隧道洞口施工中稳定性分析及预测研究

侯超

摘要 文章主要围绕隧道洞口工程的稳定性展开研究，先对影响隧道洞口施工稳定性的相关因素进行了详细分析，随后基于实际施工案例，对隧道洞口施工稳定性结果提出处理措施，旨在保证隧道洞口工程顺利开展。具体措施如下：采用抗滑桩为桩长36 m、截面尺寸为2 m×3 m与单孔预应力锚索长度30 m、倾角为25 °、轴向拉力设计值800 kN的结合方式，同时，采用10根25 mm钢筋进行明洞结构加固，以大幅提高案例工程隧道洞口的施工稳定性。

关键词 隧道洞口；施工稳定性；处置措施

中图分类号 U455.4文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）08-0080-03

0 引言

在大部分铁路与公路建设中，隧道工程的施工比例极大，特别是在一些山区交通工程项目中，隧道工程常常作为整个项目的核心工程，可以说，隧道工程施工质量对施工整体进度与质量有着直接性影响[1]。然而实际施工中，隧道洞口施工段通常地质情况较为复杂，施工难度比较高，对于整体稳定度有着严格工艺要求。因此，在实际施工中，要深入研究影响隧道洞口施工稳定性的诸多因素，进而采取关键性措施，提高洞口稳定性，保障施工安全，对于隧道工程的顺利开展具有重要意义。

1 工程概况

该研究以某高速公路工程中隧道项目为例，隧道洞口区域属高山地貌及河流浸蚀堆积地段，区内山体浑厚，冲沟发育，自然斜坡坡度陡峭，坡角多变化在15 °～65 °间，局部呈陡坎。隧道进口为斜坡，沟谷深切，呈“V”形，斜坡上部大部分为巨厚层冰碛堆积层，陡崖下缓坡处为崩坡积堆积层，坡脚零星基岩出露，斜坡陡峻。尤其是隧道洞口区域，边坡上部为角砾土，具体厚度情况约为16～30 m，下部为变岩。因此，为保障隧道洞口施工质量，要根据隧道洞口稳定性预测结果，采取相应的稳定控制技术措施。

2 隧道洞口施工稳定性的影响因素分析

2.1 岩体结构与性质的影响

在隧道洞口施工时，施工区域自有的天然岩体结构在一定程度上直接决定施工的失稳方式。根据具体的施工情况来看，当岩石等级较低时，失稳模式一般表现为整体结构面的塌方。当隧道洞口多由软弱岩石组成时，其失稳模式的表现基本为滑坡，隧道洞口的软弱岩石情况如表1所示。表1中的软弱岩石表现为易被腐蚀软化（腐蚀物基本为水），且岩石强度较低。这类岩石构成的隧道洞口在施工时，极易出现不同程度的滑坡问题，进而影响隧道洞口稳定性[2]。

与此同时，造成岩体结构变形并出现破坏情况的原因还包括岩体结构的变化，例如岩体结构的变化会直接影响隧道洞口的施工稳定性。材料仅次于岩体结构的变化。造成岩体结构变化的因素包括结构面的倾角、连续性、表面性质、组成与数量等。在进行隧道洞口施工时，如将岩体按照自身结构划分，可分为五类结构。在实际施工过程中，当岩体结构为整体块状结构时，通常极少发生洞口失稳情况。但如果洞口呈斜坡状，整体构成为软弱层面时，极易出现岩体结构变化，进而引发隧道洞口失稳[3]。

2.2 地应力

地应力对隧道洞口施工稳定性的影响主要表现在洞口岩体节理裂隙发育和变形破坏。在施工环节，地应力主要是指自重应力与构造应力。岩体的结构面是复杂、多层次的，这就导致岩层的应力场分布变得极为复杂。应力集中与应力阻滞的现象基本会集中在结构面的周围出现。一旦应力集中值的增长超过了隧道洞口的岩体强度，那么洞口岩体平衡将会被打破。地应力长久的影响着地壳岩体，甚至会出现岩体变形与破坏的严重问题，即使在出现较为活跃的地壳运动后也不会消失。甚至在某些地区的岩体中，构造应力会远高于岩体的自重应力，加剧洞口稳定性的不良影响，对隧道洞口施工稳定性的影响巨大。

