某隧道地表斜坡变形病害分析及处治建议

摘要：文章通过对在建天峨至北海公路（天峨经凤山至巴马段）某隧道的病害特征、隧道地表变形的成因、隧道病害的机理和发展趋势、地表变形的危害进行分析，提出地表病害、隧道内病害的工程处理建议，可为类似隧道的病害处治提供参考。

关键词：隧道；拱腰；张裂缝；塌陷坑；沉降裂缝；斜向裂缝；冒顶

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0 引言

广西高速公路建设规模日益庞大，截至2022年年底，高速公路通车总里程已超8 000 km，历史性实现县县通高速公路，广西2023年新增高速公路通车里程将超过800 km。在建的高速公路中，特别是已开通、运营的高速公路隧道易发生各种病害。本文通过对在建天峨至北海公路（天峨经凤山至巴马段）某隧道的病害特征、隧道地表变形的成因、隧道病害的机理和发展趋势、地表变形的危害进行分析，提出地表病害、隧道内病害的工程处理建议，为类似隧道的病害处治提供参考。

1 项目工程概况

天峨至北海公路（天峨经凤山至巴马段）某隧道为越岭隧道，设计隧道为分离式+小净距特长隧道［1］，设计长度为4 720.00 m，最大埋深约为430 m。隧道在施工过程中，左线ZK45+660～ZK45+900段斜坡地表陆续出现了多处裂缝、冒顶，居民房墙壁、地板开裂；左线ZK45+756～ZK45+792段二衬和仰拱发生开裂；左线ZK45+768～ZK45+780段右侧拱腰存在衬砌混凝土块掉落，危及坡上、坡下居民的生命财产安全。同时，给隧道的正常施工带来不利影响，甚至危及隧道结构安全［2］。

2 隧道病害路段工程地质条件

2.1 隧道病害路段工程地质及设计概况

ZK45+660～ZK45+900段隧道埋深为80.3～94.5 m，地形呈凹槽状，地表覆盖第四系残坡积土碎石混黏土，土层厚度为27～60 m，土层厚度较大，植被茂密；下伏基岩为二叠系下统茅口组（P1m）中风化灰岩，岩面凹凸不平，岩体较破碎，溶洞、溶隙发育。根据详勘资料，ZK45+680～ZK45+940段为Ⅴ级围岩，衬砌类型为S5-P，ZK45+670～ZK45+950段采用超前支护采用双环小导管，ZK45+670～ZK45+950段采用CRD开挖法施工。

2.2 隧道病害路段地层岩性

根据钻探揭示和地质调查，斜坡地表变形病害段地层主要由第四系残坡积层（Qel+dl）、二叠系下统茅口组（P1m）组成。

2.2.1 第四系残坡积层（Qel+dl）

碎石混黏土，褐黄、褐灰色，稍密～中密状，混35%～50%的黏土，碎石成分主要为风化泥砂岩碎石，土质不均匀，局部以黏土混碎石为主。揭示厚度为27.00～60.00 m。

2.2.2 二叠系下统茅口组（P1m）

中风化灰岩：灰色，隐晶质～微晶结构，厚层～巨厚层状构造，岩质较坚硬，裂隙发育，大部分岩体较完整，局部岩体破碎～较破碎，表层溶蚀、沟槽、垂直裂隙发育，大部分被裂隙切割呈镶嵌结构的块体，局部发育有溶洞，钻探岩芯多呈短柱状，少量呈碎块状。层厚一般为10～40 m。

2.3 地质构造

根据区域地质资料，隧道区内为十二坡断裂（F3）通过，十二坡断裂（F3）位于坡堂、林光、拉光、巴英、十二坡、陈家湾一带，断裂长度约为7.8 km，走向大致为50°，倾向、倾角不明，为性质不明断层。该断层在林光一带错断了巴腊峒-隆茶坡断层，巴腊峒-隆茶坡断层为性质不明断层，其倾向、倾角不明。

