闽南山区浅埋偏压大断面隧道洞口塌方机理与处治措施

毕志刚

(中铁十五局集团第一工程有限公司， 陕西 西安 710018)

近年来，我国大力进行交通基础设施建设，在公路隧道施工过程中，通常会面临工程地质条件复杂、隧道施工断面大等问题，同时由于施工过程中还存在一些技术难题，塌方事故常有发生[1]。隧道塌方的处治需要一定的时间，塌方处治过程中需要移除坍塌结构，同时补强坍塌隧道的支护结构，这会延长工期，相应地也增加了人力和材料成本。

隧道塌方的表现形式多种多样，塌方的成因也较为复杂。针对隧道塌方的成因、塌方的形式以及塌方处治措施，国内外很多学者进行了研究。李梓源、张晓今、王鹏、于群群等[2-5]结合实际工程，采用数值模拟、风险评价和现场监测等方法，分析了隧道塌方产生的原因。郑俊清、张龙生、刘智勇、姚远等[6-9]在分析隧道塌方成因的基础上，提出了加强支护、注浆加固等处治措施。吴学智、闫天玺、刘艳明等[10-12]分析了具有浅埋、偏压、危岩滑动体、松散土体等地质状况的隧道洞口发生塌方冒顶、围岩失稳和地表塌陷等事故的原因，提出了相应的处治措施，取得了良好的处治效果。

本文依托中铁十五局集团第一工程有限公司承担的福建省三明市莆炎高速公路布盂隧道工程，采用Midas GTS有限元软件对软弱围岩洞口浅埋偏压段进行数值模拟，分析降雨和隧道洞口开挖施工对边坡稳定性的影响，提出合适的塌方处治方案，并对处治效果进行评价。

1 工程概况

布盂隧道进口位于福建省尤溪县新阳镇高士村布盂境内，出口位于大田县文江乡桥下村，整体呈北东-南西走向。布盂隧道为分离式隧道，进口线间距约18 m，出口线间距约19 m。根据JTG 3370.1-2018《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》 要求[13]，进出口位置属于小净距隧道。右洞起迄桩号为K196 + 225、K197 + 304，长1 079 m；左洞起迄桩号为Z3K196 + 298、Z3K197 + 290，长992 m。

隧道洞身区域属构造剥蚀丘陵地貌，山地自然坡度30°～50°，隧道地面标高在300～460 m之间，相对高差约40～110 m，植被较茂密，进口谷地多辟为农田。旱季水流量小，雨季易受洪水侵袭，水量变化大。隧道进出口围岩为第四系坡残积粉质粘土、砂质黏性土、全风化花岗岩残积土和强风化花岗岩残积土。粉质粘土和砂质黏性土呈松散状，具有可塑性；风化花岗岩残积土，孔隙率大、强度低、压缩性高，遇水易软化。隧道洞口埋深浅，土体稳定性较差，洞口边仰坡开挖后易引起塌方，围岩等级为Ⅴ级。

布盂隧道进出口段属于浅埋偏压地层，围岩软弱破碎，自稳能力差。隧道进出口部位边坡稳定性差，雨季施工时花岗岩残积土边坡易塌方或形成工程滑坡。为此，开展洞口边坡塌方施工治理关键技术研究，以确保施工进度及施工安全。

2 洞口塌方分析

由于受地形限制，隧道进口段属于小净距隧道，右线先行开挖施工。洞口导向墙施工期间，出现短期强降雨，降雨强度为302.6 mm/d。2018年9月8日隧道右线施作导向墙钢拱架时，左上方坡面出现局部塌方(如图1所示)，塌方坡面锚喷支护局部破坏，残坡积粉质黏土、花岗岩残积土坍落并掩埋部分导向墙钢架，无法安装导向墙模板。为了及时快速地处治塌方，结合详细的塌方勘察，对塌方诱因进行分析。

