山岭隧道洞口浅层滑坡处治关键技术研究

李洋溢, 袁 通, 秦鲜卓

(广西交通设计集团有限公司， 南宁 530000)

随着国家经济的稳步发展，交通强国建设的大力推进，修建高速公路面临的地形地质条件越来越复杂，特别是西南部山岭重丘区，路线线位大多需要穿越崇山峻岭，有些高速公路项目桥隧比例高达70%～80%。目前地质选线的理念变得愈发重要，设计阶段会尽量选择绕避不良地质体的方案，但受地形地质条件、工程经济以及勘察深度等因素的制约，隧道工程建设仍不可避免地会受到各种不良地质灾害的影响。

当隧道线位穿越滑坡体地带，尤其是滑坡体位于隧道洞口浅埋段时，隧道洞内施工扰动很可能会诱发滑坡体的变形和滑动，进而引起隧道整体变形、初支开裂、衬砌侵限等问题，严重时可能会造成重大安全事故，产生巨大的经济损失，带来非常不好的社会影响。由此可见，研究隧道施工与滑坡体变形的相互作用机理、减少隧道施工对滑坡体变形的影响、制定合理可靠的滑坡体加固处治措施对于隧道施工及运营期的安全意义重大。

目前，学者们对于隧道与滑坡空间不同位置的变形破坏机理、隧道-滑坡体系类型及相互影响机理、隧道穿越滑坡体综合处治措施等问题进行了大量研究，研究方法包括理论分析、数值模拟计算、室内模型试验等。

理论分析方面：张治国等[1]基于隧道开挖对围岩扰动范围公式，结合隧道上部松动岩体的分析，得出隧道正交穿越滑坡体的最小安全距离公式，并对滑坡体稳定性进行数值分析；刘天翔、张忠福[2]以某高速公路正交穿越滑坡体隧道工程为研究背景，分析隧道-滑坡体系的相互作用而引发的工程病害机制；陶志平、周德培[3]对位于滑坡体地带的多座隧道展开调研，建立研究滑坡体变形与隧道变形关系的地质力学模型。数值模拟方面：毛坚强、周德培[4]利用有限元算法对隧道-滑坡的相互作用原理展开研究，得到隧道变形与滑坡体变形的相互规律；吴红刚等[5]对隧道-滑坡体系类型与变形模式进行详细阐述，利用FLAC3D有限差分软件，研究隧道-滑坡体系相互作用的规律。模型试验方面：秦睿、陈小云[6]以杨家湾隧道滑坡体为研究背景，自制室内模型试验，研究杨家湾隧道-滑坡体系的变形机理；陶志平、周德培[7]根据室内力学地质模型，分析滑坡体变形与隧道相互作用机理、衬砌压力变化规律及坡体和隧道变形特征。

本文以乐业至百色高速公路永乐隧道工程为研究背景，针对其地形地质条件及滑坡体情况，结合洞内变形与滑坡体变形相互作用机理，对隧道穿越洞口浅埋段滑坡体施工关键技术进行研究，并针对性地提出“洞外加固处治+洞内严格控制沉降”的综合处治方案。本文创新性地提出洞外采用更贴合实际的锚筋桩处治方案，洞内从开挖方法改进、严格控制洞内变形措施等入手，双管齐下，有效确保隧道洞口段施工安全，相关研究可为今后洞口滑坡处治工程提供参考与借鉴。

1 工程概况与地质条件

1.1 工程概况

永乐隧道位于乐业至百色高速公路第三合同段百色西环线，为双向四车道山岭隧道，布置形式为分离式，开挖跨度为12.86 m。隧道左线起讫桩号为ZK173+815～ZK174+315，设计长度500 m，最大埋深约122.9 m；右线起讫桩号为YK173+830～YK174+315，设计长度485 m，最大埋深约119.2 m。隧址区山势险要，山体连绵，沟谷较发育。

1.2 工程地质条件

根据地质钻探及工程地质测绘，隧道区地层主要由第四系冲洪积层(Qal+pl)、第四系残坡积层(Qel+dl)、三迭系中统河口组中段地层(T22h)、下段地层(T12h)组成，隧道洞身段围岩裂隙发育，完整性较差，风化程度以强～中风化为主。隧道出口段由残坡积土、强风化泥岩与强风化粉砂质泥岩组成，岩体结构松散，且发育有多个滑坡体，工程地质整体稳定性较差。

