隧洞进出口高边坡岩体稳定性分析与处理方法

周鹤

（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

某高速公路的K17+454～K17802 段拟建一座分离式隧道，全长为351 m，呈直线型展布。隧道开挖断面为马蹄形，直径为9.50 m，上部覆土最大厚度11.30 m。隧洞进口地形陡峭，自然坡度77°～83°，坡面上植被稀疏，部分区域基岩完全裸露；隧洞出口坡度较为平缓，自然坡度52°～56°。隧洞进出口处岩石以燕山期闪长岩为主，呈青灰色、浅灰色，碎块状构造。进口高边坡的节理裂隙发育，风化情况严重。隧洞节理面以NE向和NW向节理为主，多为共轭节理，特征如下：

节理1：N20°W/50°SW，d=0.20～0.50，l＞10 m，微张，略有充填；节理2：N48°W/52°NE，d=0.08～0.30，l＞10 m，微张，略有充填；节理3：N76°E/73°NW，d=0.10～0.40，l＞10 m，微张，略有充填；节理4：N35°E/66°SE，d=0.02～0.05，l＞5 m，微张，略有充填。

2 隧洞地质特征

2.1 地层岩性特征

根据地质勘察结果，该隧洞的出露地层以泥盆系中统东岗岭阶上段灰岩和第四系残坡积黏土为主。灰岩呈深灰色，为中厚层状构造，溶蚀作用发育，表层分化情况严重，岩体破碎。受断层影响，隧洞的进口地层产状为3°∠15°，出口地层产状为230°∠5°。在隧洞附近10 km范围内有2条断层，但是未见活动迹象。钻孔取样分析表明，断层两侧有破碎带分布，并且破碎带的岩石性质为灰质断层角砾岩，硬度较低，稳定性差，隧洞施工中可能会出现崩塌情况，需要采取支护措施。

2.2 水文地质条件

该隧洞的地表水主要来源于季节性冲沟水，集中在每年的7、8 月份。隧洞的进出口均为坡度大于50°的斜坡，地表水位低于设计洞口标高，因此即便是在雨水较多的夏季也不会发生漫淹的情况。降雨后形成的地表水一部分下渗，另一部分沿着冲沟、坡面凹沟形成径流。该隧洞地下水以松散层孔隙潜水和基岩裂隙岩溶水为主，地下水的水量受到裂隙发育程度、孔隙率及降水量等多种因素的共同影响。在夏季雨水丰沛，并且节理裂隙发育较好、孔隙率较高的区域，地下水的水量会明显升高，局部可能形成透水带，在隧洞开挖时有一定的涌水风险。

3 隧洞进出口高边坡岩体稳定性分析

3.1 进口稳定性分析

该隧洞进口的赤平投影如图1所示。

图1 隧洞进洞口结构面赤平投影图

图1 中，P 为坡面，倾向为82°，倾角为89°；C 为产状，倾向为3°，倾角为15°；L1和L2为两条裂隙，倾向分别为3°、215°，倾角分别为69°、27°，该进洞口包含了P-C、P-L1、P-L2、C-L1、CL2、L1-L2 六个结构面。节理裂隙L1 和L2 的特征如下：L1 节理裂隙的产状为0°∠69°，发育密度1～2条/m，竖向切深超过3 m，水平延伸超过1 m，有穿层现象；L2节理裂隙的产状为215°∠27°，发育密度1～2 条/m，竖向切深超过3 m，水平延伸超过1m，有穿层现象。

隧洞的进口在一个南北向的斜坡上，根据地质勘查结果，该斜坡上部覆土为粉质黏土，厚度为50～58 cm。浅表层岩体破碎情况严重，坡面角度为77°～83°，洞口斜坡临空面与路线走向呈60°斜交。考虑到洞口岩石裂隙发育成熟，如果直接进行隧洞开挖很容易因为边坡失稳而发生坍塌，所以隧洞进洞口开挖作业前必须要采取支护措施。理论上来说，第四系土层的放坡率为1∶1.5、强风化层的放坡率为1∶1是比较合适的，同时还要在坡面采取保护措施，防止隧洞开挖时进洞口出现大范围坍塌事故。该隧洞的进口斜坡坡向为83°，表层溶蚀发育、岩质偏软，节理裂隙L1和L2组合切割岩体，影响斜坡稳定性。

3.2 出口稳定性分析

该隧洞出口的赤平投影如图2所示。

图2 隧洞出洞口结构面赤平投影图

图2 中，P 为坡面，倾向243°，倾角51°；C 为产状，倾向240°，倾角5°；LX1和LX2为两道裂隙，倾向分别为145°、260°，倾角分别为65度°、78°，隧道出洞口有P-C、P-LX1、P-LX2、CLX1、C-LX2、LX1-LX2 六个结构面。节理裂隙LX1 的产状为260°∠78°，发育密度1～2条，竖向切深超过3 m，水平延伸超过1 m，微张，有穿层现象，节理裂隙LX2的产状同上。

