連拱隧道洞口仰坡開裂成因分析及處治措施研究

摘要 連拱隧道洞口開挖范圍較大，對山體擾動較大，在降雨等誘因共同作用下易引起仰坡開裂等災害。文章通過對某高速公路連拱隧道洞口仰坡開裂的成因進行綜合分析，結合地表下沉監測數據與補勘地質資料判斷山體的開裂滑塌類型，針對性地提出了洞口反壓回填、封閉裂縫、引排匯水、打設鋼管樁、設置抗滑樁板墻等臨時措施與永久措施相結合的綜合處治方案，并結合隧道施工監控量測和洞口仰坡長期監測數據，分析了處治方案的合理性，驗證了其處治效果。

關鍵詞 連拱隧道；洞口仰坡開裂；成因分析；處治措施

中圖分類號 U457.2 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）24-0121-06

0 引言

隨著高速公路網的不斷推進和完善，目前高速公路建設已從人口稠密的平原微丘地區向地形復雜的山嶺重丘地區發展，且后續實施的各并行線、支線、連接線大部分將穿越山區復雜地質。受山區地形地質條件制約，以及路線選線時平縱技術指標的限制，同時現階段生態環保要求高、建設用地政策控制要求嚴，在分離式隧道難以滿足上述要求的前提下，連拱隧道方案的應用價值將更加突顯。但是連拱隧道也存在洞口普遍偏壓、洞口開挖范圍大、施工工序多、臨時支護多、作業空間狹小、施工效率低等特點，特別是洞口普遍偏壓、開挖范圍大的不利因素極易在施工過程中引起隧道洞口仰坡開裂、失穩、滑塌等災害。因此，全面準確地分析洞口仰坡開裂等災害的成因，針對性地采取切實有效的處治措施，降低施工、運營風險顯得尤為重要[1]。

現以某高速公路連拱隧道洞口仰坡開裂及處治過程為案例，分析病害原因，判斷開裂滑塌類型，提出綜合處治方案，通過隧道施工監控量測和洞口仰坡長期監測數據驗證其處治效果，總結相關經驗，為其他類似連拱隧道洞口的安全施工提供有益借鑒和參考。

1 工程背景

某高速公路隧道為雙向四車道的連拱隧道，起止樁號為K129+914～K130+252，長338 m，進口端洞門采用端墻式，明洞長14 m，出口端洞門采用直削式，明洞長12 m。隧道最大埋深約104 m，第四系覆蓋層較厚，山體植被茂密，以竹子、松樹及灌木等為主。

隧址區地處中低山區，根據地貌形態，結合標高、切割深度，隧址區微地貌單元為侵蝕高起伏低山（Ⅲ2）。隧道沿線地形起伏大，總體中間高、兩頭低，所在山體地面標高為169.60～302.70 m。出洞口位于斜坡地形上，斜坡坡向約276°，自然坡角約32°，表層為覆蓋層（碎石），底部巖性為強-中風化安山巖，巖體破碎，巖層面與進洞口仰坡坡面傾向斜交，兩組節理切割巖體呈塊狀，在降雨等外界因素共同作用下，易產生小規模崩塌。進出洞口及隧道洞身全線范圍內的圍巖級別均為Ⅴ級。

隧址區地下水主要為基巖裂隙水，賦存在風化裂隙及構造裂隙中。大氣降雨是區內地下水的唯一補給來源，雨水多沿基巖表面的裂隙下滲，一部分沿潛水面運移到溪溝中，并以下降泉方式排泄；一部分則沿斷裂運移到深部儲水構造中或側向補給孔隙水。隧道總涌水量為165.53 m3/d。

該連拱隧道暗洞采用新奧法施工，施工步驟如下：中導洞開挖支護—中隔墻施工—主洞開挖初支—仰拱施工—主洞二次襯砌。施工方案中已提出連拱隧道跨度大、開挖斷面大、洞口均處于Ⅴ級圍巖淺埋段、施工難度大等施工重難點，并制定了以下應對措施：

（1）洞口邊仰坡施工采用從上至下、分層開挖、及時支護，若存在偏壓段應優先施作偏壓擋墻，進洞采用C30混凝土型鋼套拱+Ф108管棚注漿，中導洞采用超前Ф42小導管注漿，通過鋼管向圍巖壓注水泥漿以加固圍巖，同時加強洞口段的地表監控量測預警，預防洞口坍塌風險。