图1 隧道洞口坡面塌方图Fig. 1 Slope collapse photos of tunnel portal

3 塌方数值模拟分析

3.1 模型建立

布盂隧道隧址区地层围岩主要包括沟谷冲洪积粉质粘土、第四系坡积粉质粘土、第四系残积黏性土和华力西期花岗岩。浅埋偏压洞口段隧道净距约18 m，根据Ⅴ级围岩条件，其属于小净距隧道。为了确保洞口段小净距隧道施工的安全，采用中隔壁法进行开挖。为了分析布盂隧道洞口坡面塌方破坏机理，采用Midas GTS有限元软件对洞口浅埋偏压段进行数值模拟分析。数值计算模型的围岩主要包括4 m厚的粉质粘土、6 m厚的碎块状强风化花岗岩、50 ～ 80 m厚的中风化花岗岩，模型左右边界距隧道约为3倍洞径。隧道洞口段数值计算模型如图2所示。

图2 隧道洞口段数值计算模型Fig. 2 Numerical model of tunnel portal

粉质粘土、碎块状强风化花岗岩、中风化花岗岩采用平面应变单元来模拟，相应的本构模型选择摩尔库伦模型；隧道初期支护和中隔壁支持采用梁单元模拟，本构模型为弹性模型；隧道系统锚杆采用植入式桁架来模拟，本构模型为弹性模型。根据地质勘察和现场试验，得出围岩、初期支护、钢支撑和系统锚杆力学参数，如表1所示。

表1 力学参数Tab. 1 Mechanical parameters

3.2 模拟工况

3.2.1 降雨入渗边坡稳定分析

布盂隧道隧址区处于亚热带季风湿润气候区，气候温和，雨量充沛，年最大降雨量为2 730 mm，且多年平均降雨量为1 949 mm。布盂隧道属于越岭隧道，在闽南山区多雨的气候条件下，由于地形条件，雨水容易向隧道洞口附近的溪沟汇集，影响隧道施工安全。

大气降水是诱发边坡失稳的重要因素[14-19]。由于大气降水入渗土体，土体的含水量不断增加，相应的抗剪强度则有所降低；雨水通过土体向下渗入岩层，减小了岩层界面的抗滑能力，从而使边坡的稳定系数降低。因此，采用强度折减理论，对强降雨条件下浅埋偏压隧道边坡稳定性进行分析。数值模拟计算中降雨强度为特大暴雨，降雨量为300 mm/d，降雨持续时间为10 h，降雨条件下隧道边坡稳定性计算模型如图3所示。

图3 降雨边坡稳定性计算模型Fig. 3 Calculation model of rainfall slope stability

3.2.2 洞口施工边坡稳定分析

隧道进洞施工一直是关键环节，洞口工程的顺利完成是隧道正常施工的前提，尤其对于浅埋偏压小净距隧道，为了确保结构的稳定，实现快速安全进洞，需要采用合理的进洞开挖工法[20-22]。隧道洞口段施工采用中隔壁法，隧道断面分部开挖的同时施作初期支护、锚杆和临时中隔壁支撑钢架，模型的开挖工序示意图如图4所示。基于强降雨条件下隧道洞口边坡稳定性分析模型计算结果，进一步计算隧道洞口开挖施工对边坡稳定性的影响。

(a) 左线 (b) 右线图4 隧道模型开挖工序示意图Fig. 4 Schematic diagram of excavation process of model tunnel

3.3 结果分析

3.3.1 降雨边坡应变规律

短期强降雨过后，坡体内部水平方向和竖向应变云图如图5所示。随着雨水的入渗，右线隧道顶部坡面出现较大的水平方向应变；左线隧道顶部坡面坡度稍缓，由于雨水下渗，花岗岩残积土遇水软化，出现较大的竖向应变。强降雨条件下，由于雨水入渗，左右线隧道顶部粉质粘土层出现较大的剪应变和塑性应变，如图6所示。强降雨条件下，隧道边坡粉质粘土层含水量急剧增加，坡面塑性区不断增大，隧道边坡的稳定安全系数显著下降，施工期间易形成塌方或工程滑坡。

(a) 水平方向应变 (b) 竖向应变图5 坡体水平方向和竖向应变云图Fig. 5 Horizontal and vertical strain contour figures of slope