3 隧道病害特征

根据现场调查，该隧道ZK45+660～ZK45+900段斜坡地表变形病害主要分布于ZK45+660～ZK45+740段、ZK45+751～ZK45+853段，病害的外在表现主要为二衬和仰拱等部位出现了开裂、裂缝，地表陆续出现了多处裂缝、冒顶，居民房墙壁、地板开裂。

3.1 地表变形的类型及特征

3.1.1 地面塌陷坑

截至2022-09-15，ZK45+660～ZK45+900段地表共发现2处塌陷坑，分别为ZK45+655处左侧约85 m塌陷坑（编号为TX1）、K45+685处左侧约5 m塌陷坑（编号为TX2）。勘察进场前，塌陷坑已回填，坑口大致呈圆形，直径为3～5 m，TX1标高约为806 m，TX2标高约为852 m。根据向当地村民了解，塌陷坑TX1大致形成于2022年3月底，塌陷坑TX2大致形成于2022年4月，具体形成时间不详，即塌陷坑TX1先形成于塌陷坑TX2。

3.1.2 地表裂缝

隧道地表发现多处裂缝，所有的裂缝均出现在塌陷坑地势较高一侧的坡面，多为张拉裂缝，少量为下错的剪切裂缝，宽度从几厘米至几十厘米不等，最大沉降错台高度约为100 cm，裂缝最大宽度约为40 cm。主要发育的裂缝情况分析见表1。

3.1.3 房屋病害

房屋病害最严重的是上行线K45+660处右侧15 m的一栋民房，房屋为砖混结构，楼层为2层，该民房底层面积约为184.5 m2；其次为上行线K45+790处右侧25 m的两栋3户民房，底层面积分别为180.9 m2、152.4 m2、140.5 m2。主要病害有房屋外墙的开裂、地板开裂。

3.2 隧道内病害基本情况

根据施工方提供资料，天峨端左洞ZK45+756～ZK45+792段二衬和仰拱发生开裂，此段右侧二衬存在几条贯穿性裂缝；ZK45+768～ZK45+780段右侧拱腰存在两处分别为2 m2、0.3 m2的衬砌混凝土块掉落。详见图1。

4 隧道病害的机理和发展趋势

4.1 地表变形的成因分析

通过地质调查、钻探、物探、智能监测，并综合前期地质勘察成果，隧道地表变形的演变过程如图2所示。由图2可知，这是一个循序渐进的过程，并具有前因后果的关系。产生地表变形的原因是多方面的，可归纳为以下几点：

（1）隧道地表变形区域处于山坡的凹槽部位，松散坡残积土层厚度大，下伏基岩裂隙发育，风化、溶蚀强烈。该隧道天峨端左洞ZK45+756～ZK45+792段埋深为80.9～86.7 m，掌子面埋深约80.5 m左右。隧道从岩土交界面附近穿过，围岩以岩石夹土为主，含水量高，稳定性较差，在隧道开挖掘进施工过程中容易发生突泥、坍塌、冒顶等施工地质灾害。

（2）隧道开挖过程中发生较大规模的塌方、突泥，在隧道拱顶上方形成较大的空腔，使上方土体向下产生沉陷变形，形成塌陷坑。

（3）塌陷坑得不到及时填埋，地表排水系统得不到及时恢复，使得塌陷坑周围土体不断坍塌，塌陷坑不断扩大，地势较高一侧临空土体产生向下蠕动变形，出现拉裂缝，局部发生滑移。

（4）降雨使得变形区域土体含水量增加，重度增大，抗剪强度减弱，稳定性降低，使围岩中已存在的空腔拱壁进一步坍塌，直至冒顶，产生更多的塌陷坑；已有塌陷坑进一步扩大，地势较高一侧土体向下蠕动变形加剧，甚至可能发生整体滑移。

（5）隧道开挖过程中发生较大规模的塌方，在隧道拱顶上方形成较大的空腔，使得塌方周围土体不断坍塌，坍塌不断扩大，地势较高一侧的居民房地基下方的土体产生向下蠕动变形，在房子自重力作用下容易产生地基不均匀沉降，使房屋墙面、地板等开裂。

