浅析高速公路浅埋偏压隧道山体的加固

张 洋

（中国铁建投资集团有限公司，广东 珠海 519000）

0 引言

重庆市东南武陵山区浅埋偏压隧道洞口的塌方，导致已开挖的隧道全部被掩埋。根据该区域的工程地质和地形地貌条件，通过采用锚索框架梁配合偏压挡墙和抗滑桩的综合工程措施，有效地控制住浅埋偏压段的施工安全和结构安全。本文就该隧道山体加固技术的应用进行了总结和分析。

1 工程概况

石梯子隧道处于重庆市东南武陵山区，隧道左线的起终里程：K76+797.5～K77+150.5，下坡坡率为2.6%，左线长353m。隧道工程实施区域，属于构造侵蚀造成的中低山沟谷切割发育的地形地貌，隧道进口左侧受长期地质原因和外部环境影响形成的冲沟切割，地形地貌陡峭，坡角45°～60°，坡向270°，坡度较大。K76+797.5～K76+900 段的地形与隧道洞轴线相斜交，存在较为严重的受力不均，该段落最大埋深约16.2m，最浅埋深约2.3m，其中洞身段K76+858～K76+912 有发育为走向约252°的自然冲沟。隧道进出口地表植被丰富，山体大部分基岩处于裸露状态，个别位置倒悬。

2 塌方经过

石梯子隧道左洞开工后，自出口向进口组织施工，2018 年5 月，隧道掌子面施工至K76+890 下穿浅埋沟段时，发生冒顶坍塌，坍塌物为块石土及强风化页岩，洞内施工受阻。2018 年6 月，施工单位在右洞自出口施工贯通后，开辟工作面施工左洞进口段。2018 年8 月10日凌晨4 时左右，石梯子隧道进口左线K76+797.5～K76+825 里程段线路右侧山体突然出现滑塌现象，掘进段洞顶和左侧山体突然垮塌，导致掘进27.5m 左右的隧道全部掩埋。

3 工程地质情况

石梯子隧道实施区域的地层，主要分布为志留系下统新滩组（S1X）、小河坝组（S1xh）页岩及第四系残坡积层。志留系下统新滩组（S1X）主要由灰黄绿色、黄绿色薄纹层状页岩组成，以黏土矿物为主，个别区域含有砂质较重，且夹有薄层状砂岩，存在砂质条带和钙质团块。中风化的区域岩石较为完整，层间结合较好～一般。志留系下统小河坝组（S1xh）主要由黄绿、灰绿色页岩组成，局部存在夹泥质砂岩，构造呈现显著的薄层状，以黏土矿物为主，局部存在含砂质及钙质团块、夹砂质条带。岩体中风化的区域较为完整，层间结合较好～一般。残坡积层（Q4el+dl）的区域主要以粉质黏土为主，并夹有少量碎石、角砾、块石，呈暗红色、灰、灰褐色，厚度为0～1.5m，零星分布在缓坡地带。进出洞口沟谷内均基岩裸露。

K76+870～K76+900 段发育有原始冲沟，沟心覆盖层主要为粉质黏土夹碎石层和素填土层。经过现场调查，坡体整体厚度为6.1～12.0m，冲沟前缘坡脚无临空面，现状自坡顶至坡脚小沟沟心处整体稳定。但由于坡顶后缘地形偏陡，且洞顶区域为原生崩坡积土，填土为新近弃渣抛填，崩坡积土与填土的土体自身孔隙比及压缩性存在较大差异。若持续强降雨，则素填土体可能沿原始坡面线自隧道右侧现状斜坡坡脚出现局部滑动。

由工程地质计算可知：K76+825～K76+860 段填方斜坡现状处于基本稳定～欠稳定状态，K76+870～K76+900 冲沟段填方斜坡现状处于基本稳定～欠稳定状态。

4 山体加固设计

K76+797.5～K76+817.5 段，20m 长度范围，上方山体按照1∶0.5 的坡比进行刷坡，并施作锚索框架梁进行边坡防护，该段隧道按明洞施工；K76+817.5～K76+892 段，线路左侧根据地勘资料设置偏压挡墙，回填后地表注浆，K76+817.5～K76+892 段施作明洞，K76+797.5～K76+892 段采取明挖的方式组织施工,之后施做明洞，明洞采取单压处理。明洞区域地基承载力＜0.35MPa 时，对地基进行处理，使得明洞地基承载力不低于0.35MPa。

