三凯高速公路寨头隧道设计、施工、病害的思考

薛文勋

【摘 要】隧道施工在“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭”的施工思路指导下，根据实际围岩变化情况，调整施工方案，在浅埋段，一般地质条件较差，易受地表因素影响。此时隧道施工难度主要表现为成洞困难，常发生塌方、冒顶事故、边仰坡开挖后易发生坍塌，在洞内由于围岩的变化需调整支护参数、施工方案，科学的施工方法和施工工艺是控制病害发生和发展的重要方面，它包括施工季节的选择、开挖顺序的确定、防护工程的及时实施等方面。加强施工中动态监测，采用信息施工法，可以有效地指导施工和验证设计的合理性及可靠性。三穗至凯里高速公路寨头隧道施工就是其中的一例，在这方面取得一点经验，现谈谈体会。

【关键词】隧道 施工 病害 思考

一、工程概况

三穗至凯里高速公路属国道主干线上海至瑞丽公路在贵州境内的一部份，双向四车道，路基宽度为24.5米，设计时速为80km/h，隧道较多，寨头隧道为其中的一座，寨头隧道为联拱隧道，单洞限界净宽：2×3.75m车行道+2×0.5m路缘带+2×0.25m余宽+0.75m检修道=9.75m。限界净高：5.0m。路面横坡：单面横坡3%。设计荷载：汽车-超20级、挂车-120。隧道桩号为：K74+420~K74+765，隧道长度为：345米。

寨头隧道属三凯高速公路第四合同段，原线路设计中里程为K74+510~+760，全长250m，连拱隧道，在K74+510~+560段，采用暗挖形式通过高陡自然斜坡，衬砌形式采用II类加强衬砌，K74+560~+600段为明洞。后经地质勘察证实，K74+420~+560段为一老滑坡体，K74+420~+510段的滑体已滑走，自然地形较陡，如按设计坡率刷方，将出现70~90m的高边坡，K74+510~+560段的滑体尚未发生大滑动，在地形上形成一山脊。鉴于这种情况，有关设计单位对此段进行了设计变更，在确定方案时主要考虑以下三个因素：①K74+510~+560段隧道位于老滑坡残留体上；②出现高边坡；③线路左侧下部为一小学，如果进行刷方，施工爆破产生的飞石和危石威胁学生安全，小学搬迁费用大。经多方论证，决定将隧道向三穗方向延长90m，即隧道进口的线路里程改为K74+420，延长隧道形式采用抗偏压框架和抗偏压挡墙；另外对K74+510~+560段的滑体设置抗滑桩进行支挡，具体工程措施如下：（1）K74+420~+560段地表注浆：在该段范围内采用地表注浆进行预加固，沿线路长140m，垂直线路宽34.3m，加固深度4~10m。（2）K74+485~+520段抗滑桩：在距右线隧道中线右侧10m处设置一排抗滑桩，共计8根，桩身截面为2m×3m，桩中至中间距5m，桩长28~35m，抗滑桩顶采用地梁连接成整体。（3）K74+420~+500段抗偏压框架：左线采用抗偏压框架，右线仍采用暗挖隧道。抗偏压框架具体设计为：①外墙：承载桩为基础，桩间设置30cm厚的挡渣板，桩与桩采用地梁连接，地梁上施做外墙，桩间外墙采用拱形连接，外墙顶宽1m，胸坡1：0.3，底宽4.24m，高10.8m，采用现浇钢筋混凝土；②内墙：由1.5m×2.5m的中墙桩与中墙挡板、外加30cm厚的防水墙组成；③顶板：顶板为跨度11.4m、厚1m的钢筋混凝土板；④底板：底板为跨度11.4m、厚1.2m的钢筋混凝土板。（4）K74+500~+535段抗偏压挡墙：K74+500~+535段左幅隧道因地形原因处于偏压状态，所以在隧道外侧设置抗偏压挡墙结构。抗偏压挡墙采用矩形承载桩作基础，桩间设置挡渣板，桩与桩之间采用地梁连接，在地梁上设置挡墙。隧道采用暗挖法施工。

