軟巖隧道出口變形成因分析及穩定性研究

摘要：軟巖隧道進出口段施工造成斜坡巖體產生滑動、內部蠕變和坍塌失穩等現象，不僅影響施工安全，也影響施工進度，因此對軟巖隧道出口變形成因進行分析和治理加固尤為重要。以重慶大坪隧道為研究對象，通過地質調查、監控量測等的方法，對隧道出口穩定性進行了深入分析，提出了應急處治，洞口、洞外處置措施等方案，揭示了軟巖隧道出口變形成因機制。

關鍵詞：軟巖隧道; 出口變形; 穩定性; 加固

中國分類號：U453.1A

［定稿日期］2022-12-07

［作者簡介］王赟（1980—），男，碩士，高級工程師，主要從事城市軌道交通等方面施工工作。

0 引言

中國是地質災害多發國家，其中隧道塌方、滑坡等是工程的主要災害，每年給國家和人民造成巨大傷害和財產損失。由于受工程地質條件，水文地質等條件影響，軟巖隧道進出口段施工造成斜坡巖體產生滑動、內部蠕變和坍塌失穩等現象，不僅影響施工安全，也影響到施工進度［1-2］。盧歡［3］對隧道工程施工方面進行了大量的研究，淺埋隧道偏壓小凈距施工過程中洞口滑坡的變形破壞演化機制，滑坡穩定性評價得到了廣泛研究，鄧慶等［4］學者結合ARCGIS數據分析方法，對邊坡穩定性評價及計算分區進行了量化分析，并提出了基于動態和整體強度折減法的穩定性評價方法。陳國慶等［5-8］有些學者基于基礎理論分析及實際中的具體應用，采用剩余推力法和圓弧滑動法對出口段斜坡的穩定性進行了定量計算，李曉珍等［9-10］結合斜坡體出現多種變形特征的原因，對整個斜坡變形體進行了全方位勘察和穩定性評價。國內外學者對軟巖隧道進出口段施工進行了分析，也取得了一些借鑒性的成果，但由于工程地質復雜多變，不穩定斜坡自身變形特征和場地條件的差異，導致隧道施工產生變形的不盡相同，應有針對性地采取相應的工程措施。

本文針對大坪隧道出口段施工存在的問題，結合工程地質條件和水文地質條件，揭示了軟巖隧道出口變形成因及形成機制，并提出了針對性的施工措施，研究結果對類似工程提供了參考依據。

1 工程概況

重慶巫溪至陜西鎮坪高速公路大坪隧道為分離式+小凈距組合式隧道，位于巫溪縣大河鄉兩河口，為雙向行駛的雙洞四車道高速公路隧道。隧道左、右洞長度分別為617 m和593.5 m，縱面采用2.1%的單上坡，洞內采用電照明，自然通風（進洞100 m后采用機械通風），自然流水，大坪隧道連續長度超過100 m的Ⅴ級圍巖段落集中分布在臨近隧道出口段的洞身段。大坪隧道位于巫溪縣大河鄉兩河口，為雙向行駛的雙洞四車道高速公路隧道。

左線起始里程：ZK17+031～ZK17+648，長617 m，出口段為連續182 mⅤ級圍巖（40 mSTS、142 mS5b）；右線起始里程：YK17+035.5～YK17+629，長593.5 m，出口段連續175 mⅤ級圍巖（74 mSTS、101 mS5b）；為分離式（出口）+小凈距（進口）組合隧道。左右線縱面分別采用2.1%、2.0%的單上坡，進出洞口均采用端墻式洞門。大坪隧道為小凈距（ZK17+031～053.5、YK17+035.5～YK17+057.5）+分離式隧道。進口近于垂直地形進洞，進口無偏壓；出口段存在淺埋、偏壓，右線洞身局部段落淺埋。進出口段均為Ⅴ級圍巖淺埋段，進口段基巖出露，出口段地表崩坡積碎塊石土覆蓋，厚15～35 m，厚度較大，受山體淺埋偏壓影響嚴重，淺埋段統計如表1所示。

1.1 地形地貌

隧址區位于構造侵蝕中低山區，隧道沿線山脊走向呈東西向，隧道穿越區主要為頁巖山脊，地形標高420～530 m，相對高差不大;隧道軸線走向約12°～18°，設計路面高程417～430 m，洞身最大埋深102 m;隧道出口位于斜坡上，坡向40°，坡度35°。