K76+807.5～K76+891.7 左侧的路堑采取深挖山体边坡，坡脚设抗滑桩支挡收坡，桩顶标高以上的边坡坡率设置为1∶0.3，每15m 分为一级，每一级的平台宽度设置为2m。坡面防护采用正方形（边长4m）的锚索框架梁布置，现场可根据开挖岩层实际情况调整坡率、每一级边坡的高度和平台宽度。桩间坡面采用锚喷混凝土临时支护。

4.1 防护设计

坡面采用边长为4m 的正方形锚索框架梁进行防护。框架梁交叉的位置采用预应力锚索（技术指标：低松弛钢绞线、1860 级，单根锚索布置6 束钢绞线）对山体进行加固锚定。每束钢绞线施加的预应力为400kN，桩上锚索单根施加预应力200kN，张拉锁定值230kN。同时采用Φ6.5mm 的钢筋网片配合喷射10cm 厚的C20混凝土，对框架梁的坡面进行防护，框架梁内对钢筋网片的周边及中心位置设置长度为4m 的Φ22mm 砂浆锚杆进行锚定。

4.2 排水组织

隧道工程实施区域的排水组织为：坡顶的地表径流汇入坡顶截水沟，坡顶截水沟的水流入坡面急流槽，沿山体排至山下；边坡平台设置平台截水沟，平台截水沟的水随坡面急流槽排至山下。若施工中发现地下水发育时，设置钻孔深度为5～7m、间距2.5m、Φ10mm 的打孔PVC 管做成的仰斜式排水孔。以保证地下水和地表水能尽快排除，避免不良的地质环境。

4.3 预应力锚索抗滑桩

抗滑桩采用人工挖孔桩，桩径2×3m，桩中心间距为5m，桩长30m。边坡平台宽4m，设置在桩顶位置。距离桩头标高3m 的位置，设上下两道长度为20m 的预应力锚索，用于桩上的锚索单根施加预应力200kN,张拉锁定值取230kN。每6 束Φ15.2mm 高强度钢绞线组成一根桩上的预应力锚索，预应力锚索的锚固段和自由段长度均为10m。桩板墙的桩身区域采用强度为C35 的钢筋混凝土浇筑，桩板墙的钢筋采用HRB400 级和HPB300 级，其中主筋采用HRB400 级，其余位置采用HPB300 级；预应力锚索的孔洞与水平面向下的夹角为20°，锚索采用OVM15-6 锚具。

基础加深的基坑内侧设4m 长、Φ22mm 砂浆锚杆，深入基础内1m，深入围岩3m，砂浆锚杆与水平线夹角15°。

对K76+890～K76+898 段受坍塌影响,初支侵限段自K76+890 处打入一环10m 长T76L 自进式管棚，加强超前支护后拆换初期支护。待初期支护基本稳定后，施做加强二次衬砌结构，采用强度等级为C40、厚度为55cm 的钢筋混凝土浇筑。不同位置的边坡横断面图如图1、图2 所示。

图1 K76+805 横断面图

图2 K76+820.5 横断面图

5 加固过程控制

加固过程为：隧道洞口危岩清除→隧道洞口边仰坡分级开挖→边仰坡分级支护→施作边仰坡排水系统→施作抗滑桩→明洞施工及洞顶回填→施作暗洞初支变形段超前支护→进行暗洞初支拆换及衬砌施工。

5.1 隧道洞口危岩清除

由于现场施工场地狭小、山体陡峭、安全风险高、施工难度大。先防护后施工，施工时，先剥离浮石和浮土，再剥离危岩和危石，边施工边监测，由上至下逐渐剥离，采用人工撬除的清理方法剥离浮土和浮石，人工配合机械，将危岩和危石凿成小块后，予以剥离。为确保安全，浮土和浮石的清理时，采取看→敲→撬的作业顺序进行，对于不稳定的危石和活石，按照轻、重、缓、急分别及时处理；对于暂时无法处理的危石和活石，采取重点监控，全面排查。

5.2 高边坡和山体的开挖原则

坚持分级开挖、开挖一级防护一级、开挖和防护相结合的原则。避免长时间暴露开挖后的边坡，造成边坡的松弛范围增加，造成地质病害，给施工组织增加难度。

为避免山体的在开挖过程中出现高边坡坍塌和滑坡事故，制定安全防护措施,施工开挖过程中对高边坡进行动态监测。用于山体和边坡稳定性控制的位移监测点，沿线路方向分为若干个监测断面，间距为10m。监测具体内容有：山体的高边坡位移、偏压挡墙、抗滑桩变形观测等，观测频率每天一次。若山体高边坡位移监测点和偏压挡墙、抗滑桩的变形观测点任一项，与上次观测数据之差≥20mm 或累计变形≥30mm 时，立即停止施工，分析原因和确定处理方法，待处理完毕后经再次监控量测山体和高边坡没有异常变化时方能组织施工。

