充填型岩溶隧道仰坡滑塌机制及稳定性控制技术——以宜宾巡场至玉和公路下坝隧道出口段为例

李国梁,胡伟锋,刘 佳,李思翰,叶 飞,*,杨 永

(1.中交基础设施养护集团有限公司,北京 100011; 2.长安大学公路学院,陕西 西安 710064)

0 引言

我国西南地区岩溶地层分布面积较广,由于岩溶隧道围岩周围溶腔的隐蔽性,隧道施工发生坍塌、落石、掉块危害的风险很大[1-3]。在隧道洞口段开挖过程中未揭露出的隐藏溶腔,若未能事前采取有效措施,在进洞过程中则容易引起边仰坡失稳和洞内坍塌问题,严重威胁施工安全。

宋战平等[4-5]研究了顶部既有溶腔对隧道位移和应力的影响,得出距离隧道一定范围内的溶洞将增加隧道位移和拱顶拉应力值,边墙应力集中程度有所降低;田荣生等[6]采用MIDAS GTS/NX软件进行数值模拟分析,得出上覆溶洞水对隧道拱圈应力的影响不大,但对隧道变形影响较为显著;陈秀雯等[7]对岩溶富水隧道坍塌机制开展数值分析,得出围岩塑性区出现在上下台阶掌子面,上台阶脚隅处应力值最大是疲劳裂缝开展的主要诱因,初期支护应加强上、中台阶连接,防治溜塌;周晓松等[8]以云南玉磨铁路巴罗铁路二号隧道为例,研究富水岩溶区充填型溶腔隧道围岩力学特性,提出采用超前管棚和注浆的措施对充填溶腔进行加固,可以避免塑性区联通,有效控制围岩变形;张成平等[9-10]基于高富水岩溶区圆梁山隧道面临的涌突水、围岩稳定和高水压等技术难题,提出了复合注浆加固圈措施,对稳定工作面、堵水、降低衬砌外水压有借鉴意义;冯国森[11]采用“洞砟回填+上部注浆”的方法,成功处治了黔张常铁路高山隧道揭露的巨型溶洞;赵少忠等[12]分析了溶洞的发育特征,通过案例探讨了针对不同位置溶洞的处置技术;方智淳等[13]设计了管棚+小导管注浆方案,对控制串珠型溶洞下隧道变形有良好的加固效果;师海等[14]提出非线性-尖点突变模型,合理描述了隧道与不同空间状态下隐伏溶腔的安全距离。目前针对岩溶分布类型引起的隧道围岩应力状态变化以及各种岩溶灾害的处治措施开展了大量研究[15-20],然而对于岩溶区隧道仰坡稳定性问题,以及上覆充填型溶腔对隧道进洞施工的影响缺少针对性研究。

本文依托宜宾巡场至玉和公路下坝隧道工程实际,通过现场调查和数值分析,针对充填型岩溶区隧道仰坡滑塌机制开展研究,继而提出稳定性控制措施,以期为类似工程提供科学指导。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

下坝隧道起止里程为K12+825～K13+670,全长845 m。隧道断面尺寸为8.26 m(净高)×10.6 m(净宽),净空面积为101.13 m2。隧址区海拔高程为403～776 m,相对高差为373 m,属溶蚀剥蚀低中山地貌,地形起伏较大,出口端依次与路基(长度为71 m)、桥梁连接。隧道出口段坡面下缓上陡,自然坡度下部为30°～40°,上部为50°～60°,地形起伏较大。洞口左侧为大面积裸露基岩,坡面陡峭近乎直立,右侧为沟谷,覆盖层厚度不均。根据钻孔及现场开挖揭示的隧道出口段(仰坡)地质情况见表1。表层为粉质黏土,厚度为1～2 m;下伏为灰岩区,溶蚀发育,存在溶蚀沟槽及石牙溶洞,溶腔内为碎石土填充;地表覆盖层的孔隙度大,垂直渗透性强,雨季降水下渗到覆盖层及下伏基岩节理裂隙中,迅速转化为地下水。

表1 仰坡地质情况

隧道采用超前大管棚和环形开挖预留核心土法进洞,洞内支护结构见图1,详细支护参数见表2。洞口仰坡面采用传统挂网锚喷进行防护,坡高9.0 m,坡率1∶0.5,为一级坡。

