隧道施工期间边坡崩塌原因分析及整治处理方案

马保华

（贵州省公路工程集团有限公司，贵州 贵阳 550000）

1 工程概况

某隧道全长156m，以东西向贯穿山脉，南侧下边坡临溪流，隧道与溪流高差20m。隧道西侧接明挖段路基，东侧与桥梁相衔接，地表坡度介于30°～52°，隧道最大覆盖厚度20m，属于典型的短小浅埋隧道。本隧道设计全线采用传统钢支撑工法的底导坑先进工法施工，施工后一年全线完成底导坑，正拟进行上半断面施工时，北侧上边坡发现数条平行隧道的裂缝，遇雨即产生坍滑，坍落的土石堆积于边坡上，隧道正上方的地表则明显可见两个窟窿，因此决定暂停施工，封闭东西洞口，对边坡崩塌先行开展整治。

2 调查方法

为了解崩塌的范围与原因，首先需进行现场调查，再依据调查结果分析可能的原因，进而提出整治处理方案。

（1）地表调查：包含地形测量、地表地质调查与地表裂缝调查，主要了解崩塌区的地形、地表地质及裂缝的分布状况，以分析崩塌区的范围。

（2）隧道内情况勘察：进入已开挖的隧道内，勘查了解到隧道内的地质与支撑构造破坏情形，作为地层坍滑深度及范围分析的参考[1]。

（3）地质及地球物理调查：包含折射震波探测、地质钻探取样与试验及倾斜管安装与量测。为能明确显示崩塌区的地质条件与坍滑的机制，上述测线采用纵横交错布置于调查范围内，并在纵横交错点辅以地质钻探，同时在该处设置倾斜管以测量地层变形等。

3 调查结果

3.1 地形与地质调查结果

本隧道经过的边坡坡度在28°～52°之间。隧道东、西口附近及施工道路K12+076m—K12+110m 的下边坡，为基岩出露处或表层剥蚀部位，坡度较陡约为40°～52°，地表植生较为稀疏，甚至光秃一片，植生以草及2m高的银合欢居多。隧道中心线地表附近及K12+110m至K12+145m 处，多为表土层或崩积土石，坡度较平缓约为28°～30°间，植生较为茂密，篇阔叶树及银合欢的混合林，树木较为高大、茂盛。K12+145m—K12+170m处，为表层剥蚀剧烈及裂隙发达的区域，坡度约为42°左右，植生较为稀少，并有许多树木连根滑落、倾倒或枯死。K12+170m 以上的区域，其坡度约为25°～28°间，为阔叶树茂密的混合林。

本崩塌区地层主要以硬页岩、板状页岩及砂页岩互层所组成易受风化而成碎屑剥落。地质构造则有背斜与向斜通过隧道附近，调查区的岩层多有扭曲现象，根据地表地质调查、折射震测及现场钻探调查的结果，判断本隧道的地质依上至下的顺序可概略分为表层堆积层、风化扰动硬页岩层及致密页岩层等三层。

3.2 隧道内现场勘查结果

现场勘查时西口已崩塌无法进入，因此自东洞口进入隧道底导坑内观察，发现里程距东口28m处基岩状态变好，钢支撑并无任何异状。直至距东口73m处基岩开始较差，距东口73m 及距东口123m 处计有十余对钢支撑严重扭曲变形，尤其是靠山一侧的钢支撑。距东口108m处支撑的木矢板沿隧道横断面方向环状被剪断，并有多处渗水状况[2]。

3.3 倾斜管测量结果

本崩塌基现场装设四支倾斜管，深度介于24～30m。根据倾斜管量测的变形走势分析，地表下20～26m深度内的地层有变形的迹象。其中中部倾斜管的变形走势较不明朗，可能为滑动深度较倾斜管更深所致。但依据物探及钻探资料所示，该处约在地表下29m，为致密基岩位置，因此推估该处的滑动深度在26m上下。

4 崩塌原因分析

根据上述现场调查结果，本隧道洞口边坡很可以明显区分为六个坍滑区，现分别叙述其可能坍滑原因如下：

4.1 S1及 S3坍滑区

S1及S3坍滑分别位于隧道西洞口及东洞口附近，根据现场调查结果分析，其主要的坍滑原因是洞口开挖施工所引致，加之暴雨侵蚀使其范围扩大，并于S1坍滑区的上方产生一张力裂缝，S1及S3坍滑区均属于表土层的坍滑，属浅层的滑动