2003年4月隧道自出口向进口方向开始单向掘进，至2004年6月，K74+600~+760段隧道贯通，K74+560~+600段的明洞基础形成，随即开始K74+510段中导洞的开挖工作，至2004年8月，中导洞开挖了20m。受中导洞开挖和自然降雨的影响，加之K74+485~+520段抗滑桩尚未施工，K74+510~+560段的老滑坡残留体出现变形迹象，在距线路中线60m的右侧山坡上出现一长50m、宽3~6cm的贯通裂缝，2004年10月，坡体变形加速，中导洞混凝土开始开裂、掉块。根据坡体变形情况，设计单位对设计进行变更，主要内容有：①调整原设计变更中抗滑桩，抗滑桩位置向山侧平移5m，范围调整为K74+485~+565，抗滑桩数量调整为14根，桩截面调整为2.2m×3.4m，桩长32~55m；②在K74+535~+560段隧道开挖轮廓线左侧增设一排抗滑桩，共计5根，桩身截面为2m×3m，桩中至中间距6m，桩长30m；③为尽快稳定山体和保障抗滑桩的施工安全，在抗滑桩靠山侧的坡面上增设预应力锚索框架，共计24片，96根预应力锚索。至2005年8月，抗滑桩与预应力锚索框架施工完毕，

坡体趋于稳定，隧道转入正常开挖。

综合治理平面图

二、工程地质条件及评价

1.地形、地貌：寨头隧道位于台烈镇寨头村北面，地处贵州高原东部苗岭山区。隧道进、出口高程分别为698、692米，隧道轴线峰顶高程为710~740米。由元古界上板溪群清水江组第三段板岩等变质形成的峰丛及沟谷，属构造剥蚀的由浅变质岩组成的中低山地貌。隧道轴线由近北东向至南西向沿山体斜坡横穿山脊，其南东南为斜坡地形，植被发育。

2.不良地质现象：隧道进口段位于山体斜坡上，坡度较陡，冲沟中有一较厚堆积体，其成分主要为残坡积强风化板岩碎块及砂质粘土，厚约0~20米。碎石约占55~70%，块径为2~10厘米。

3.工程地质评价：隧道工程区附近岩土构成情况，可分为两个区，即I、II区。其中I区主要为冲沟、山脊、斜坡等地段，其上覆盖层为残坡积碎石土，厚度为0.50~10.00米，下伏基岩为元古界上板溪群清水江组第三段（P璽bnbq3）灰色、深灰色薄至中层状板岩及变余砂岩；II区主要为河谷、河漫滩、山间平地等地段，其上覆地层主要为冲洪积卵石土及耕土等组成，基岩为元古界上板溪群清水江组第三段（P璽bnbq3）灰色、深灰色薄至中层状板岩。

三、施工中遇见问题治理对策与工程措施

1.治理对策与工程措施

寨头隧道地质灾害治理工程设计主要采用了“减、锚、挡、固、疏”等手段，即清方减载与锚固支挡相结合，辅以灌浆加固和截排地表水、疏排地下水。工程措施主要有：锚索框架(锚墩)、挂网喷锚、抗滑桩（锚索抗滑桩）、桩板墙、灌浆加固、大管棚、超前小导管等，下面就各种工程措施简述如下：

（1）清方减载：在条件允许的情况下，清方减载是较为经济的一种措施。但由于隧道附近边坡的自然坡度较陡，一般为20~50°，过度的清方又会增大边坡高度，往往会出现“搬山头”现象，大大增加坡面防护的工程量，同时对自然植被破坏较大，所以采取这种措施时，应把握好尺度，要进行各种方案的比选取。

（2）预应力锚索：岩土锚固是近年来发展较快的、成熟的技术、广泛应用于岩土工程诸多领域，它具有可提供大吨位的主动力、工程布置灵活、经济、施工方便等优点，在三凯高速公路的滑坡治理和高边坡加固中大量使用，尤其是在滑坡的剪出口较高或有多层滑带时，效果较为明显；在预应力锚索端部一般设置钢筋混凝土框架或锚墩作为反力装置；在治理大型地质灾害时，一般与（锚索）抗滑桩组合使用。（3）（锚索）抗滑桩：作为一种大型的支挡工程措施，是治理滑坡的主要手段之一，特别是锚索抗滑桩，其受力合理，截面小，能提供较大的抵抗力。与预应力锚索框架组合使用，在坡脚设置（锚索）抗滑桩，上部设置预应力锚索框架，这种组合在工程实际中十分常见，事实证明是经济合理的,例如k74+410---k74+700边坡病害治理。

（4）灌浆加固：在坡体松散或坡体由坍塌体组成，无法形成设计坡面时，可采用此方法。边坡开挖之前，预先在自然坡面上打孔注水泥浆，对坡体进行加固；但因灌浆效果不易评价，应用时一般只作为辅助工程，例如k74+410---k74+700边坡病害治理。