(a) 衬砌横断面

表2 支护结构参数

1.2 隧道洞口段失稳过程

隧道出口段在施工过程中发生了2次洞内坍塌,如图2所示。第1次位于隧道出口K13+653处,坍塌量约为200 m3;第2次位于隧道出口K13+652处,坍塌量约为20 m3,坍塌体均为土夹石,土体含水量较大且松散。隧道掌子面顶部和右侧拱脚围岩为土夹石,其他部位为节理发育的强风化灰岩,第2次坍塌时开挖面有水侵入,且2次坍塌过程均伴有连续降雨。

(a) 第1次 (b) 第2次

隧道洞内发生第1次坍塌时,洞顶仰坡开始出现裂缝,裂缝宽度约为1.5 cm、长度约为3 m;第2次洞内坍塌时,仰坡下陷处增大,裂缝进一步发展,进而发展成为仰坡滑塌,仰坡整体处于欠稳定状态,坡面病害治理迫在眉睫。

经现场调查,分析失稳原因为:1)隧道洞口段存在溶蚀凹腔,腔内填充碎石土,渗透性大,随着连续降水不断下渗,溶腔体饱水面积比不断增大,孔隙水压力增加,下滑力也随之增大;2)隧道进洞施工扰动降低了仰坡体稳定性,上覆土与基岩之间的接触力不断减小,导致仰坡出现多次滑塌,如图3所示。

(a) (b) (c)

2 仰坡滑塌机制

为了进一步探究隧道出口段仰坡体滑塌原因,沿坡体滑动方向建立二维数值计算模型,对仰坡体内部裂缝开展情况以及围岩变形进行数值模拟。

2.1 二维数值计算模型的建立

利用Gmsh建立二维数值计算模型(见图4),采用MultiFracS多物理场断裂分析软件进行数值模拟计算。模型长度为50 m,高度为85 m,洞口仰坡选择最不利坡度50°～60°,溶腔宽度为5 m,溶腔下部贯穿隧道洞内,约隧道开挖高度的一半。网格划分采用三角形平面应变单元,网格之间插入0厚度的节理单元,用于模拟土体的断裂。模型两侧和底部施加法相约束,均为固定边界,上部为自然地表。

图4 数值计算模型(单位:m)

模拟地层按隧道实际穿越地层选取,表层为土层覆盖,下部为灰岩。依据现场调查情况,隧道洞顶仰坡下陷发生在洞内坍塌位置的正上方,距离隧道出口20 m附近,洞内塌腔涌出的土夹石与仰坡体内的碎石土类似。由此判断在隧道出口段K13+650附近存在充填型溶腔,溶腔贯通隧道掌子面及上方,内部充填松散碎石土。依据隧道详勘报告及隧道仰坡处钻孔试验,同时根据现场边坡的稳定性状态并以实际的滑动位置进行反演,得到碎石土参数及地层主要物理力学指标,见表3。为了分析含水率和掘进距离对仰坡稳定性的影响规律,对模型进行地应力平衡后采用全断面开挖,确定开挖进尺为1.5 m,循环18次结束并选取读数。

表3 各土层主要物理力学指标

2.2 结果分析

通过数值模拟,得到不同含水率影响下隧道仰坡体裂缝发展和位移变化情况,计算结果如图5所示。由图可知:随着含水率增加,仰坡体表层及隧道围岩内部裂缝不断发展,其中溶腔区周围裂缝受含水率变化的影响最为显著。以“掘进距离18 m”为例(见图5(b)),当含水率增加至15%时,溶腔区左侧边界产生微裂隙,地表发生向下滑动;当含水率增加到20%时,溶腔区裂缝进一步发展,且局部出现张拉开裂,地表滑动持续增加,最大位移值为27 cm,发生在隧道拱顶上方。溶腔区裂缝发展过程和滑动范围与现场实际情况较为吻合(现场隧道进洞20 m位置发生洞内冒顶塌方,地表仰坡出现滑塌),进一步验证了连续降雨是隧道洞口仰坡滑塌和洞内坍塌的直接触发因素。持续降水致使溶腔内的碎石土充填物抗剪强度发生变化[21],含水率的增加使碎石土中的土粒变软,降低了粗粒之间的摩阻力,从而使内摩擦角减小;另外,硬结的粗粒浸湿后软化,同样降低了内摩擦角,溶腔区表现出更显著的位移变化(图5中所示的绿色柱状区域)。因此,在仰坡段设立排水系统,或对松散充填物进行改良,以减少雨水下渗引起的地层软化;同时,由于仰坡表层为土层覆盖,下部为灰岩,分界面为薄弱层,建议调整锚索(或注浆锚管)长度,避免形成潜在贯通的滑移面[22-24]。