结合室内岩石试验成果、钻探和物探成果以及类似工程经验，并参考相关的规范建议值，综合得到隧道各类围岩的力学参数推荐值，见表1。

表1 围岩物理力学参数

2 滑坡体情况及施工难点分析

隧道出口端附近存在多个影响隧道结构稳定的滑坡体，其中规模较大的有HP8、HP9两处，滑坡体与隧道洞口平面位置关系如图1所示。

图1 隧道洞口浅层滑坡体平面示意图

1)HP8滑坡体位于YK174+220～隧道出口右侧，平面呈圆弧形。滑坡体长约100 m，高度40～45 m，厚度5～15 m，滑坡体方量约50 000 m3。滑坡体后缘呈圈椅状，前缘见鼓丘隆起，滑坡主体为覆盖层，土层较厚，隧道开挖前滑坡体暂处于相对稳定状态。该滑坡体距离隧道出口较近，滑动方向与路线大角度相交，对隧道施工安全及运营稳定影响较大。

2)HP9滑坡体位于隧道出口位置，平面呈圆弧形。滑坡体长约90 m，高度50～60 m，厚度5～10 m，滑坡体方量约40 000 m3。滑坡体后缘呈圈椅状，滑坡主体为覆盖层，土层较厚，隧道开挖前滑坡体暂处于稳定状态。该滑坡体滑动方向与路线走向小角度斜交，对隧道施工安全及运营稳定影响很大，由于隧址区雨量极为丰富，加上隧道施工扰动等因素，该滑坡体易转换变成不稳定状态。

根据隧道洞口滑坡体情况，笔者总结该隧道施工难点主要有：滑坡体位于隧道洞口浅埋段，拱顶距离滑动面较近，该段地层以第四系残坡积土为主，土层结构松散，使得隧道施工扰动极易影响岩体的整体稳定，导致过大的隧道洞内沉降，从而引起滑坡体的变形；再加上隧址区雨季非常频繁，雨水下渗会降低土层物理力学参数，使得滑坡体稳定性控制以及隧道洞内沉降控制变得更为困难。若隧道施工控制措施不合理，将极大影响隧道施工安全，从而可能引发滑坡体失稳变形和洞内衬砌结构开裂等问题。

3 滑坡体综合处治措施

3.1 洞内变形与滑坡体变形相互作用机理

隧道洞内沉降变形与洞外滑坡体变形之间存在相互作用、相互影响与相互制约的关系[8]。当隧道穿越滑坡带时，隧道开挖会对滑坡体附近岩体产生影响，加上地表降雨及地下水下渗，会降低岩体的力学参数指标，使得坡体的稳定性减弱，从而引起滑坡体的变形。而滑坡体的变形会产生巨大的滑动力，反过来会作用于隧道洞内结构，导致隧道出现过大的沉降变形。隧道洞内的沉降变形反过来又会诱发与加快滑坡体的变形趋势，如此反复作用，最终将引起滑坡体的整体失稳。隧道洞内变形与滑坡体变形相互作用机理如图2所示。

图2 隧道洞内变形与滑坡体变形相互作用机理

分析上述影响规律可知，不仅需对滑坡体进行有效加固治理，还应严格控制隧道洞内沉降变形，减少隧道施工对滑坡体的扰动，两方面措施双管齐下，才能确保隧道安全顺利穿越滑坡体地带。根据上述作用机理，笔者结合隧道洞口段地形地质条件和主要施工难点，针对性提出“洞外加固处治+洞内严格控制沉降”的综合处治方案。

3.2 洞外加固处治措施

目前，工程实践中关于滑坡处治的支挡加固措施主要有抗滑桩、常规衡重式挡墙、深层注浆等，其中抗滑桩支挡结构应用最为广泛[9]。实践表明，抗滑桩与常规挡墙结构所需施工场地要求高，施工截面体量大且造价高，施工工期较长，对于某些地形地质条件适用性较低。

考虑到隧道洞口地形较陡且狭窄，拱顶覆土厚度较薄，地层结构松散，施工场地平台有限，很难采用大截面圬工结构进行处治，且抗滑桩与常规挡墙开挖会对滑坡体的稳定状态产生较大影响，其施工难度大、造价高，性价比很低，故不予以采用。

