某山岭公路隧道出口浅埋段塌方原因分析

2023-11-28王涛李致立孔凡林

重庆建筑 2023年11期

王涛，李致立，孔凡林

(1 重庆市建筑科学研究院有限公司，重庆 400016；2 重庆建筑工程职业学院，重庆 400072)

0 引言

随着我国公路、铁路等交通的不断发展，大量的山岭隧道陆续修建。一般来讲，山岭隧道洞口段往往受到浅埋、偏压、围岩破碎等因素的影响，其施工风险较洞身段更大[1-3]，容易引发一些病害的产生。如受连续降雨作用，成武高速锁池隧道洞口边坡出现了大规模滑塌[4]；厦沙高速玉园隧道洞口出现了地表坍塌以及围岩和支护结构的大变形等问题[5]；李洋溢和何克扬[6]则报道了西部地区某高速公路大跨度隧道洞口开挖诱发滑坡的病害，并针对其形成机制进行了分析，指出洞内的不合理施工是导致滑坡产生的主要原因。刘小军等[7]以厦蓉线水都高速瑞坡隧道为对象，利用三维数值分析对其洞口段的失稳机制进行了分析和研究，并提出了相应的处置措施。

分析已有的大量工程案例报道，发现大多集中于隧道进洞过程中，即“进口段”，而针对“出口段”即出口过程中洞口段的病害报道相对较少。西部某山岭高速公路隧道在出口过程中出现了塌方的现象，本文以此为对象，通过现场监测结果的分析对塌方的原因进行了研判，并提出了相应的处理措施，并取得了良好的效果。所用分析思路和方法等可为类似工程提供一定的借鉴和参考。

1 工程概况

某隧道为分离式，左右幅隧道均属段隧道。其中左幅长168m（ZK 173+776～ZK173+944），最大埋深44.2m；右幅长269m（YK173+736～ZK174+005），最大埋深60.5m。隧道的开挖高度和跨度分别为10.4m 和13.5m（图1）。隧道穿越区为构造隆升低山工程地质区，分布的地层有第四系全新统坡残积碎石土和中泥盆泥质灰岩。隧址区地质构造简单，无断裂构造，且无其他不良地质级特殊岩性土存在。

图1 隧道开挖尺寸及监测点布置图（单位：m）

其中左幅隧道出口段（ZK173+894～ZK173+944）位于山体坡脚处斜坡，地形坡度较陡，坡角38°，基岩出露。基于工程地质特征和相关规范，该段围岩级别为V 级。由于整个左幅隧道长度较短，因此采用钻爆法进行施工，所有断面均采用上下台阶法进行开挖，每次开挖进尺2.0m，上下台阶保持30m 的间距。考虑到出口段前30m 埋深特别浅（约0～5.0m），因此在ZK173+914～ZK173+944区间段隧道中线至左右侧各15m 范围内采取地表注浆进行加固。注浆钢管采用梅花型布置，间距2m×2m；初期支护由间距50cm 的20b 工字钢、25mm 中空注浆锚杆（长3m）、8mm 的钢筋网（间距20cm×20cm）以及26cm 厚的喷射混凝土构成。

隧道在进洞以及洞身段开挖的过程中均较为顺利，当上台阶开挖至出洞口ZK173+918 断面时，前方约2m 的出现了坍塌（位置如图2 标注区域），在地表形成了大小约40cm 的空洞（如图3）。且该空洞在随后进一步发展，最终形成了约长3.6m、宽约2.7m 的地表塌陷（图4）。

图2 出口段塌方位置整体图

图3 地表塌陷最初局部图

图4 后期发展后的地表塌陷图

2 塌方原因分析及应对

2.1 原因分析

明确塌方产生的原因对于后续施工以及采取相应的应对措施十分重要。从地表最初出现塌陷时的隧道内部来看，可以较为清楚地从掌子面前方观察到图3 所出现的空洞，整体上离已施作好的ZK173+918 断面的初期支护约1～2m 的距离。也就是说，其主要原因是ZK173+918 断面开挖后掌子面围岩向洞内产生位移，而由于前方围岩埋深太浅，无法形成有效的拱效应，因此最终导致了地表塌陷的产生。基于这一初步判断结果，考虑到出口处桥梁已经施作，存在当地居民和施工人员等从塌方处地表经过的可能，首先对塌方地表进行了围栏处理。