(a) 掘进距离9 m

此外,在含水率不变情况下,随着掘进距离增加,仰坡体内部裂缝得以发展。裂缝主要分布在地层分界面及以上,当掘进距离为27 m时,仰坡体内部形成明显的贯通裂缝,并延伸至坡顶,最终导致覆土滑坡解体破坏,见图5(c)。受到开挖扰动的影响,洞周出现裂缝,沿隧道纵向拱顶处呈现不同程度的张拉开裂,最大位移量为55 cm,发生在隧道洞口拱顶上方,因此,隧道进洞期间应加强超前地质预报工作,优化开挖步序、增强超前支护,尽可能减少对不稳定地层的扰动[25]。

3 加固措施与效果评价

根据现场调查和数值分析结果,连续降雨是隧道洞口仰坡体裂缝开展、坡体滑塌的直接触发因素。隧道出口段地质情况复杂,灰岩区溶蚀发育,存在溶蚀沟槽及石牙溶洞,溶腔内填充松散碎石土,使得地表水下渗而导致滑坡体岩土软化、下滑力增大,从而发生滑塌[26]。因此,提出“先治坡、后开挖”的处治方案,并根据现场变形监测数据进行稳定性评价。

3.1 加固措施

隧道洞口仰坡滑塌后的处治,不仅要提高仰坡体的稳定性,还要兼顾隧道二次进洞以及长期运营过程中支护结构的稳定性。为此,经现场调查与成因分析,同时综合考虑地形、地质条件、通风、排水及隧道出口端接线条件,为符合隧道洞口内外侧各3 s设计速度行程长度范围内平、纵面线形一致的规定,将原设计方案中的环框式洞门变更为设置洞门墙,并进行“洞口仰坡加固+洞内管棚延长”的隧道洞口综合处治措施。

根据岩土性质和滑坡体裂缝开展情况,设置30 m长锚索,根据坡面抗剪要求,采用注浆钢锚管代替锚杆和部分锚索,隧道洞口仰坡采取“缓坡+钢锚管/锚索框架梁”的防护形式,具体防护措施如图6所示。注浆钢锚管结构适用于松散破碎、易塌陷地层边坡,借助钢锚管劈裂注浆能够充填、挤密地层内部空隙和裂缝。与注浆锚杆相比较,注浆钢锚管增大了注浆区域和浆液的密实效果,溶腔及其充填物在注浆作用下相当于围岩再造,即对溶腔内充填物进行改良,避免碎石土在雨水下渗时发生变形解体破坏,钢锚管可以提升浅表层地层强度[27]。此外,采用优化后的锚索提升坡体深层锚固段锚固力,与注浆钢锚管的联合使用不仅提高了边坡岩土体整体强度指标,而且更为经济合理。为了防止坡面清理过程中边坡后部土体发生牵引式滑坡,在边坡后缘及平台处布设钢管桩,坡面增设仰斜式排水管,仰坡沉陷范围外设置截水沟。

图6 隧道出口仰坡防护措施

隧道洞口段在原超前大管棚支护基础上加长约15 m,对洞内塌方段及其影响段进行加强,洞内冒顶凹腔填充低强度混凝土,塌腔下部进行钢花管注浆。

3.2 变形控制效果评价

隧道出口K13+600～+670为仰坡加固段,坡体采用“钢锚管/锚索框架梁、钢管桩”加固措施。在仰坡主动防护作用下,洞内按照原设计的环形开挖预留核心土法开挖进洞。隧道施工过程中对洞内变形、地表沉降进行了现场监测。