2.隧道病害分析

（1）隧道进、出口病害

隧道进、出口发生的病害较多，隧道开挖仰坡和进洞时产生了大量的变形破坏，如寨头隧道进、出口，病害导致隧道中导洞或初衬产生变形、开裂甚至垮塌的现象。多数病害的发生都和坡体自身结构密切相关，而与是否采用隧道方式关系不大，因在隧道进、出口段，隧道开挖和路堑边坡开挖对坡体稳定的影响基本相同。

在隧道进、出口地质病害中，其危害的表现形式一般是隧道洞身混凝土强度不足以抵挡外力出现变形、开裂现象。产生外力的原因一般有以下三种：①坡体不稳定，（工程）滑坡变形产生的推力；②自然地形导致的偏压力；③围岩条件差，坡体内部自身重力引起的围压力。治理此类病害时，针对外力产生的三种原因，也可分为三种对策：①采用预应力锚索、抗滑桩等锚固、支挡措施消除坡体变形对隧道洞身的影响；②采用抗偏压隧道结构形式；③调整隧道支护参数，使之与围岩特性相匹配。常见的工程措施一般有：预应力锚索、抗滑桩、抗偏压框架（挡墙）、注浆、超前支护等。

（2）隧道进、出口所在坡体为病害体

病害体的类型不一，如寨头隧道进口段为老滑坡体，隧道开挖引起病害体复活，或产生新的工程滑坡，导致隧道变形开裂，其变形机制由病害体类型决定。此类病害中，病害体的变形或滑动方向与隧道走向之间的关系是一个非常重要的因素，寨头隧道进口段滑动方向与隧道走向垂直，此时隧道变形主要表现形式为偏压，构筑物出现水平的、贯通的剪切裂缝和多条环状的拉张裂缝，监测资料反映主要为侧向挤压变形。

（3）隧道进、出口位于陡坡地段

三凯高速公路多数地段地势险峻，横坡较陡，隧道开挖后，如坡体产生变形，如坡体稳定，一般会出现因地形所引起的偏压。严重时可导致洞身构筑物的变形开裂，主要表现形式为：靠山侧洞身上部出现斜向的剪切裂缝，靠河侧拱脚混凝土出现压裂迹象，裂缝形状不一；另外变形的范围受地形控制。

（4）隧道进、出口位于浅埋地段

在“早进洞，晚出洞”的设计思路指导下，多数隧道的进、出口都或多或少地有一部份属于浅埋段。在浅埋段，一般地质条件较差，易受地表因素影响。此时隧道施工难度主要表现为成洞困难，常发生塌方、冒顶事故（如三凯高速公路屯州隧道出现了冒顶事故）。

（5）隧道与病害体的空间关系控制病害的规模和性质

在线路修建过程中，不可避免地要对自然边坡进行改造。在出现地质病害中，隧道与病害体的空间关系控制地质病害的性质和规模，如隧道在病害体中、前部通过，病害性质一般为工程滑坡，规模较大，而且病害体的滑动方向与隧道走向之间的关系决定隧道变形的表现形式；如隧道在病害体后部通过，病害性质则为地形偏压，规模小。

3.遇见实际问题情况及治理措施

寨头隧道K74+440~+565段山体开裂治理方案（1）出现情况：隧道K74+565~K74+545段正在进行中导坑施工，由于本段岩石严重风化、破碎，管棚施工时，钻孔至20米左右，出现钻头无法拔出，K74+500~K74+550段隧道山体开裂距隧道中线50m，比设计高程高57m，裂缝宽5cm，主缝长50m。根据施工情况及本段隧道所处的位置、地质地貌，本段山体开裂系浅层滑坡，由于山高坡陡，岩体破碎，且处老滑床上缘。2004年7月12日~19日连降大雨，引发坡顶开裂，即使不施工，裂缝也会产生，与施工无联系。但是若不对该滑坡体作合理处理，危害极大，必然对隧道的稳定、施工安全造成严重不利。对山脚下民房及村民生命安全危害极大。

治理措施：2005年2月1日上午对K74+440~K74+565段开裂山体进行了现场查看，该段山岭开裂严重危及山腰抗滑桩、地表注浆施工及坡脚寨头小学及周围村民安全，但若停工待处理，将严重影响工期。根据现场查看结果并结合实际情况，为确保工期、并保证施工安全和坡脚学校及村民的生命财产安全、防止事态继续扩大、采取如下紧急处理措施：1、在K74+440~K74+565段山体开裂范围内采取注浆固结开裂山体。2、K74+440~K74+565段注浆范围内设置锚索框架，锚索需嵌入基岩。

