10～0.40，l＞10 m，微張，略有充填；節理4：N35°E/66°SE，d=0.02～0.05，l＞5 m，微張，略有充填。

2 隧洞地質特征

2.1 地層巖性特征

根據地質勘察結果，該隧洞的出露地層以泥盆系中統東崗嶺階上段灰巖和第四系殘坡積黏土為主。灰巖呈深灰色，為中厚層狀構造，溶蝕作用發育，表層分化情況嚴重，巖體破碎。受斷層影響，隧洞的進口地層產狀為3°∠15°，出口地層產狀為230°∠5°。在隧洞附近10 km范圍內有2條斷層，但是未見活動跡象。鉆孔取樣分析表明，斷層兩側有破碎帶分布，并且破碎帶的巖石性質為灰質斷層角礫巖，硬度較低，穩定性差，隧洞施工中可能會出現崩塌情況，需要采取支護措施。

2.2 水文地質條件

該隧洞的地表水主要來源于季節性沖溝水，集中在每年的7、8 月份。隧洞的進出口均為坡度大于50°的斜坡，地表水位低于設計洞口標高，因此即便是在雨水較多的夏季也不會發生漫淹的情況。降雨后形成的地表水一部分下滲，另一部分沿著沖溝、坡面凹溝形成徑流。該隧洞地下水以松散層孔隙潛水和基巖裂隙巖溶水為主，地下水的水量受到裂隙發育程度、孔隙率及降水量等多種因素的共同影響。在夏季雨水豐沛，并且節理裂隙發育較好、孔隙率較高的區域，地下水的水量會明顯升高，局部可能形成透水帶，在隧洞開挖時有一定的涌水風險。

3 隧洞進出口高邊坡巖體穩定性分析

3.1 進口穩定性分析

該隧洞進口的赤平投影如圖1所示。

圖1 隧洞進洞口結構面赤平投影圖

圖1 中，P 為坡面，傾向為82°，傾角為89°；C 為產狀，傾向為3°，傾角為15°；L1和L2為兩條裂隙，傾向分別為3°、215°，傾角分別為69°、27°，該進洞口包含了P-C、P-L1、P-L2、C-L1、CL2、L1-L2 六個結構面。節理裂隙L1 和L2 的特征如下：L1 節理裂隙的產狀為0°∠69°，發育密度1～2條/m，豎向切深超過3 m，水平延伸超過1 m，有穿層現象；L2節理裂隙的產狀為215°∠27°，發育密度1～2 條/m，豎向切深超過3 m，水平延伸超過1m，有穿層現象。

隧洞的進口在一個南北向的斜坡上，根據地質勘查結果，該斜坡上部覆土為粉質黏土，厚度為50～58 cm。淺表層巖體破碎情況嚴重，坡面角度為77°～83°，洞口斜坡臨空面與路線走向呈60°斜交。考慮到洞口巖石裂隙發育成熟，如果直接進行隧洞開挖很容易因為邊坡失穩而發生坍塌，所以隧洞進洞口開挖作業前必須要采取支護措施。理論上來說，第四系土層的放坡率為1∶1.5、強風化層的放坡率為1∶1是比較合適的，同時還要在坡面采取保護措施，防止隧洞開挖時進洞口出現大范圍坍塌事故。該隧洞的進口斜坡坡向為83°，表層溶蝕發育、巖質偏軟，節理裂隙L1和L2組合切割巖體，影響斜坡穩定性。

3.2 出口穩定性分析

該隧洞出口的赤平投影如圖2所示。

圖2 隧洞出洞口結構面赤平投影圖

圖2 中，P 為坡面，傾向243°，傾角51°；C 為產狀，傾向240°，傾角5°；LX1和LX2為兩道裂隙，傾向分別為145°、260°，傾角分別為65度°、78°，隧道出洞口有P-C、P-LX1、P-LX2、CLX1、C-LX2、LX1-LX2 六個結構面。節理裂隙LX1 的產狀為260°∠78°，發育密度1～2條，豎向切深超過3 m，水平延伸超過1 m，微張，有穿層現象，節理裂隙LX2的產狀同上。

該隧洞的出口在東北向的斜坡上，上部覆土為殘坡積層，坡體自然坡度在52°～56°之間，洞口斜坡臨空面與路線走向呈45°斜交。出口仰坡為順向坡，并且洞口巖石裂隙發育一般，巖體破碎情況并不嚴重，直接進行隧洞開挖發生邊坡失穩的概率不高，如果能做好坡面截流排水措施，可不做特殊加固處理。理論上來說，第四系土層的放坡率應達到1∶1.5，強風化層的放坡率應達到1∶1，中風化層的放坡率應達到1∶0.8。結合水文地質條件，該區域松散層有較好的透水性，但因位置較高，實際含水量不高，所含水分以風化裂隙水為主。地下水的水位季節性變化明顯，基本上不會影響到洞口的穩定性。但在夏季雨水較多、降水集中的情況下，雨水和坡面徑流的沖刷作用可能會對洞口高邊坡的穩定性產生不利影響，因此在隧洞出洞口高邊坡要采取截流排水措施。考慮到隧洞出口坡面較緩，且巖體破碎情況一般、巖質較硬等情況，對出洞口支護加固的要求不高。