1.2 工程地質

隧道穿越志留系地層，進洞口基巖出露，出洞崩坡積碎塊石土體較厚，現狀穩定，隧道開挖后可采用清除土體或支護等措施進行處理。設計單位通過對沿線的工程地質測繪，沿線未見不良地質現象、斷層破碎帶等。隧道穿越一背斜，軸部構造擠壓強烈，巖體較破碎，背部軸部為頁巖。隧址區整體穩定。隧道出口位于斜坡中上部，地形坡向40°，坡度35°。地表碎塊石土層覆蓋，結構中密，厚約20～25 m，主要由頁巖碎塊石和粉質黏土組成，其中碎塊石粒徑10～50 cm，最大超過1 m，含量50%～65%，稍濕。下伏基巖為志留系頁巖，強風化帶厚度較大，中風化巖體破碎，巖層產狀4°∠58°，屬切向坡。頁巖強度較低，屬軟巖。基巖傾角與地面坡度一致。斜坡周圍無地表水體，自然斜坡無變形現象，現狀穩定，安全儲備不高，為保證隧道施工和運營過程中的整體穩定性，設計采取地表注漿加固和抗滑樁進行處治。

（1）抗滑樁支擋設計：采用人工挖空樁，共布置15根，截面尺寸為2 m×2.5 m，樁中心距為5 m，嵌入較完整基巖面不小于12 m。

（2）地基處理設計：隧道出口明洞段基底位于坡積碎石土中，為防止明洞回填使地基產生較大沉降、降低隧道運行期間安全性，地基采用注漿鋼花管微型樁處理，113×4 mm鋼花管間距1.2 m×1.2 m（交錯布置），長度8 m，若該范圍內遇基巖，則鋼管樁嵌入強風化層不小于0.5 m。處理后的復合地基承載力容許值不應小于300 kPa。

巖土工程與地下工程王赟： 軟巖隧道出口變形成因分析及穩定性研究

1.3 水文地質

隧址區東側約350 m處為自北向南流經的大寧河，大寧河在此段的河床高程265～270 m，是隧址區地下水的最低侵蝕基準面，隧址區的地下水和地表水均排向該河流。大坪隧道出露基巖為志留系中統徐家壩組頁巖，出洞口附近有較厚的碎石土，隧址區未見地表水體，周圍未見井泉等地下水露頭。隧址區地表存在少許第四系松散巖類孔隙潛水和基巖網狀風化裂隙水，但水量少，對隧道無影響。中風化基巖賦水性及透水性差，屬相對隔水層，枯季徑流模數為0.81 L/s·km2。隧址區第四系松散巖類孔隙潛水和基巖網狀風化裂隙水等地下水主要受大氣降雨補給，地下水順孔隙或風化裂隙流動，一般徑流距離短，具有就近補給就近排泄額特點，隧址區內大寧河為區內地下水排泄區。總之，隧址區地表水和地下水貧乏，志留系碎屑巖屬相對隔水層，本區水文地質條件簡單。

1.4 大坪隧道出口V級圍巖設計

（1）出口段：長度36 m，地表崩坡積碎塊石土覆蓋，厚約15～35 m，厚度較大，結構中密。地形坡度約35°，洞壁少量滴水。

（2）洞身段：長度136 m，圍巖為徐家壩組頁巖，巖層單斜，據附近鉆探揭露中風化巖體整體較破碎，裂隙塊狀結構。雨季洞壁少量滴水，Rc=11.0 MPa，Kv=0.45，K1=0.4，K2=0.2，K3=0，BQ=236，［BQ］=176。

（5）Ⅴ級圍巖段落集中分布在臨近隧道出口段的洞身段，連續長度超過100 m。

（6）隧道左、右線出口縱橫斷面見圖1、圖2。

2 軟巖隧道出口施工存在的問題

工程施工中發現，在YK17+624～YK17+622處出現裂縫，后下大雨期間日常進行裂縫巡查，裂縫部位及長度統計如表2所示。

施工中用水沖洗二襯表面后，發現第一至四板二襯均在左側拱腰處（第三、四排窗口附近）發現裂縫，如圖3所示。

3 軟巖隧洞處置措施

3.1 應急處治

（1）完善隧道洞頂防排水措施，對已出現破損、裂縫的排水溝和坡面進行修復，封閉所有滲水部位。

（2）洞口反壓樁施工形成的超挖坡體，應立即采用C20混凝土反壓回填至原貌，以減小偏壓的影響。

（3）對地表進行補注漿加固，加固后的巖土體無側限抗壓強度應達到原設計要求。

（4）加快施作隧道洞口下方設計變更增加抗滑樁和邊坡防護。

（5）暫停洞內開挖施工。

3.2 監測與穩定性分析

（1）隧道出口段300 m范圍整個坡體進行全方位監測（洞頂及以上邊坡、洞口及邊坡和右側邊坡及連接線路基），監測項目包含坡體表面位移、巖體深部位移及地下水等，由地勘專業復核具體監測方案。

（2）實測并繪制地質縱橫斷面，橫斷面縱向范圍為洞外10 m至洞內200 m，間距5 m，橫向范圍包括連接線路基及影響范圍；地質縱斷面為隧道軸線及邊墻外2 m處共計6個斷面。