4.2 S4、S5及 S6坍滑区

S4、S5及S6坍滑区均位于隧道的下边坡靠近西侧的产业道路附近，其坍滑主要是暴雨侵蚀所造成，均属于浅层的滑动。

4.3 S2滑塌区

S2坍滑区位于隧道的上边坡，坍滑范围大及滑动深度深，属深层滑动的坍滑区，可能的坍滑原因如下：

（1）地形因素：隧道平行坡面开挖，平行坡面的最大主应力（δ1）远大于垂直坡面的最小主应力（δ3），隧道开挖后将会造成偏压现象。隧道愈接近坡面，此现象愈显著，并会引起异常变形及崩塌，导致边坡的坍滑。

（2）地质因素：S2坍滑区盖范围均为厚达25m 的风化扰动岩层，该岩层的岩体非常破碎，较易产生边坡滑动。

（3）工程因素：本边坡原为一自然边坡，自隧道开挖后即陆续产生滑动，因此隧道开挖系为一重要的工程因素，隧道的挤压作用造成边坡的安全降低较快，其中包括：①由于隧道岩体的开挖移除，造成了边坡对滑动体的抵抗力降低；②隧道开挖变形控制不佳将造成一松动带，尤其采用传统钢支撑工法施工隧道，因钢支撑与基岩面接合不易，其周围松动带将更大，隧道内的钢支撑若强度不足将因此受挤压而变形。

S2坍滑区为一深层滑动区，可由上述三项因素推论与隧道内现场勘查结果互佐证。

5 整治方案

5.1 整治原则

根据上述描述可知，本案隧道施工与边坡稳定息息相关，隧道基本均位于风化扰动硬页岩层中开挖，且由调查结果显示有深层滑动面，因此无论采用何种工法施工，边坡的稳定处理都是最重要的[3]。尤其是东口附近及西口附近，由于已被崩落的土石所掩盖，已不适于采用隧道工法施工，而应采用明挖或明挖覆盖法施工，至于其他坍滑区整治方案如下节所述。本计划于施工初期并未设置任何的监测仪器，因此无法预知边坡是否可能会发生滑动，并且加以防止，因此后续的整治方案须先设置监测系统，施工时方能有效控制边坡及隧道的变形，避免再发生边坡崩塌[4]。

5.2 施工技术简介

5.2.1 明挖法

在地下结构工程施工时，首先从地面向下分层、分段，并逐层、逐段按照顺序开挖，尺寸和高程要符合结构要求。其次，在基坑中对主体结构开展施工和防水作业，一直到回填并恢复地面。明挖法的施工工序指：降低地下水位、边坡支护、土方开挖、结构施工及防水工程等。其中，边坡支护是确保安全施工的关键因素。明挖法的基本类型包括：

（1）先墙后拱法。先墙后拱法是最常见的，适用于地形、地质条件好的浅埋隧道以及地下工程。当地形和场地满足条件时，在边坡开挖之后，并且可以暂时稳定，可以使用带边坡的基坑或堑壕。假如施工场地不满足条件，受到限制以及边坡不稳定时，可以使用直壁的基坑或堑壕，坑壁要支护。

（2）先拱后墙法。此种方法用于破碎土层以及岩层。

（3）墙拱交替法。它是先墙后拱法和先拱后墙法的混合采用，交替使用边墙和顶拱，此种方法应用于比较特殊的情况，例如不能单独采用先拱后墙法或者先墙后拱法时。

5.2.2 盖挖法

由于明挖法存在占地较大、挖方量及填方量大、长时间隔断地面交通等问题，因此一般隧道采用半明挖法开挖。半明挖法最为常见的是“盖挖法”。在20世纪60 年代，盖挖法第一次被应用于西班牙马德里的城市隧道，其后广泛应用于其他城市的隧道建造。盖挖法首先做围护结构和中间桩，主要采用连续墙、钻孔桩等技术；其次制作钢筋混凝土盖板，充分利用围护结构、中间桩和盖板的保护开展土方开挖和结构施工。

由于盖挖法在开挖施工作业存在很大的优势，因此经常被采用。其优点包括：对邻近建筑物影响小、受气候影响小和封闭地面交通时间短，当盖板建立完成之后，后续开展的开挖施工作业不受地面条件影响。同样，盖挖法也存在一些弊端：为避免安全事故，盖板应尽量少设置竖井，但开挖出的土方必须采用水平方式运输，导致作业空间有限、工期长等问题，且施工费用较明挖法高。