经过方案综合比选，结合隧道洞口段地形地质条件，从方案可靠性、安全有效性、施工工期等角度考虑，选择轻型微型桩结构——“锚筋桩+联系梁”对洞外滑坡体进行加固处治，并加强地表截排水措施，确保隧道施工过程中滑坡体始终处于稳定状态。该处治方案能有效适应施工场地受限的不利因素，具有施工便捷快速、施工工序简单有效以及工程造价较低等优点。

3.2.1 锚筋桩结构及作用机理

3.2.1.1 锚筋桩结构

锚筋桩桩体结构主要由钢筋管束与定位钢筋组成，为钢筋混凝土轴心受拉构件。钢筋束由若干根钢筋段焊接组成，各钢筋段由注浆导管同轴连接，定位钢筋连接于相邻两钢筋束之间。中间注浆钢管管壁开设注浆孔，利用注浆体加固周边岩体裂隙，钢筋束与钻孔间隙灌注M30水泥砂浆。利用现浇钢筋砼联系梁，将坡体上布置的多排锚筋桩连成整体，联系梁共有纵向和横向两种。锚筋桩结构断面组成如图3所示。

图3 锚筋桩结构断面图及实物

3.2.1.2 锚筋桩作用机理

锚筋桩桩底伸入潜在滑动面以下足够深度或中风化岩层，以承受水平方向的荷载，从而达到对滑坡体加固及支挡的效果。滑坡体处于稳定状态时，锚筋桩结构主要发挥其支挡作用，抵挡侧向土压力；当滑坡体处于不稳定状态时，锚筋桩结构会产生相应的抗滑力，阻止滑坡体的变形与滑动。

在锚筋桩顶部布置横纵向联系梁，将各排锚筋桩连成整体，从而形成整体受力的桁架结构，大大提高了锚筋桩结构的抗弯能力，增强了结构的整体稳定性，从而可以有效控制滑坡体的变形。

注浆钢管管壁开设注浆孔，利用注浆体有效加固周边松散岩体，通过注浆体使锚筋桩与桩间土体形成整体受力体系，并有效填充岩土体裂隙，以阻止雨水天气地表水的下渗，从而达到改善岩体的渗透性和力学指标，提高滑坡体整体稳定性的目的。

3.2.2 锚筋桩方案施工要点

结合依托工程现场相关施工经验与监测反馈数据，笔者对隧道洞外加固的“锚筋桩+联系梁”方案进行分析，对相关施工参数与施工技术控制要点进行总结如下：

1)锚筋桩桩长应根据地表覆土厚度及隧道开挖轮廓而定，要求隧道两侧锚筋桩桩底标高与仰拱底标高平齐或进入中风化层，隧道顶部锚筋桩桩底与隧道拱顶距离不大于1 m。

2)锚筋桩钻孔孔径φ150 mm，加筋体由4根φ32的螺纹钢焊接组成(根据现场实际情况调整数量)，桩排距为0.75 m，桩纵向间距为1.5 m，采用梅花形布置形式。

3)钻孔过程中应确保钻孔参数的准确性，并随时进行纠偏，采用跟管钻进工艺。钻孔成孔后，吊放加筋体并埋设灌浆管，以灌注M30水泥砂浆，水泥砂浆可掺微膨胀剂，掺量为凝胶材料用量的10%～12%。

4)锚筋桩顶部设横纵向联系梁，联系梁应嵌入地表以下至少20 cm。联系梁钢筋焊接时，需将系梁尺寸内锚筋桩的浆体破除干净，并与主筋焊接牢固。

5)注浆前应先进行注浆现场试验，注浆浆液参数建议值：水泥浆水灰比为1∶1，水玻璃浓度35 °Bé，水玻璃模数2.4；注浆压力：初压0.5～1.0 MPa，终压2.0 MPa。