（2）雨季前完善排水系統，施工現場儲備足夠能力的排水設備，加強洞口排水。

（3）洞口段開挖采取預留核心土分層切塊開挖法，采用機械+人工開挖，減少圍巖擾動，待進入洞內后及早完成洞口段初期支護的封閉成環。

（4）安排專業人員進行施工過程中的監控量測工作，根據位移管理等級確定施工狀態，及時聯系施工方，根據現場情況及超前預報監控量測資料做好開挖支護工序的調整，必要時可增加臨時仰拱支護或加強鎖腳錨固措施，控制隧道沉降變形。

2 洞口仰坡開裂情況及原因分析

2023年6月10日～11日，進行出洞口仰坡開挖。6月23日～24日，進行洞口仰坡錨噴支護施工。7月24日～8月6日，進行洞口管棚施工。8月19日，進行中導洞開挖。8月21日，發現抱兒山隧道出口端左洞上方仰坡出現裂縫、截水溝開裂。8月24日，踏勘發現用地紅線外山體地表出現裂縫，裂縫近似平行于左洞左側沖溝（如圖1～2所示），樁號范圍為K130+152～K130+204。8月25日，建設單位要求施工單位立即暫停中導洞開挖，對左洞洞口進行堆載反壓，封閉山體地表裂縫，對仰坡進行注漿加固等應急處置措施，及時撤離人員和設備，并要求加強洞口仰坡及套拱的變形和位移監測，以及地表裂縫的觀測。同時，為制定合理的處治方案，決定對洞口進

行補勘。

9月11日～13日，受連續降雨影響，經封閉處理后的山體地表裂縫出現變形（如圖3所示），左洞上方仰坡裂縫發展，套拱和左洞上方仰坡出現開裂，截至9月26日洞頂沉降觀測點的最大沉降累計值為120.6 mm。地表裂縫范圍未見擴大跡象。

結合洞口仰坡開裂發展情況、現場查勘情況、地質補勘結果及其他資料綜合分析，產生洞口仰坡開裂的原因主要有以下三個方面：

（1）降雨影響。降雨是誘發崩塌、滑塌等的外在主要因素[2-3]。隧道出口位于斜坡地層，左側發育沖溝，降雨后極易形成匯水通道，隧道出洞口邊仰坡防護及中導洞開挖期間，正值江淮梅雨季節，曾有過兩次較長時間降雨，降雨強度較大，出洞口山體表層為碎石土，中風化巖層較破碎，且下部夾斷層破碎帶，透水性強，降雨下滲后順風化裂隙、構造裂隙等匯集、運動，導致結構面抗剪強度下降，易產生崩塌[4]。從隧道開挖期間出洞口地表出現裂縫及降雨后地表裂縫出現的變形情況來看，洞口土體穩定性受降雨影響較大。

（2）地質原因。出洞口位于斜坡地形，斜坡坡向約276°，自然坡角約32°，自然狀態下出洞口整體較穩定。出洞口表層為覆蓋層（碎石），底部巖性為強-中風化安山巖，巖面產狀為5°∠36°，巖體破碎，發育兩組節理，分別為J1：235°∠74°，主要充填物為泥質，張開度為1～4 mm，較光滑，延長2.10 m，結合度較差；J2：166°∠80°，主要充填物為泥質，張開度為1～3 mm，較光滑，延長2.70 m，結合程度差。從赤平投影圖可知，巖層面與仰坡坡面傾向斜交；節理J1、J2與仰坡面呈大角度斜交。該山坡巖性為安山巖，巖體破碎，但巖層面與進洞口仰坡坡面傾向斜交，兩組節理切割巖體呈塊狀，在降雨等外界因素共同作用下，易產生小規模崩塌。結合地質補勘結果，隧道出洞口處地形較陡，洞口位于斜坡地層，表層碎石土層較厚，下部中風化巖層夾一層斷層破碎帶，破碎帶層較厚，巖層面與仰坡坡面傾向斜交，節理裂隙發育，在洞口開挖施工過程中，地表土體在不利節理切割、重力、降雨、施工擾動等因素影響下，容易產生裂縫、變形甚至崩塌。