充分考虑施工期间季节性强降雨对山体和高边坡的冲刷影响，在进行边坡剥离前，结合山体的地形地貌，首先做好边坡截水沟、排水沟和急流槽等排水设施，并与山下沟渠相接，以保证山体和高边坡排水流畅。为避免水流冲刷和下渗，坡顶截水沟、边坡截水沟、急流槽均设置防渗层和加固层；透水性较大或裂隙较多的岩石、土质松软以及不良地质地段，尤其是纵坡较大的段落，用工程技术措施进行加固，避免山体水流冲刷沟底和沟壁，对山体造成不良影响。

5.3 仰坡分级支护

以超前小导管（导管长5m，壁厚3.5mm、外径为Φ42mm 的热轧无缝钢管，小导管外侧Φ6mm 的注浆孔布置4 排，前段加工成锥形，尾部焊接Φ6mm 钢筋箍加劲）作为暗洞超前支护，布置在拱部118°范围内，沿隧道的开挖轮廓线外以5°～15°的外插角、环向间距为40cm打入待施工的岩层中进行超前支护。环向系统锚杆使用间距40cm 的T76L 自进式锚杆，每隔10m 设置一环，与小导管间隔布置。超前小导管端部焊接在钢拱架上，使得超前支护、系统锚杆、钢拱架初支为一个整体。

5.4 明洞施工及洞顶回填

明洞施工过程中，分别在拱顶和拱腰设置拱顶沉降点和洞内收敛监测点，以监测回填过程中及施工完毕后的时程变化。回填采用人工配合小型机械进行作业，明洞区域的结构强度达到设计指标后，开始回填，回填时，两侧对称进行，拱顶中心区域填土高度≤5m，明洞上方不得随意弃土，以避免拱圈因不对称加荷产生开裂，造成新的质量病害。回填过程中，对拱顶沉降和洞内收敛进行监测，观测频率每天一次，如拱顶沉降与上次观测数据≥20mm 或累计≥50mm，或洞内收敛点的任一项与上次观测数据≥20mm 或累计≥30mm，应立即停止现场的施工，撤出所有施工人员，分析原因和确定处理方法。待处理完毕后，经再次监控量测拱顶沉降和洞内收敛无异动的情况下才能继续回填作业。

6 监控量测及加固效果

6.1 监控量测

高边坡监控量测，主要包括山体和边坡稳定性的监测，用于监测山体和高边坡稳定性的位移点，沿线路走向间距10m 设置若干个监测断面，观测点位于在开挖线和边坡平台上；洞内拱顶沉降和洞内收敛，按照沿线路走向间距10m 设置若干个监测断面，观测点在拱顶和拱腰设置。边坡位移点监测采用全站仪；洞内拱顶沉降采用电子水准仪，洞内收敛采用铟钢尺。

6.2 监测结果

如图3、图4 所示，由典型断面K76+815 变形时程曲线可以得出结论，该监测断面边坡位移最大值为25.6mm，拱顶沉降最大值为48mm，洞内收敛最大值为21.7mm，由于变形速率受开挖影响，呈现先增加后逐渐变小的趋势，围岩变形呈现典型的“增加→缓慢增加→趋于稳定”3 个演变阶段，说明石梯子隧道左洞浅埋偏压段滑坡后，采用锚索框架梁配合偏压挡墙和抗滑桩加固措施，能起到很好的加固效果，对控制山体稳定和变形效果显著。

图3 K76+815 断面变形监测曲线

图4 K76+815 边坡位移区线

7 结束语

综上所述，针对石梯子隧道处于临边冲沟、浅埋偏压且有坡积物和回填土的工程地质和地形地貌条件，受大气降水和地表水影响显著，在我国西南武陵山区较为常见。采取剥离地表原状土石及坡积物，按坡比刷坡后,采用锚索框架梁配合偏压挡墙和抗滑桩的综合工程措施，能显著控制浅埋偏压段施工安全和结构安全，减少了高速公路后期运营隧道病害和运营期间安全隐患。该技术应用经验在我国西南山区隧道进出口浅埋偏压段施工中，具有指导借鉴意义。