（2）出现情况：隧道所处地质条件复杂，地表为坡积碎石土层，松散破碎，厚度达8~10米，属浅埋偏压隧道。2005年6月19日凌晨，已施工的K74+505~565中导坑左侧初期支护出现开裂，裂缝最大宽度达10cm；并且K74+485~565段右侧山顶裂缝也进一步发展，且变化较大，6月19日至6月20日，裂缝宽度变化达25mm。经分析研究，由于此前两天普降大雨，坡积碎石土层变形体松散、空隙率大，受雨水浸泡、渗入，加上该山坡上所设计预应力锚索框架正在施工，但并未张拉，使得裂缝进一步扩大和延伸。由于该段隧道为浅埋隧道，所处地势较陡，加之覆盖层为坡积碎石土层，松散破碎且厚度较厚，雨水较容易渗入，增加了对隧道偏压，使得K74+505~565中导坑左侧初期支护出现开裂。由于该段工点工期紧张，而山体变形和傍山偏压又给孔桩开挖及隧道施工造成安全隐患，故应对该段山体进行综合整治，以确保隧道施工和后期运营安全。

治理措施：（1）K74+485~565段隧道右侧设置一排锚索桩，桩间距6m，桩身截面2.4m×3.6m，桩长27~46m，共计14根。（2）K74+485~565段锚索桩顶以上4m处山坡设置一排预应力锚索框架，共8片，以治理山坡和保证孔桩开挖安全。（3）K74+420~485段隧道顶以上15m处山坡设置一排预应力锚索框架，共7片，以确保该段隧道施工安全。（4）K74+565~585段隧道右侧山坡设置4片预应力锚索框架，根据现场地形布置，以确保该段隧道施工和后期运营安全。（5）为防止K74+565处仰坡山体继续变形而影响明洞安全，在该处仰坡上设置3片预应力锚索框架。

四、施工效果评价

该隧道于2003年4月20日开始施工，2006年8月20日完工，在“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭”的施工思路指导下，根据实际围岩变化情况，调整施工方案，在施工逐步掘进的过程中，出现问题，现场研究处理，通过上述方案的处理，效果显著，目前没有发现任何质量问题，工程质量达到设计要求。

五、结语

随着山区高速公路的不断延伸，在线路设计中，隧道的数量和长度不断增加，隧道进、出口不良地质病害愈发常见，因病害位于隧道进、出口，常导致隧道无法进洞，不仅造成建设费用增加，且往往成为影响工期的主要因素。通过对三凯高速公路寨头隧道施工中发生的不良地质灾害进行总结和反思，主要有以下几点：

（1）在方案设计阶段，确定线路走向时应充分考虑线路在通过不良地质区域时可能引发的地质灾害，尤其是影响范围较大的区域性地质构造，并将其作为衡量线路走向是否合理的重要技术指标之一；在施工图设计阶段，地质勘察的重点查清不良地质灾害体的坡体结构，在线路设计中调整线路通过灾害体的形式或主动进行防护。

（2）加强施工阶段的地质工作，通过开挖揭示的地质剖面可以使工程技术人员真实、直观地了解坡体的工程地质情况，弥补地质勘察的不足，若发现地质情况有变化，可立即调整设计、施工方案。

（3）在工程施工中发生不良地质并影响工程安全后，应采用各种地质勘察手段，查清不良地质的坡体结构和变形机制，选取合理的工程措施对不良地质进行整治，做到有的放矢。

（4）对于隧道进、出口位置，在查清坡体结构后，通过数值分析或类比等方法判断坡体在开挖后的稳定度，如坡体不稳定，可调整隧道进、出口位置来避开不良地质。一般情况下，易将隧道进、出口向山侧内移，使之位于稳定边坡内。

（5）每种工程措施都有优缺点，要注意各自的适用条件，应根据具体情况选用工程量措施，使其充分发挥作用，才能做到经济合理。

（6）在隧道施工中，科学的施工方法和施工工艺是控制灾害发生和发展的重要方面，它包括施工季节的选择、开挖顺序的确定、防护工程的及时实施等方面。加强施工中动态监测，采用信息施工法，可以有效地指导施工和验证设计的合理性及可靠性。

(作者单位：贵州省交通建设咨询监理有限公司）