根据《公路隧道施工技术规范》（JTG/T—2020），整个上台阶掌子面先暂缓施工，并进一步通过监测数据分析地表以及出洞口已支护断面变形以及支护受力的变化情况，从而判断是否存在坡体滑动的现象或可能。图5 为ZK173+910 和905 断面的地表沉降曲线。可以看出，两个断面均是隧道拱顶正上方的地表产生的沉降最大（ZK173+905 断面因D 点破坏，测点C 沉降值最大），且值分别达到了36.0mm 和35.1mm。且从隧道中心线对称两侧来看，右侧沉降值略大于左侧沉降值，这主要是由于左侧埋深略浅于右侧埋深导致的。而从初始发现塌方（图中竖向虚线标注位置）后曲线的变化趋势来看，整体受影响不是特别明显，仅ZK173+905 断面测点C 在2d 后出现了明显的沉降（约19mm），且此时测点D 因沉降遭受损坏。且可以看出，所有测点在第5d 后的变形远小于前5d，第15d 后所有测点连续两天的沉降差值均小于1mm，表明所有测点沉降已经稳定。

图5 出口段地表沉降监测曲线

图6为不同断面的拱顶沉降曲线图，为了更好地显示，图中给出了隧道出洞完成后所有监测断面的曲线图，且竖向虚线为初始塌方出现时的位置。从图中可以看出，地表塌陷产生时已开挖的ZK173+900、910 和915 三个断面的拱顶下沉值均不超过3mm，且在后续的2d 内并未有迅速增加的现象。图7 为ZK910 断面初期支护钢拱架应力计测量曲线（监测点的布置如图1 所示），可以看出，整体上钢支撑拱顶和两侧拱腰上下侧所受到的应力值并不大，最大值也不超过30MPa。而且在地表出现塌陷后没有明显的曲线突变现象，表明该断面受地表塌陷的影响相对较小。

图6 出口段拱顶下沉最终曲线

图7 ZK173+910 断面钢支撑内力变化曲线

综合上述分析可以看出，虽然出现了地表塌陷，但后方坡体的变形并未见到明显增加，同时已开挖且初期支护的洞内也未见到明显的变形和受力突增。而且从现场塌陷土体来看，基本呈现垂直塌落的形式。因此判断，本次塌陷主要是由于该段埋深很浅，隧道开挖后掌子面前方土体变形而引起的。

2.2 应对措施及效果分析

基于上述判断，认为隧道施工引发的仰坡整体失稳的可能性小，但极有可能出现掌子面前方土体的垮塌。考虑到前方覆土厚度越来越小且风化松散，因此决定采用挖掘机开挖的方式继续施工，以减小对前方土体的扰动。考虑到降雨等其他因素对坡体稳定的影响，要求对已完成的全断面及时进行二衬施作，且在出洞开挖完成后及时进行明洞的施作，从而对仰坡起到“固脚”的作用。另外，加强对坡体地表的变形监测，一旦出现变形较大或速率过快的情况则及时进行处理。

在上述措施的保障下，隧道实现了顺利的出洞。图8 为塌方段前后两个断面（ZK173+910和ZK173+925断面）围岩与初支间的压力曲线（监测点的布置如图1 所示）。可以看出，塌方前已开挖的ZK173+910 断面在塌方产生的前后拱顶处围岩压力一直都处于增加的状态，但左右拱腰处的变化不是很大。表明塌方前后该断面承受了较大的竖向压力，但范围仅主要在拱顶上方，这与前述的对塌方变形特点的判断是一致的。后续在采取措施后拱顶受力出现了一定的下降且逐渐趋于稳定，表明该断面的压力得到了一定程度的释放。ZK173+925 断面在开挖完成后初期支护受到的围岩压力是很小的，均未超过0.15MPa，表明后续开挖断面支护受到的压力较小，可以较好地对围岩提供支撑。从图4 的后续曲线（15d 后）的发展来看，地表的变形均趋于稳定。从图6 和图7 的隧道内部围岩变形和衬砌受力来看，无论是拱顶沉降还是初期支护受力，均未出现大的突变，且很快趋于了稳定。以上所有监测结果均表明对该出口段的塌方判断以及提出的相应的应对措施取得了良好的效果。