（3）施工原因。洞口一次開挖刷坡范圍較大，仰坡局部刷坡較高，左洞開挖切削坡腳，導致一次對山體卸載量較大，坡面形成卸荷臨空面[5]，在坡頂附近產生一系列拉張裂縫，加之施工期間降雨頻繁，雨水沿裂縫往山體低洼處排泄，軟化和潤滑巖土體，使裂縫進一步增大。因隧道出口處切坡卸載，導致錯動的土體對隧道出口的仰坡面也產生一定擠壓。該斜坡裂縫后緣主拉裂縫貫通，正在發育中，外側下錯，并向兩側延長。前緣先出現平行滑動方向的放射狀裂縫，再出現垂直滑動方向的鼓脹裂縫，因及時對隧道出口段進行填土反壓，未出現坍塌現象。從地表裂縫情況來看，出口左側斜坡，在平面分布與隧道開挖的關系比較密切。裂縫的縱向發育與隧道的左側沖溝基本一致。裂縫邊緣位于隧道左出洞口正上方約35 m的位置，沿山脊線向沖溝處縱深。根據地質調查，裂縫的上下兩側呈現明顯的地形變化，裂縫上部往山體頂部延伸段，山勢變陡，基巖出露，基本無松散覆蓋層，施工單位巡查時也未發現其他明顯的裂縫；裂縫下部往沖溝及隧道出口延伸段，山勢較山體上部略緩，覆蓋層厚度很大，裂縫發育。

3 處治措施

綜合現場踏勘情況，結合補勘資料、超前地質預報及監控量測資料，為減小斜坡裂縫對隧道施工及運營安全的影響，提出以下處治方案：

（1）洞口反壓

對隧道出口段左右洞進行反壓回填[6]，增加回填范圍，分級夯實，確保洞口段坡體穩定后，先施工中導洞，再施工明洞。

（2）打設鋼管樁

沿左洞左側山體打設φ108 mm鋼管樁，樁長20～30 m，樁距1.5 m，鋼管樁設置3排，呈梅花形布設，內設鋼筋籠，樁頂設置鋼筋混凝土冠梁，提高鋼管樁加固效果，鋼管樁深入完整基巖的深度不小于6 m，不大于三分之一的樁長，可根據現場實際地質情況進行適當調整。

（3）設置抗滑樁板墻

在左洞洞口左側設置抗滑樁板墻，對上方滑動土體進行支擋，避免對洞口施工和運營安全產生影響[7-8]?？够瑯稑稄?.5 m，樁長15 m，間距4.75 m，進行隔樁跳打。

（4）直削式洞門調整為端墻式

將出口端原設計的直削式洞門調整為端墻式洞門，洞門墻采用2 m厚的C25鋼筋混凝土，對洞口結構物基礎進行加固處理，并對明洞拱背進行反壓回填，保證洞門結構穩定。

（5）中導洞增設仰拱

隧道出口端中導洞初期支護增設仰拱，及時封閉成環，提高中導洞開挖初期支護的整體穩定性，確保施工期間安全。

（6）封閉裂縫、引排地表水和地下水

對地表裂縫進行夯實、封閉處理；對洞口左側沖溝進行改溝處理，將沖溝內匯水引排至路塹坡頂的截水溝；洞口仰坡面增設仰斜排水孔，及時引排地下水，防止山體下滲雨水滯留在仰坡內[9]。

4 處治效果觀測分析

隧道出口地表沉降測點布置了2個斷面，分別為K130+229（8個測點）和K130+224（10個測點），后又陸續新增部分測點，測點布置圖如圖4所示。洞內拱頂下沉及周邊位移測點布置圖如圖5所示。為保障后期施工及運營安全，能夠對仰坡變形做到及時預警，建設單位另外增加了北斗GNSS長期監測系統，設置了4個監測點，布置圖如圖6所示。

通過對洞口地表沉降、中導洞拱頂下沉、周邊位移及北斗GNSS長期監測系統等監控量測數據進行分析，驗證綜合處治措施的效果。

（1）隧道出口地表沉降數據分析

以K130+229斷面的8個測點為例進行分析，左洞上方D1、D2、D3測點在2023年9月13日左右沉降量急劇加大，與9月11日～13日連續降雨過后裂縫進一步擴大相對應（如圖7所示）。停止中導洞開挖，左右洞口全部反壓回填后沉降速率逐漸放緩。在增加反壓回填范圍、山體逐漸趨于穩定的情況下，為加快施工進度，避免耽誤工期，經專家綜合分析研判，于11月9日在鋼管樁及抗滑樁板墻同步施工的同時開始中導洞的掘進，掘進后D1、D2、D3測點的沉降量有所增大，但仍處于Ⅲ級位移管理等級，在可控范圍內（如圖8所示）。

（2）中導洞拱頂下沉、周邊位移數據分析

以K130+252.2斷面拱頂下沉及上下臺階周邊位移為例進行分析，中導洞掘進支護后的一個月時間內，拱頂下沉和周邊位移逐漸緩慢擴大，變形速率在可控范圍內，一個月后基本收斂（如圖9～10所示），表明周邊圍巖應力重分布已基本完成，圍巖已基本穩定。2024年3月31日，中導洞貫通，在貫通過程中地表無進一步塌陷，已支護段無開裂，鋼拱架無壓屈現象，表明在洞口反壓回填穩固山體的情況下，進行的中導洞施工受仰坡開裂滑塌影響較小，風險基本可控[10]。