2.3 其他影响因素

除上述影响因素之外，在进行隧道洞口施工时，影响其稳定性的因素还包括降水、气候、地下水、天气变化、植被、地震荷载力以及爆破的影响。具体来说，当施工过程中需要进行爆破作业时，岩体会在爆破动力的冲击之下，对周围的岩体产生负面影响，如挤压作用等。当爆破冲击力逐渐扩散时，随着力的传导，剪应力逐渐增加，最终导致岩体破裂。地震荷载力的影响取决于地震自身的动态变化，其影响具有高度的不确定性，严重影响着隧道洞口的施工稳定性。其他影响因素与作用汇总情况如表2所示。

3 隧道洞口施工稳定性预测分析

3.1 隧道洞口失稳机理分析

在隧道洞口施工过程中，由于要面对十分复杂的施工环境，因此多方面因素都会导致隧道洞口失稳。通常情况下，隧道洞口岩土体的破坏，会产生以下机理：

（1）当隧道洞口的岩土体块、整体结构被破坏时，导致开挖表面不连续相交，对原有的结构造成破坏。如果隧道洞口施工中沿不利方向进行开挖，则会导致岩土体中的关键块产生滑动，导致土体内部产生空白空间，无法对周边土块形成相应支撑作用，导致土块整体产生相对移动。

（2）当滑动块满足滑动条件时，隧道洞口如果对土块整体进行破坏，也会导致土块沿某个方向或边缘地带进行滑动，也就是在开挖的过程中，块体具有移动性的特征趋势。

（3）当岩土体的滑动受到抑制或阻碍时，这时土块还能产生旋转滑动，也就是产生不规则滑动，当滑动体受限制而不能沿洞口开挖面进行滑出时，也会导致块体跌落，产生倾倒、扭转等破坏现象，对整体稳定性构成影响。

（4）当隧道洞口施工时，如果关键块被挖出，导致整体结构稳定性崩坏，会产生新的断裂带。由于新断裂产生孤立岩体，导致结构失稳，如未采取相应的措施，会引发整体滑坡与塌方。

3.2 隧道洞口失稳分类研究

当隧道洞口整体失稳后，不同的破坏方式会引发隧道失稳产生各异特点，例如单一平面破坏、平面和张裂缝并存破坏、两个滑动面破坏、雏形体破坏、旋转破坏等，这些都会产生相应的洞口失稳情况，具体如表3所示。

3.3 隧道稳定性预测

在案例工程施工环节，要基于隧道洞口稳定性主要影响因素，对实际数值进行预测计算，从而为施工处置措施提供参考支持。例如对研究案例洞口进行有限元计算，利用建模手段综合考量洞口的物理学参数数值，具体如表4所示。

结合相关数值进行建模分析，能够得到有限元网格划分结果，具体如图1所示。由图1可知，随着隧道洞口工程的施工推进，在自重荷载系数的影响下，洞口边坡滑体与底部分界区域的塑性数值会越来越高，这时如果洞口边坡与上方塑性区域连通形成全新贯通面，则说明隧道洞口整体稳定性较低，周边岩土会伴随施工发生滑移现象。因此，进一步引入极限平衡法，针对每个土质分块区域的自然状态进行计算，以此推导出正常状态下的隧道洞口稳定性系数K值为1.04，同时，饱和水状态下的隧道稳定性系数K值为0.96，均说明隧道洞口处于欠稳定状态，应及时采取施工干预措施。