(a) 最大剪应变 (b) 有效塑性应变图6 坡体最大剪应变和有效塑性应变云图Fig. 6 Maximum shear strain and effective plastic strain contour figures of slope

3.3.2 隧道施工坡面围岩稳定性

隧道右线先行开挖，采用中隔壁法施工，临时钢支撑拆除后，隧道地层模型的水平向和竖向位移云图如图7所示，隧道地层模型整体位移和等效应变云图如图8所示。布盂隧道洞口段浅埋偏压，右线隧道顶部坡面地层产生较大的位移变形，最大水平位移为4.19 mm，最大竖向位移为1.72 mm。右隧道开挖后，右隧道顶部坡面出现较大的整体位移，最大整体位移为4.45 mm；粉质粘土层底部产生较大的应变，最大等效应变为8.07×10-4。右线隧道左上方粉质粘土层底部出现潜在的滑动面，该位置坡面需要重点加固。

(a) 水平方向位移 (b) 竖向位移图7 右线隧道开挖坡体水平方向和竖向位移云图Fig. 7 Horizontal and vertical displacement contour figures of slope after excavation of right tunnel

(a) 整体位移 (b) 等效应变图8 右线隧道开挖坡体整体位移和等效应变云图Fig. 8 Overall displacement and equivalent strain contour figures of slope after excavation of right tunnel

左线隧道后行开挖，在临时钢支撑拆除后，隧道地层模型水平位移和竖向位移云图如图9所示，隧道地层模型整体位移和等效应变云图如图10所示。左线隧道开挖后，右线隧道顶部粉质粘土层依然存在较大的水平位移变形，最大水平位移为4.19 mm；由于左线隧道埋深相对较浅，其顶部粉质粘土存在较大的竖向位移，最大竖向位移为4.10 mm。当左线隧道开始施工时，左右两线隧道顶部围岩均出现较大的整体位移，左右两线隧道顶部最大位移分别为4.35 mm和4.44 mm。此时，右线隧道顶部依然存在较大的应变，最大等效应变为8.11×10-4，右线隧道顶部粉质粘土滑动面向左隧道顶部延伸。

(a) 水平方向位移 (b) 竖向位移图9 左线隧道开挖后坡体水平方向和竖向位移云图Fig. 9 Horizontal and vertical displacement contour figures of slope after excavation of left tunnel

(a) 整体位移 (b) 等效应变图10 左线隧道开挖坡体整体位移和等效应变云图Fig. 10 Overall displacement and equivalent strain contour figures of slope after excavation of left tunnel

3.3.3 洞口坡面塌方机理

布盂隧道洞口段属于浅埋偏压小净距隧道，存在山体坡度大、围岩压力不对称、围岩较软易破碎等特点。洞口土体稳定性较差，虽然前期施工进行支护，但右线隧道导向墙施工时，左上方坡面出现塌方。结合现场勘察和数值模拟，对隧道洞口塌方机理进行分析，结果如下：

(1) 隧址区属于构造剥蚀丘陵地貌，山体坡度大，覆盖层较厚，植被发育良好。浅埋偏压隧道洞口围岩级别为Ⅴ级，隧道洞口围岩主要为残坡积粉质黏土、砂质黏性土、全风化花岗岩和强风化花岗岩。花岗岩残积土孔隙大、强度低、压缩性高，遇水易软化。隧道右线进口顺层偏压坡面在强降雨条件下易形成塌方。

(2) 隧道进出口围岩软弱破碎。模拟结果显示，在强降雨条件下，隧道中夹岩顶部坡面会出现较大的位移变形，且由于降雨入渗，导致地层接合面间出现较大的剪切应变以及大范围的塑性区，坡面极易产生滑动破坏。

(3) 隧道进出口为浅埋偏压地层，降雨入渗过后，岩体的完整性已经遭到破坏，此时进行隧道洞口开挖，会对围岩进一步产生扰动，隧道洞口坡面会出现较大位移变形以及塑性应变区。由于花岗岩残积土已经软化，在坡面支护稍弱条件下，洞口开挖容易导致塌方的产生。