（3）北斗GNSS長期監測系統監測數據分析

北斗GNSS長期監測系統的4個監測點于2024年4月2日建設完成并開始監測，截至4月23日，GNSS-1號北斗監測站平面方向累計位移為9.43 mm，垂直方向累計位移為14.61 mm，該測站高程有抬升趨勢，推測原因為后緣巖土體變形擠壓至鋼管樁支護結構時導致該區域向上隆起；GNSS-2號北斗監測站平面方向累計位移為1.60 mm，垂直方向累計位移為-4.07 mm；GNSS-3號北斗監測站平面方向累計位移為3.03 mm，垂直方向累計位移為2.40 mm；GNSS-4號北斗監測站平面方向累計位移為1.50 mm，垂直方向累計位移為6.03 mm；仰坡整體基本穩定，未發出預警。

上述數據分析均表明綜合處治措施對山體開裂滑塌病害起到了較好的控制作用，有效保障了后續施工的運營安全，形成了一套較為成熟的洞口仰坡開裂滑塌病害的處治方案。

5 結論

（1）根據補勘結果可判定隧道左洞左側仰坡為典型堆積體，下伏強-中風化安山巖較為破碎，加之此次連拱隧道洞口一次開挖的范圍大，特別是左側山體卸載量較大產生臨空面，堆積體在坡頂產生牽引裂縫，又正逢連續降雨，雨水沿裂縫深入山體，潤滑了滑動面，導致裂縫進一步加大，堆積體向洞口及沖溝方向下錯滑動，擠壓洞口。因此，在洞口不良地質情況下連拱隧道洞口開挖應盡量避免一次大范圍開挖，宜首先局部開挖中導洞洞口部分，工期安排上應盡量避開雨季并做好洞口周圍地表水、地下水的導排措施。

（2）在隧道洞口山體發生開裂滑移等情況時，應立即在開挖面處采取回填反壓等臨時措施，同時封閉裂縫，以最快速、經濟、合理的應急措施防止山體位移進一步加大，待險情得到一定控制后再根據滑塌類型進行針對性處治。該文所述隧道洞口仰坡開裂為典型的堆積體牽引裂縫，因此采取鋼管樁“護腰”及抗滑樁板墻“固腳”的永久處治措施，同時為進一步保障施工和運營安全，在隧道出口端中導洞增設仰拱，并將直削式洞門調整為端墻式。

（3）現場觀測的裂縫發展情況、洞口地表下沉、中導洞拱頂下沉、中導洞周邊位移等監控量測數據，以及北斗GNSS長期監測系統數據表明，一系列綜合處治措施實施后，洞口仰坡山體已趨于穩定，仰坡滑塌風險得到了有效控制，在中導洞及中隔墻施工完成后可進行主洞開挖。主洞開挖期間仍應加強監控量測，根據仰坡位移及洞內圍巖變形情況及時動態調整開挖方式及支護類型。

參考文獻

[1]張超，吳華，姜同虎.釣魚臺隧道洞口崩塌成因分析與處治措施研究[J].巖土工程技術， 2024（1）：58-64.

[2]許可，舒小娟，王智超，等.隧道洞口段山體開裂及影響研究[J].土工基礎， 2022（2）：191-196.

[3]張宇輝.隧道洞口坡體開裂變形的原因分析及處理[J].黑龍江交通科技， 2015（9）：94+96.

[4]段緒彬，潘夏瑋，莫千南，等.暴雨對隧道仰坡穩定性的影響研究[J].西部交通科技， 2023（8）：125-129.

[5]朱容辰.客運專線鐵路隧道高陡坡洞口開裂整治技術研究[J].鐵道標準設計， 2016（3）：112-116.

[6]黃家建.隧道洞口仰坡開裂加固處治措施[J].城市建設理論研究（電子版）， 2023（12）：122-124.

[7]張運良，陳富東，陳英烈，等.隧道邊仰坡滑塌處治及二次進洞施工技術實例研究[J].鐵道科學與工程學報， 2019（4）：992-1000.

[8]李浩，鄭國平.某小凈距隧道洞口坍塌處理方案比選[J].公路交通科技（應用技術版）， 2017（1）：119-121.

[9]王俊媛.淺談公路隧道洞口邊仰坡坍塌處治[J].黑龍江交通科技， 2017（9）：164-165.

[10]黎曉剛，周建春.某淺埋公路隧道洞口段開裂處治及監測分析[J].施工技術， 2013（1）：105-107+112.