4 基于隧道稳定性预测的施工措施

4.1 截水和排水

基于隧道洞口稳定性数值结果，应加强截水与排水设施效率，采用相应的支护加固措施，先要对洞口边坡的下滑力进行计算，具体公式（1）所示：

P=KTi+Pi?1ψ?Ri （1）

式中，P、Pi?1——隧道洞口边坡的对应滑体；K——隧道洞口稳定性预测结果。可以根据实际情况计算出坡体的滑坡推力值P，具体为1 916 kN/m。因此，设置截水和排水设施时，还要综合考虑施工区域的地下水规模，当施工区域的地下水规模较小时，排水工程的施工可以集中在地面排水工程，地下区域可忽略不计。具体而言，在隧道洞口两侧建造急流槽，用于排出地表水。截水沟和急流槽的修建可以在一定程度上避免地表水渗透至隧道洞口的岩体之中，形成滑坡。最后，为降低冲刷力，需在截水沟与急流槽的连接处配置消力池。

4.2 锚固支挡

进行隧道洞口施工时，经常会发现边坡的滑坡体的下滑力较大、滑动面位置较深且坡度大等情况，此时可以使用预应力锚索抗滑桩进行加固，以提高隧道洞口的稳定性。具体来说，可在隧道洞口位置规划出抗滑桩位置，保证抗滑桩之间距离为5 m，该次隧道洞口工程共计设置10根抗滑桩。抗滑桩的设置可以提高洞口稳定性，并保证施工安全。在施工过程中，考虑洞口的偏压状态，需要细致规划隧道洞口施工和抗滑桩的施工。锚固支护分类主要由抗滑桩与单孔预应力锚索组成，其中锚索施工位置为抗滑桩桩头，对于支护尺寸，抗滑桩为桩长36 m、截面尺寸为2 m×3 m、深入基岩5 m以下；单孔预应力锚索的长度为30 m、倾角为25 °、轴向拉力设计值约为800 kN、深入基岩持力层10 m。锚固支护施工方案具体如表5所示。

4.3 明洞结构加固

当隧道洞口处于滑坡位置时，极有可能产生较强的下滑力，继而对洞口结构产生影响，降低隧道洞口稳定性。因此，需要根据洞口结构受力情况重新计算其荷载力，可利用荷载结构法计算公式W（重量，kg）＝F（断面积，mm2）×L（长度，m）×ρ（密度，g/cm3）×1/1 000。根据工程实际情况，以及施工现场岩层勘探，隧道洞口可选用台阶法开挖。具体结果：隧道明洞结构拱部厚度为0.8 m，仰拱部分厚度为0.7 m，同样可以采用10根25 mm的钢筋进行加固处理，提高隧道洞口稳定程度。此外，在隧道进洞开挖环节，还可以根据滑坡体区域的覆盖层情况，选择台阶法开挖方式，同时搭配CRD技术方式，这样可以大幅减少隧道洞口开挖对周边坡体稳定度构成的扰动影响[4]。

5 结语

综上所述，影响隧道洞口施工稳定性的因素众多，主要因素为岩体结构与性质、地质构造与地形地貌、地应力以及施工扰动因素等。同时，隧道洞口坡体受降水、气候、天气变化、植被、地震荷载力等影响，也会影响隧道洞口稳定程度。该研究以具体隧道工程为例，基于隧道洞口施工稳定性预测结果，提出施工处理措施，采用抗滑桩为桩长36 m、截面尺寸为2 m×3 m与单孔预应力锚索长度30 m、倾角为25 °、轴向拉力设计值800 kN的结合方式，同时，采用10根25 mm钢筋进行明洞结构加固，以保障隧道洞口施工稳定性。

参考文献

[1]丁广炜， 欧阳艳， 王起才. 隧道洞口段的加固方案设计及稳定性研究[J]. 广西大学学报（自然科学版）， 2022（3）： 609-615.

[2]徐丹. 隧道洞口高陡仰坡危岩落石稳定性研究[J]. 市政技术， 2023（5）： 135-142.

[3]吕敬富， 杜江梅， 罗泽军， 等. 岩口公路隧道高陡边坡稳定性及支护参数研究[J]. 现代隧道技术， 2020（5）： 116-124.

[4]王赟. 软岩隧道出口变形成因分析及稳定性研究[J]. 四川建筑， 2023（3）： 126-129.