4.2 隧道病害的机理

（1）根据钻探、物探成果，碎石混黏土结构松散，承载力低，碎石混黏土层存在空腔或空隙；隧道底板溶洞、大溶洞发育，洞内多为碎石土、黏土充填，稳定性差。这是引起隧道衬砌产生拉张裂缝产生的主要原因。

（2）碎石混黏土层厚度大，压缩性大，承载力低，在上部碎块石层重力作用下容易产生压缩变形，从而引起隧道二衬开裂、拱腰衬砌混凝土块掉落和初支变形。

（3）局部隧道顶板基岩厚度较薄，碎块石层空隙较大，结构不密实，地下水作用带走地基中的细小颗粒。在隧道开挖施工过程中，由于隧道放炮开挖产生振动，从而引起地面产生裂缝、冒顶及房屋墙体、地板产生开裂现象。详见图3。

4.3 隧道病害的发展趋势

根据地质调查、智能监测及收集到的有关资料，病害主要表现为地表开裂、冒顶、房屋墙体、地板开裂，隧道二衬开裂、拱腰衬砌混凝土块掉落和初支变形，左洞产生病害较严重。根据钻探及物探成果，左洞仰拱底面存在物探低阻异常［3］，根据智能监测，隧道上方土体持续保持低速位移状态，坡面整体保持低速变形状态。勘察期间对隧道进行观察，未发现隧道边墙、拱腰等部位裂缝出现明显变化，也未发现有新的裂缝产生，表明地基产生沉降速度缓慢，处于相对缓慢沉降变形状态。因此，目前地基出现快速沉降对隧道产生破坏可能性较小。但随着地下水升降作用和后期车辆动载影响，地基沉降变形的状态会持续恶化，危及隧道结构安全。

5 地表变形的危害评价

由于该隧道天峨端出现了严重的地表变形、居民房屋开裂现象，已给隧道施工单位以及生活在坡上、坡下的隆申峒居民带来了很大影响，当地政府出于安全考虑，已将生活在地表变形区上方、下方的近40户居民从家中搬出来，安置于救灾帐篷中，并在下方设置警戒线，安排专职人员蹲守值班，严禁无关人员靠近。而施工单位也对天峨端左洞及右洞暂停各工序施工，封闭掌子面，撤离所有人员及机械设备，加强洞口进出洞管理；组织人员对塌陷坑及局部地表裂缝进行封闭、回填，防止雨水灌入。

从地质专业角度，对该隧道ZK45+660～ZK45+900段斜坡地表变形病害的危害程度评价如下：

（1）目前虽然已对塌陷坑及局部地表裂缝进行封闭、回填，但从现场地质调查及走访来看，塌陷坑回填较松散，并未分层夯实，没有剔除植物根茎及腐植物，容易形成空腔或空隙，容易使塌陷坑周围土体不断坍塌，其上方裂缝进一步发展，上方的地表裂缝将可能率先发生浅层滑塌。

（2）待雨季来临，雨水通过裂缝、塌陷坑大量注入斜坡土体中，将使塌陷坑以下土体含水量急剧升高，重度增加，抗剪强度降低，在水压力的共同作用下，塌陷坑上下附近土体极可能从其下方20～50 m处整体剪出，形成中厚层滑坡，严重危及坡上、坡下居民的生命财产安全。同时，在滑坡体巨大的牵引力作用下，可能造成隧道洞体严重变形或垮塌。

（3）据调查，目前，在塌陷坑地势较低一侧的坡下民居附近地表尚未发现新鲜裂缝，说明坡下民居的地基是稳定的。居民房大多分布于坡下较平缓区域，其地基不具备整体滑移的地质条件，因此，坡下民居聚集区不存在整体滑移危险。但在塌陷坑附近的坡上居民房，由于离塌陷坑较近，受临空土体产生向下蠕动变形的影响，使房屋地基产生不均匀沉降而出现地板、墙面裂缝，若塌陷坑不能得到有效控制，从而导致房屋地基产生不均匀沉陷，有进一步使地板、墙面裂缝的可能，对坡上的居民的生命财产安全构成威胁。