3.2.1 洞内变形

在隧道出口K13+645～+670段共设置了6个变形监测断面,现场监测数据如图7所示。仰坡加固前,断面K13+670和K13+665拱顶沉降呈线形增加,最大沉降值分别为251.9、289.8 mm,上台阶(BC)水平收敛最大值分别为136.1、159.84 mm。仰坡加固后,断面K13+670和K13+665洞内变形趋势稳定,拱顶沉降变化值分别为23.78、23.09 mm,平均沉降速率分别为0.17、0.16 mm/d,上台阶(BC)水平收敛最大变化值分别为11.8、13.24 mm。断面K13+660、K13+655、K13+650和K13+645在仰坡加固后,受隧道施工扰动作用出现小范围变形,最大拱顶沉降值为80.59 mm,上台阶(BC)水平收敛最大值为39 mm;下台阶(DE)水平收敛值均较小,最大收敛值为3 mm,位于断面K13+650,并且在开挖30 d后趋于平缓。依据规范[28],通过位移值判别隧道围岩的稳定性,将隧道设计的预留变形量作为极限位移,并以2/3极限位移作为施工管理控制标准上线,仰坡加固后,洞内实测位移变化值均满足规范要求,平均沉降速率小于0.2 mm/d,处于基本稳定阶段。

(a) 拱顶沉降

3.2.2 地表沉降

选取隧道出口K13+621、K13+638、K13+653断面处进行地表仰坡沉降监测,现场监测点布设情况如图8所示,地表仰坡沉降监测结果见图9。仰坡加固前,K13+621地表仰坡日均沉降变形量为10～33 mm,K13+638和K13+653地表日均最大沉降变化量为11 mm,沉降幅度较大,仰坡整体趋于失稳状态。与数值计算中得到的掘进至27 m时出现贯通裂缝并导致覆土滑坡的结果进行比较,现场滑塌状况更为严重,这主要归因于现场更为复杂的地质条件。图9中所示3个断面在仰坡加固前的沉降监测均伴有持续降水作用,并且呈现不同程度的“仰坡滑塌”过程。仰坡加固后,地表沉降变化速率缓慢,最终沉降速率分别为0.09～0.14、0.11～0.19、0.03～0.15 mm/d,均小于0.2 mm/d,仰坡面基本稳定。

(a) K13+621断面仰坡

上述监测结果表明,采取“缓坡+钢锚管/锚索框架梁”仰坡主动防护措施后,隧道二次进洞施工中仰坡沉降变形缓慢并最终达到稳定状态,隧道洞内变形得到了有效控制,保障了隧道顺利进洞。

4 结论与讨论

以下坝隧道出口段仰坡失稳为例,通过现场调查、数值分析、现场试验,对充填型溶腔特殊地质条件下隧道仰坡变形破坏机制及加固措施开展研究,得到如下主要结论:

1)连续降水是该隧道出口段仰坡滑塌的直接触发因素。受连续降雨雨水下渗作用,溶腔内碎石土抗剪强度降低,溶腔区位移变化显著,溶腔与周围岩体之间出现裂缝,腔内碎石土发生滑动,进而造成隧洞洞内冒顶塌方。仰坡体在无特殊加固措施下,受隧道开挖掘进扰动,仰坡体表层出现裂缝,随着掘进距离的增加,地层分界面上形成贯通裂缝,并且延伸至坡顶。

2)本项目采用注浆钢锚管替代锚杆和部分锚索,注浆钢锚管增大了注浆区域和浆液密实效果,对溶腔内松散充填物进行注浆,相当于围岩再造,即对地层进行改良可以提升地层强度。

3)结合现场监测数据,采用“缓坡+钢锚管/锚索框架梁”的仰坡加固方案能够有效控制地表沉降和洞内变形,加固后的仰坡在隧道二次进洞过程中处于稳定状态。

本文研究目前仅考虑了含水率对碎石土工程性质的影响规律,然而含石量是决定碎石土抗剪强度的另一重要因素,因而有必要结合现场溶腔充填物的物质结构组成以及溶腔分布特征进一步研究仰坡的滑塌机制。此外,还需进行仰坡处治方案、隧道开挖步序、支护类型等方面的对比分析,以寻求更为经济合理、可操作性更强的处治措施。