(4) 布盂隧道属于越岭隧道，且闽南山区属于亚热带季风湿润气候，大气降水易在山体上部地势低洼处汇集成地表水。隧道进口附近存在溪沟，水位变化大，影响边坡的稳定。右线隧道导向墙施工期间，出现多次短期强降雨，现场记录降雨强度为302.6 mm/d，虽然前期已经施作截水天沟，但由于降雨量大，雨水无法及时排出，致使地表雨水汇集下渗。隧道洞口左上方花岗岩残积土遇水软化，虽然边坡已经进行了一定的喷锚支护，但由于导向墙施工对软化的围岩进一步产生扰动，致使右线隧道洞口左上方出现局部塌方。

4 塌方处治措施

布盂隧道右线先行开挖，首先施作隧道洞门，而后再进行隧道进洞施工。由于施工期间多次出现强降雨，隧道洞口边坡土体软化，在施工扰动作用下，出现塌方事故，边坡垮塌且钢拱架破坏。为了防止塌方进一步扩大，根据塌方位置位移、应变分析，进行相应处治。塌方具体处治措施如下：

(1) 移除导向墙钢拱架，清理坍落的土体，将岩面浮渣、危岩以及初期支护清除干净，并用高压风将坡面清理干净。

(2) 仰坡塌方位置清理完成后，重新进行刷坡，采用小导管注浆对隧道仰坡进行加固。

(3) 通过增设直径为50 mm的仰斜式排水孔来减小降雨入渗对隧道边仰坡稳定性的影响。排水管采用直径为50 mm、长度为6 m的PVC管，外裹土工布，梅花形布置，横向及纵向排水管间距皆为2 m。

(4) 隧道洞口仰坡注浆加固且排水管道施作完成后，采用网喷混凝土对坡面进行防护。为了防止降雨入渗对边坡的影响，同时提高仰坡坡面稳定性，需要加大网喷混凝土面积。

5 处治效果评价

右线隧道塌方边坡处治完成，重新施作导向墙，开展隧道后续施工。根据JTG 3370.1-2018 《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》[13]要求，隧道洞口地表以及洞内每5 m布置一个监测断面，来评价塌方事故处治效果。洞口附近桩号为K196+232监测断面处的拱顶沉降和地表沉降如图11所示。

图11 K196+232断面监测数据曲线图Fig. 11 Field monitoring data curve of K196+232 section

由图11可知，隧道开挖初期K196 + 232断面拱顶沉降变化量为4.3 mm，拱顶测点对应的地表沉降为1.8 mm。地表沉降、拱顶沉降的实测结果与数值模拟结果基本一致，且相对较小。右线隧道洞口塌方的快速有效处治，避免了塌方进一步扩大，为隧道后续施工提供了有利条件。

6 结论

在山岭隧道施工过程中，频发的塌方事故不仅延误工期，而且会严重威胁人身安全，开展塌方机理与处治技术研究具有重大的现实意义。以布盂隧道为背景，研究了浅埋偏压小净距大断面公路隧道洞口坡面塌方与处治技术，得出主要结论如下：

(1) 花岗岩残积土强度低、压缩性高，遇水易软化，短期强降雨条件下，坡面土体的位移、应变显著增大。浅层坡面土体形成饱和区，坡面结构安全系数减小，极易产生坡面滑坡事故。

(2) 隧道洞口采用中隔壁工法开挖，右线隧道上覆坡面地层会产生较大的位移和变形，该部位土体易产生塌方滑落。浅埋偏压隧道洞口围岩级别为Ⅴ级，围岩稳定性较差，短期强降雨使洞口围岩软化，强度降低。右线隧道洞口导向墙的施工，对洞口软弱土体进一步产生扰动，致使右线洞口顺层偏压坡面出现局部塌方。

(3) 根据浅埋偏压洞口塌方原因分析结果，采用加强支护、先护后挖的方法对塌方坡面进行处治。采用小导管注浆对隧道边仰坡进行加固，设置仰斜式排水孔，能减小地下水对边仰坡稳定性的影响，加大边仰坡锚喷面积稳定坡面。这样隧道洞身开挖时，地表沉降和拱顶沉降初期变形较小，洞口坡面塌方得到了有效处治。