3.3 洞身圍巖穩定性分析

此隧洞的最大埋深為185 m，屬于低應力場，不具備爆破條件。圍巖的主要成分是泥盆系中統東崗嶺階上段中風化灰巖，中厚層狀構造，結構結合面整體較好，圍巖級別為IV～V級。

4 隧洞進出口高邊坡巖體的處理方法

4.1 處理方案的比選

根據隧洞現場情況和穩定性分析，初步設計了2種洞口高邊坡穩定方案。方案一為爆破挖出不穩定組合體，然后采用錨噴支護的方式；方案二為強支護，支護方案為超前錨桿+鋼拱架+20 cm 混凝土噴護。由于隧洞進洞口高邊坡較陡，局部可以達到80°，坡腳出應力較為集中，在受到震動或者是強降雨后，高邊坡滑塌的概率也會明顯上升。這種情況下若采用強支護方案，如果支護施工結束前高邊坡失穩滑動，將會導致后續施工無法繼續進行。鑒于該隧洞的高邊坡上尚未形成滑移面，可按照巖體的最優穩定坡比確定需要挖除的不穩定組合體的范圍，避免了超挖或欠挖的情況，降低了高邊坡巖體處理的技術難度和施工成本。因此，從技術可行性上來看，方案一更適合此次隧洞進口高邊坡巖體的加固處理。

4.2 爆破處理方法

為保證施工安全，從隧洞進洞口向前推進10 m 后開始進行爆破作業。在巖土分界處設置馬道，洞口開挖坡比設定為1∶0.6，按照“自上而下”的順序分層施工，首先清理上部覆蓋層，然后挖除下放石方。以隧洞的洞頂為界限，洞頂以上部分使用潛孔鉆造孔梯段爆破，邊坡預裂爆破；洞頂以下部分采用氣腿式鑿巖機鉆孔，邊坡光面爆破。處理方法如下：

清理作業面的松動石塊后，按照施工圖紙進行現場測量放線，標記出鉆孔位置。經復核無誤后，在預裂爆破區域內使用潛孔鉆在標記出的孔位上鉆孔。鉆孔深度為30 cm，孔徑為35 mm，周邊控的孔距為鉆孔直徑的8～10倍。完成鉆孔后，清理孔內的石渣，檢查成孔效果。確定無內壁開裂等問題后，裝入炸藥。預裂爆破中使用的炸藥為2#巖石乳化炸藥，藥卷直徑為30 mm，裝藥方式為不耦合裝藥。梯段爆破高度為8.50 m，采用潛孔鉆造孔，并將炮孔以梅花形布置，裝填硝銨炸藥。光面爆破采用水平鉆孔，裝藥方式為不耦合裝藥。

爆破結束后，清理現場石塊，檢查確認隧道進洞口高邊坡不存在松動石塊后，開始進行洞臉邊坡支護。在邊坡上以梅花形布置砂漿錨桿，所用錨桿的直徑為20 mm、長度為2.80 m，排間距為1.20 m。將砂漿錨桿插入高邊坡并進行固定后，在錨桿上掛鋼筋網。此次作業中所用鋼筋網的規格為φ10@180 mm×180 mm，鋼筋網與錨桿之間采用鋼絲綁扎方式予以固定。保證鋼筋網緊貼在坡面上，然后將準備好的C30混凝土噴射到鋼筋網上。為提高鋼筋混凝土結構的穩定性，分兩次噴射混凝土，初噴厚度為5 cm，保證混凝土厚度均勻，等到混凝土初凝結束后，再復噴混凝土。復噴厚度為5 cm，噴射結束后進行養護。待混凝土完全硬化后，即可保證洞口高邊坡的穩定性。

5 結語

隧洞進出口的高邊坡是施工中需要重點處理的對象，對高邊坡且巖體不穩定的隧洞，在進出口施工前需要使用赤平投影法，對滑面穩定性展開分析。對于在自然狀態下處于不穩定狀態的巖體，必須要先采取防護措施，在保證安全的前提下再進行隧洞施工。相比于強支護措施，文章提出了一種先進行爆破清理不穩定組合體，然后再進行砂漿錨桿噴錨支護的方案，能夠顯著提高隧洞進出口的結構穩定性，為下一步的洞內掘進施工創造了安全的作業環境。