顺作与逆作是盖挖法的两种施工方式，两种方法的主要不同点是施工顺序不同以及支撑方式不同。顺作是由下而上开展施工，逆作法是由上而下开展施工。顺作法支撑采用钢管支撑、型钢支撑、钢筋混凝土支撑以及土锚杆等方式；顺作法采用在挡墙施工之后，对挡墙进行支撑，开挖至设计标高，浇筑基础底板，之后按照由下而上顺序，浇筑地下结构本体，并拆除临时支撑。逆作法支撑是本身建筑物的结构支撑，即建筑物本体的梁和板。

顺作法是在既有条件下，根据方案需求的宽度，在地表面完成挡土结构，采用事先预制完成的覆盖置于挡土结构上，不断开挖和架设横撑，完成指定设计标高，并从下向上进行建筑主体结构、防水措施和回填土，最后拆除挡土结构的外露部分，直至恢复交通。

逆作法通常应用于深层开挖、软弱地层开挖、靠近建筑物施工等工况下。在地下建筑结构施工时，逆作法通过结构本身既做挡土墙又作内支撑，不再另外做临时支撑。施工顺序正好与顺作法相反，由上而下开展施工。在沿线建筑物过于靠近或者地下构筑物顶板覆土较浅的工况下，可能由于基坑长期开挖而造成地表明显沉陷。为保证邻近建筑物的安全措施，避免盖挖顺作法两次占用道路的弊端，采用逆作法。

5.3 整治方案说明

（1）方案一：本案为全线采用明挖工法，隧道结构变更为路堑形式的施工方法。

（2）方案二：隧道东半段采用明盖挖法，隧道西半段采用原隧道形式施工。

（3）方案三：隧道东口段及西口段采用盖挖法，隧道中段采用中隔壁法（CD法）。但隧道施工前，边坡必须先行打设地锚护坡，再扩挖隧道。

5.4 整治方案的比较

比较三种方案的工程内容、工程经费、工期及优劣点等，其中方案三由于无论在工程经费、工期及技术的复杂性和不确定性等因素，均较另两个方案不利，因此不宜采用。而方案一在工程经费、工程期限及技术上均有明显的优势，且若在一崩积层上开挖隧道本身困难度即较大，因此方案一为较佳的选择，但其用地范围较大，需另增加征地费用。相较于方案一，方案二虽然工期略长，费用稍昂贵，但仍以方案二为最佳的选择。

5.5 后续施工简述

后续的整治除采用上节所述方案二外，并沿用调查时边坡上所设置的倾斜管，作为施工时监测边坡滑动的依据，并在隧道内设置收敛岩钉等作为控制隧道施工变形的基准。在整个施工过程中，由于事前的调查精确及施工中监测系统功能的发挥，使本工程整治成功完成，同时证明了方案二的选用是正确的。

6 结语

本案例工程中，由于隧道平行坡面开挖，隧道本身已承受相当大的偏压，加之开挖引致隧道周边岩体松弛诱发边坡坍滑，因此，如何进行隧道的开挖与边坡的整治成为重要课题。本案例采用先行稳定坡面，再进行隧道施工方式进行整治，通过折射震测、地质钻探、地表地质调查、倾斜管、地形测量及裂缝调查充分了解边坡坍滑的机制、范围及深度，有效而正确地提供了边坡坍滑整治所需的资料；隧道施工则配合边坡整治，采用减轻覆土重及刚性支撑成功地克服偏压及浅覆盖所产生的问题，顺利地完成边坡整治及隧道施工。

但预防胜于治疗，隧道选线时应尽量正交边坡等高线，避免平行坡面而行。若无可避免，首先应对隧道开挖后邻近坡面的滑动趋势进行评估，考量坡面保护措施是否须事先设置的必要性，以确保边坡的稳定性满足规范要求；其次再就隧道邻近坡面所产生的偏越及覆土厚进行详细评估，评估隧道支撑的刚性及变形是否在容许范围，以避免隧道施工产生的变形，影响坡面的稳定性；施工时则于坡面及隧道内设置监测仪器，以了解隧道及边坡的互动关系，如有异状方能事先提出预警，尽快予以处理。简言之，平行坡面施工的隧道，若能秉持上述三原则进行设计与施工，必能竟全功顺利完成，不致发生边坡坍滑的现象。