6 工程处治建议

该隧道ZK45+660～ZK45+900段出现的地表变形现象遵循图3所示发展规律，并具有前因后果的关系，因此，在本隧道开挖过程中，采取有效措施“减少塌方、避免大塌方和突泥”是减少地表出现变形的基本指导思想。出现地表变形后，应尽快填埋塌陷坑、封闭裂缝和恢复地表正常排水系统，防止地质病害进一步发展，避免因此酿成严重后果。按照“先急后缓、标本兼治”的原则，提出以下处治建议。

6.1 地表病害工程处治建议

（1）填埋所有塌陷坑，按就近取土的原则从周围凸出地块中取土作为填料，取土时应剔除植物根茎及腐植物，并分层夯实；

（2）夯实封闭所有地表裂缝，平整作业区的地表，恢复以面流排水为主的地表排水系统；

（3）恢复作业区的植被。

6.2 隧道病害工程处治及建议

（1）对局部软弱围岩和仰拱基底进行加强处治；对衬砌开裂段全断面注浆加固围岩，对二衬开裂段进行换拱处理；对尚未开挖的左洞、右洞加强超前地质预报，加强岩溶探测，实施大仰角超前钻探，并加强隧道初期支护，控制围岩变形。

（2）加强地表、隧道内监测，加强洞内地质雷达及应力应变监测，继续推进长期变形观测系统，对裂缝变形、地表变形及隧道变形进行观测，并对采集的变形数据进行分析与评价，指导后续处治工作；加强隧道病害段日常巡查，内容包含隧道内的巡查以及地表影响区的巡查，尤其是雨季期间应提高巡查频率，若发现新增病害，应及时上报处理。

（3）衬砌开裂段全断面注浆加固围岩，对二衬开裂段进行换拱处理。

（4）对尚未开挖的左洞、右洞加强超前地质预报，加强岩溶探测，实施大仰角超前钻探，并加强隧道初期支护，控制围岩变形。

（5）隧道从山体斜坡的水源点一、水源点二下方穿过，该两水源点为隆申峒村民饮用水及灌溉水渠的主要水源，且覆盖层碎石混黏土为强透水层，隧道放炮开挖产生振动，容易引起地面产生裂缝，从而引起地表水体下渗现象。因此，隧道开挖时应采用短进尺，小药量爆破，控制爆破振动对地表斜坡的影响。

（6）尽快实施隧道病害处治，在施工期间应加强隧道结构安全监测，做好施工应急预案；隧道行车时，应加强检测、监测工作，为行车安全提供及时数据。

7 结语

该隧道ZK45+660～ZK45+900段出现了较严重的病害，主要表现为地表开裂、冒顶、房屋墙体、地板开裂，隧道二衬和仰拱发生开裂，左洞产生病害较严重。目前地表变形仍在发展，强降雨将使地表变形进一步加剧，处治不当将产生严重后果。因此，必须尽快对地质病害进行治理，以消除安全隐患及当地居民顾虑。建议继续推进长期变形观测系统，对地表变形及隧道变形进行观测，并对采集的变形数据进行分析与评价，指导后续处治工作。目前未发现隧道边墙、拱腰等部位裂缝出现明显变化，也未发现有新的裂缝产生，判断目前隧道地基产生沉降速度缓慢，处于相对缓慢沉降变形状态。因此，应加强隧道病害段日常巡查，尤其是雨季期间应提高巡查频率。同时，尽快实施隧道病害处治，在施工期间应加强隧道结构安全监测，做好施工应急预案。隧道在行车时，应加强检测、监测工作，为行车安全提供及时数据。

参考文献：

［1］JTG 3370.1-2018，公路隧道设计规范（第一册 土建工程）［S］.

［2］韦世贵.某隧道病害分析及处治建议［J］.西部交通科技，2016（5）：75-77.

［3］DB45T 2148-2020，公路工程物探规范［S］.