该隧洞的出口在东北向的斜坡上，上部覆土为残坡积层，坡体自然坡度在52°～56°之间，洞口斜坡临空面与路线走向呈45°斜交。出口仰坡为顺向坡，并且洞口岩石裂隙发育一般，岩体破碎情况并不严重，直接进行隧洞开挖发生边坡失稳的概率不高，如果能做好坡面截流排水措施，可不做特殊加固处理。理论上来说，第四系土层的放坡率应达到1∶1.5，强风化层的放坡率应达到1∶1，中风化层的放坡率应达到1∶0.8。结合水文地质条件，该区域松散层有较好的透水性，但因位置较高，实际含水量不高，所含水分以风化裂隙水为主。地下水的水位季节性变化明显，基本上不会影响到洞口的稳定性。但在夏季雨水较多、降水集中的情况下，雨水和坡面径流的冲刷作用可能会对洞口高边坡的稳定性产生不利影响，因此在隧洞出洞口高边坡要采取截流排水措施。考虑到隧洞出口坡面较缓，且岩体破碎情况一般、岩质较硬等情况，对出洞口支护加固的要求不高。

3.3 洞身围岩稳定性分析

此隧洞的最大埋深为185 m，属于低应力场，不具备爆破条件。围岩的主要成分是泥盆系中统东岗岭阶上段中风化灰岩，中厚层状构造，结构结合面整体较好，围岩级别为IV～V级。

4 隧洞进出口高边坡岩体的处理方法

4.1 处理方案的比选

根据隧洞现场情况和稳定性分析，初步设计了2种洞口高边坡稳定方案。方案一为爆破挖出不稳定组合体，然后采用锚喷支护的方式；方案二为强支护，支护方案为超前锚杆+钢拱架+20 cm 混凝土喷护。由于隧洞进洞口高边坡较陡，局部可以达到80°，坡脚出应力较为集中，在受到震动或者是强降雨后，高边坡滑塌的概率也会明显上升。这种情况下若采用强支护方案，如果支护施工结束前高边坡失稳滑动，将会导致后续施工无法继续进行。鉴于该隧洞的高边坡上尚未形成滑移面，可按照岩体的最优稳定坡比确定需要挖除的不稳定组合体的范围，避免了超挖或欠挖的情况，降低了高边坡岩体处理的技术难度和施工成本。因此，从技术可行性上来看，方案一更适合此次隧洞进口高边坡岩体的加固处理。

4.2 爆破处理方法

为保证施工安全，从隧洞进洞口向前推进10 m 后开始进行爆破作业。在岩土分界处设置马道，洞口开挖坡比设定为1∶0.6，按照“自上而下”的顺序分层施工，首先清理上部覆盖层，然后挖除下放石方。以隧洞的洞顶为界限，洞顶以上部分使用潜孔钻造孔梯段爆破，边坡预裂爆破；洞顶以下部分采用气腿式凿岩机钻孔，边坡光面爆破。处理方法如下：

清理作业面的松动石块后，按照施工图纸进行现场测量放线，标记出钻孔位置。经复核无误后，在预裂爆破区域内使用潜孔钻在标记出的孔位上钻孔。钻孔深度为30 cm，孔径为35 mm，周边控的孔距为钻孔直径的8～10倍。完成钻孔后，清理孔内的石渣，检查成孔效果。确定无内壁开裂等问题后，装入炸药。预裂爆破中使用的炸药为2#岩石乳化炸药，药卷直径为30 mm，装药方式为不耦合装药。梯段爆破高度为8.50 m，采用潜孔钻造孔，并将炮孔以梅花形布置，装填硝铵炸药。光面爆破采用水平钻孔，装药方式为不耦合装药。

爆破结束后，清理现场石块，检查确认隧道进洞口高边坡不存在松动石块后，开始进行洞脸边坡支护。在边坡上以梅花形布置砂浆锚杆，所用锚杆的直径为20 mm、长度为2.80 m，排间距为1.20 m。将砂浆锚杆插入高边坡并进行固定后，在锚杆上挂钢筋网。此次作业中所用钢筋网的规格为φ10@180 mm×180 mm，钢筋网与锚杆之间采用钢丝绑扎方式予以固定。保证钢筋网紧贴在坡面上，然后将准备好的C30混凝土喷射到钢筋网上。为提高钢筋混凝土结构的稳定性，分两次喷射混凝土，初喷厚度为5 cm，保证混凝土厚度均匀，等到混凝土初凝结束后，再复喷混凝土。复喷厚度为5 cm，喷射结束后进行养护。待混凝土完全硬化后，即可保证洞口高边坡的稳定性。

5 结语

隧洞进出口的高边坡是施工中需要重点处理的对象，对高边坡且岩体不稳定的隧洞，在进出口施工前需要使用赤平投影法，对滑面稳定性展开分析。对于在自然状态下处于不稳定状态的岩体，必须要先采取防护措施，在保证安全的前提下再进行隧洞施工。相比于强支护措施，文章提出了一种先进行爆破清理不稳定组合体，然后再进行砂浆锚杆喷锚支护的方案，能够显著提高隧洞进出口的结构稳定性，为下一步的洞内掘进施工创造了安全的作业环境。