老年性白内障为临床常见病、多发病，是重要的致盲原因，随着人口老龄化，其患病率也在逐年增加［12-13］。透明角膜切口超声乳化联合IOL植入术治疗老年性白内障的手术疗效确切［1,14］。近年来，白内障手术已由复明手术向屈光手术转变，手术方式也日趋精细、完善，对于角膜切口的研究也在不断深入。角膜是眼屈光间质的重要组成部分，屈光力43D，占全眼屈光力的2/3，相关研究已证明白内障手术切口的位置、大小对角膜的结构及屈光能力都有不同程度的影响［15-18］。通过本项研究，我们探究了CCI距离角膜缘的长度对角膜屈光状态及超声乳化术手术疗效的影响。

6)“锚筋桩+联系梁”组合体系中的系梁钢筋绑扎焊接时，应先将系梁内注浆体破除干净，并与主筋焊接牢固，从而形成受力整体。

锚筋桩现场施工完成照片如图4所示。

图4 锚筋桩现场施工完成照片

3.2.3 地表截排水措施

雨季地表水下渗对滑坡体的稳定性有较大影响，处治滑坡体时应先处理好地表截排水问题。现场在滑坡体界线以外3～5 m设置洞外截水沟，洞外截水沟采用C20混凝土浇筑，截水沟中间位置采用φ12钢筋网进行配筋，钢筋网间距25 cm×25 cm，并顺应地形接入路基排水沟或自然沟，防止地表水下渗。

为有效避免雨水冲刷，并有利于地表雨水及时排出，在边坡两侧设置急流槽，并于每级边坡平台设置沉砂池。同时为防止地表水下渗，对坡面裂缝及时采用黏性土与铺盖防水布进行封闭。

3.3 洞内沉降控制措施

根据上述分析可知，为确保隧道安全顺利穿越洞口浅埋段滑坡体，除对滑坡体进行有效加固处治外，还应采取切实有效的施工控制措施和开挖工法，减少隧道施工对岩体的扰动，以严格控制隧道洞内沉降变形，避免引起滑坡体变形失稳。基于此，笔者主要从隧道开挖工法的改进与隧道洞内围岩稳定控制措施等方面，对隧道洞内沉降控制措施及相应施工要点展开研究。

3.3.1 隧道开挖工法的改进

对于洞口浅埋段软弱破碎围岩，选择合理的隧道开挖工法，既要考虑初期支护闭合成环的及时性，以有效控制洞内沉降；也要考虑施工工序的衔接转换难易程度，尽可能减少隧道施工工序间的相互制约，从而减少隧道施工对滑坡体的扰动。

上下台阶法与环形开挖预留核心土法是目前两车道隧道最为常用的开挖工法，对于隧道软弱围岩段落适用性较强[10]。两种开挖方法的主要特点见表2。

表2 两种开挖方法的特点比较[10]

基于此，对传统上下台阶法进行改进，在长台阶法的基础上，增加50 cm厚的C20素混凝土临时仰拱，形成“长台阶法+临时仰拱”的组合工法(图5)。该开挖方法遵循“新奥法”理念，施工操作简便，临时仰拱强度形成较快，不仅能减短初期支护的闭合时间，还可有效减少上下断面的施工干扰，从而减少对围岩的扰动程度。

图5 “长台阶法+临时仰拱”组合工法示意图

3.3.2 隧道洞内围岩稳定措施

除对传统开挖方法进行改进外，对于洞口浅埋段软弱破碎围岩，还应采取有效的围岩稳定措施，以增强围岩的整体稳定性，改善围岩的受力条件，以达到有效控制围岩变形的目的。关于隧道洞内围岩稳定控制措施方面，本文主要从超前支护措施与锁脚支护措施两方面进行分析。

3.3.2.1 超前支护措施

选择超前支护能力更强的洞内超前短管棚方案，有效控制地层围岩变形。采用φ89×6 mm注浆钢管，管棚施工采用跟管钻进工艺，环向间距40 cm，长度9.0 m，纵向间距7.0 m，外插角10°～15°；注浆前应先进行相应的注浆现场试验，相关注浆参数应结合现场试验提前确定，注水泥净浆后钢管内利用M30水泥砂浆填充，以增强管棚的整体强度与刚度；要求管棚钢管从钢拱架腹板开孔穿过，钢管尾端并与钢拱架进行焊接，以确保洞内管棚尾端具备有效支撑。