（3）加強隧道內周邊位移、拱頂下沉、拱腳下沉（洞口范圍200 m，間距為5 m）及地表變形（洞口范圍100 m，間距為10 m）的監測量測，測點按規范要求布設，應能真實反映圍巖的變形情況；注意基準點及測量設備的選擇，提高結果的可靠度與精度。

（4）建議進行圍巖內部位移、錨桿軸力、圍巖壓力（圍巖與初期支護、初期支護與二次襯砌）、支護襯砌內應力的監測（洞口范圍200 m，間距為20～40 m）。

（5）勘察單位根據監控量測結果及補充地質調查分析，進一步明確大坪隧道及影響范圍內坡體是否存在長期緩慢變形及穩定性問題。

3.3 洞口、洞外處治措施

（1）接長升高部分反壓樁樁頂標高，樁頂設置鋼筋混凝土冠梁（冠梁寬2.0 m，高1.8 m）將各反壓樁連為一體，以提高樁的整體高度及抗變形能力。

（2）洞口外，左右洞間設C25混凝土偏壓墻，偏壓墻前端與左洞洞門墻齊平，偏壓墻墻底需設3根以上支撐兼反壓樁，該偏壓墻需盡早施作，但施作后占據了右洞的施工通道。

（3）提高洞門墻高度1～2 m，以提高洞頂反壓回填的高度。

（4）盡快施作洞口明洞及洞門結構，以便及時進行洞頂反壓回填，明洞底需設多根支撐兼反壓樁。

（5）右洞洞口右側設C25混凝土偏壓墻，范圍為洞口60～80 m，偏壓墻墻底需設支撐兼反壓樁。

（6）反壓樁上設預應力錨索。

（7）坡體整體加固處治。

3.4 洞內處治措施

（1）開挖已初支段落，采用自進式錨桿+注漿小導管進行圍巖加固，其支護參數同DBXc型襯砌（自進式錨桿長7 m，注漿小導管長4 m），自進式錨桿錨墊板尺寸調整為250 mm×250 mm×12 mm，并預加200 kN壓力。

（2）隧道出口左洞160 m、右洞200 m范圍內未開挖段落按DBXa型襯砌開挖支護，但系統錨桿調整為自進式錨桿+注漿小導管（參數同DBXc型襯砌）。

（3）應對注漿加固后圍巖進行承載力檢測，其無側限抗壓強度土層段不應低于3 MPa，巖層段不應低于6 MPa。

（4）應逐根對自進式錨桿抗拔承載力進行檢測，其抗拔承載力不應低于250 kN。

（5）建議將本隧道開挖掘進施工場地調整至隧道進口，隧道出口應進行專門的大變形處治，避免交叉施工影響處治效果、施工質量及總體工期。

4 軟巖隧洞監控量測及穩定性分析

4.1 監測點布置

右洞洞口二襯出現縱向裂紋，左洞ZK17+639初支左右拱腰處均出現“八”字型裂縫，對洞口邊坡進行加密布點監測，如圖4所示。1個月后根據要求對左右洞仰拱進行布點監測，仰拱按每20 m在仰拱填充左右側布置一組監測點，總布置5組監測點。然后對二襯進行布點監測，二襯按每板拱腰交接處進行布點監測，共布置5個監測點。左右洞內初支布點按照規范要求進行布置。洞內初支目前每5 m一個斷面進行布點，每個斷面拱頂一個沉降觀測點，拱腰及下導各一組基線收斂點。

4.2 大洞身加固后沉降觀測情況

大坪隧道出口段加固里程為YK17+550～YK17+425，共計25個斷面。累計沉降值在70 mm以上共計1個斷面，60～70 mm共計1個斷面，50～60 mm共計3個斷面，40～50 mm共計7個斷面，30～40 mm共計9個斷面，20～30 mm共計3個斷面，15～20 mm共計1個斷面。累計收斂值在40～50 mm共計3個斷面，30～40 mm共計2個斷面，20～30 mm共計16個斷面，15～20 mm共計1個斷面。大坪隧道右洞加固后累計沉降最小數據16.3 mm，累計收斂最小值13.9 mm，如圖5所示。大坪隧道左洞加固后累計沉降最小值為12.5 mm，累計收斂最小值為13.6 mm，如圖5、圖6所示。

4.3 洞身加固處置后二襯施工結果

大坪隧道出口段右洞YK17+552-YK17+528段初支加固完成后，經連續沉降觀測數據滿足規范要求后，分別在施工YK17+552-YK17+540段和YK17+540-YK17+528段S5b二襯。截止施工加固后半年，上述段落未發現洞身偏壓造成的二襯裂縫，加固處置結果如圖7所示。

5 結束語

針對大坪隧道施工現狀和存在的問題，提出了應急處治，監控量測，洞口、洞外處置措施等方案，并對軟巖隧洞監控量測結果進行了分析，得到了軟巖隧道出口變形起因。同時通過在洞口、洞內和洞外進行加固的方式，嚴格控制了洞口及洞內的沉降，提高了施工效率，節約了成本。

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