洞内超前短管棚支护超前支撑能力与控制沉降变形能力较好，通过与钢拱架连接形成的纵横向支护体系，对于控制围岩变形效果明显。同时，通过钢管管壁的注浆孔，使注浆浆液渗透到周边岩体内，以此来加固管棚周边范围土体，从而改善岩体的力学性质，增强岩体的整体强度。

3.3.2.2 锁脚支护措施

控制隧道洞内沉降变形的关键还在于两侧拱脚位置的锁脚支护。隧道上台阶开挖后，如果立即浇筑素混凝土临时仰拱，使初期支护及时闭合成环，则可有效控制隧道沉降变形。对于软弱破碎围岩段，在隧道下台阶开挖过程中，如果不采取合理可靠的锁脚措施，很难保证围岩的稳定。

选择控制沉降能力很强的锁脚钢管桩方案(图6)，在起拱线、边墙拱脚位置左右侧各打设两根φ89×6 mm的注浆钢管，纵向间距与钢架间距相同；外插角45°～60°，长度设计9 m(根据实际情况进行调整)，确保钢管桩嵌入中风化岩层厚度不小于50 cm，钢管桩与型钢拱架焊接连接。

4 处治效果分析

在隧道洞口浅埋段施工过程中，始终加强洞内外情况观测，特别是洞顶地表变形开裂等现象，并对地表下沉、周边位移及拱顶下沉等变形情况进行量测，以及时掌握施工中洞顶滑坡体及洞内围岩的稳定程度，及时修正设计参数与施工措施。

本文选取隧道洞口段左右线典型监控量测断面ZK1+507与K1+503，以分析监测断面数据的变化规律，地表下沉监测数据来源选取隧道拱顶正上方的观测点。左右线典型断面监测数据变化曲线如图7所示。

图7 监测数据变化曲线

分析监控量测数据可知，隧道洞口段地表沉降、拱顶沉降、周边收敛值基本处于可控状态，整体变化速率较小，累计值均不大于20 mm，隧道施工对滑坡体的扰动较小。监控量测数据结果表明，“洞外加固处治+洞内严格控制沉降”的综合处治方案实践效果良好。所表现出的变化规律如下：

1)左右线隧道监测断面测点的地表沉降、拱顶沉降、周边收敛值变化规律基本相同：隧道开挖后30 d内，其值变化速率较大，其间累计变化值约占总变化值的75%～85%；随着围岩自承载能力的发挥以及洞口段仰拱的及时施作，地表沉降、拱顶沉降、周边收敛值均开始趋于稳定状态。

2)与左线监测点数据相比，右线监测断面测点的地表沉降与拱顶沉降值更大，周边收敛值相近。分析原因可知，右线隧道出口段地形偏压更明显，拱腰覆土厚度更薄，施工时洞内沉降控制相对更困难。由于临时仰拱的及时施作，左右线对于周边收敛变形的控制效果均较好。

项目通车后隧道出口端航拍图如图8所示。

5 结论

以乐业至百色高速公路永乐隧道工程为研究背景，针对其地形地质条件及滑坡体情况，结合洞内变形与滑坡体变形相互作用机理，对隧道穿越洞口浅埋段滑坡体施工关键技术进行研究，并针对性提出“洞外加固处治+洞内严格控制沉降”的综合处治方案。研究结果表明：

1)针对隧道洞口浅埋段滑坡体，除对滑坡体进行有效加固治理，还应严格控制隧道洞内沉降变形，减少隧道施工对滑坡体的扰动，两方面措施双管齐下，方能取得良好的处治效果。

2)“锚筋桩+联系梁”组合结构可有效承受水平方向的荷载，将各排锚筋桩连成整体形成整体受力的桁架结构，并通过注浆体使锚筋桩与桩间土体形成整体受力体系，从而达到对滑坡体有效加固及支挡的效果。该组合结构对于施工场地受限的滑坡体处治应用效果及优势明显。

3)针对传统台阶法的特点与局限性，本文提出长台阶法+临时仰拱的组合工法，该开挖方法施工操作简便，临时仰拱强度形成较快，不仅能减短初期支护的闭合时间，还可有效减少上下断面的施工干扰，从而减少对围岩的扰动程度。

4)根据监控量测数据表明，本文提出的“洞外加固处治+洞内严格控制沉降”的综合处治方案实践效果良好，为隧道顺利穿越滑坡体提供了有效的安全保障。