高阳寨隧道高陡边坡处理

张新洲

(中铁隧道集团宜万铁路指挥部，湖北恩施 445000)

0 引言

宜万铁路高阳寨隧道进口洞门处于繁忙的318国道公路上方复杂地质条件的高陡边坡上，施工期间发生了岩体崩坍、公路上客车被埋的特大事故，教训非常深刻。为吸取教训，避免类似的悲剧再次发生，有必要对特殊环境条件下边坡的稳定性和加固技术进行探讨。目前，在岩质高陡边坡相关研究中:文献［1］在建立坡体地质模型的基础上，利用三维数值模拟和强度折减法对边坡进行稳定性分析;文献［2］通过对高陡边坡危岩体的分类、变形机制分析，提出稳定性评价方法;文献［3］分析了宜万铁路全线高陡岩质边坡的主要地质特征、类型和破坏模式，提出边坡稳定性分析评价和整治技术;文献［4］对边坡稳定性进行监测，采用GPS监测手段为主，水准仪、裂缝仪等监测手段为辅的综合监测方法;文献［5－8］侧重于分析对高陡边坡的加固处理，通过高陡边坡防护工程实例研究现阶段常用的锚索、锚网喷及主、被动防护网等防护技术。本文针对位于繁忙的公路运输干线上方、复杂高陡边坡上的隧道洞门这一特殊地理环境的边坡加固，介绍采用的工程施工和组织管理方法，重点介绍施工过程中的边坡监测方法及各种安全防护措施。

1 工程概况

宜万铁路高阳寨隧道进口位于湖北省巴东县野三关镇大柑坪村318国道上方的陡崖上，隧道进口上方高120多m，坡度约80°，进口以下至318国道路面段高约20 m，坡度近垂直，局部呈反坡。318国道外侧为木龙河，铁路在318国道上方20 m处正交穿越，隧道与木龙河大桥相连，桥台设置于隧道内。由于318国道公路开挖，在沿线形成部分岩石下层面临空，时有落石情况发生。在铁路施工过程中，隧道Ⅱ线进口发生岩体崩坍(主要在进口小导洞周边及右下侧部位)，横向宽度约为28 m，竖向高度约为30 m，最大厚度为5 m，崩坍体顶端局部与母岩联系完整(可见新鲜岩石断裂面)，中下部崩坍后形成一不规则的节理。崩坍发生后上部厚层灰岩形成“鹰嘴”危岩体，危岩体地表发育有2条不贯通的裂缝。崩坍发生以后，为确保铁路运营和318国道的行车安全，对铁路隧道洞门周边至318国道路面以上范围内，采用多种措施进行了综合治理。

2 主要设计措施

1)在线路Ⅰ线中心线左侧15 m至Ⅱ线中心线右侧15 m和318国道路面以上40 m范围内清除“鹰嘴”危岩体，再对整个坡面进行全面清查，清除坡面所有危石。

2)在线路Ⅰ线中心线左侧15 m至Ⅱ线中心线右侧15 m和318国道路面以上40 m范围内设挂网锚喷C20混凝土厚10cm。锚杆孔径φ50mm，锚杆采用长3 m、φ25 mmHRB335级钢筋，锚孔内灌注 M20水泥砂浆。

3)在线路Ⅰ线中心线左侧15 m至Ⅱ线中心线右侧15 m和318国道路面以上40 m范围内坡面既有岩腔、溶洞采用M7.5浆砌片石嵌补。岩石间裂缝采用M7.5水泥砂浆压灌密实。

4)Ⅱ线中心左20 m、右 60 m，标高 677.0 ～711.0 m坡面采用SNS主动防护网(GPS2)防护。

5)在洞门顶部缓坡外沿处施作RX－050型被动防护网。

6)在线路Ⅰ线中心线左侧15 m至Ⅱ线中心线右侧15 m和318国道路面以上40 m范围内采用预应力锚索加固。锚索横向间距4.0 m、竖向间距6.0 m，共计167根。锚索长22～26 m，锚固段长8 m，单孔设计锚固力为827 kN。

7)在318国道内侧倒坡部位设置C30混凝土支顶，并设置3排临时长锚杆防护，锚杆间距4 m，排距3 m，锚杆孔径73 mm，锚杆直径32 mm，长12 m。

8)Ⅰ线左侧溶腔采用C30混凝土支顶，下部施作锚索和长锚杆与山体连接。

3 主要施工方法及防护措施

3.1 危岩清理

清除加固范围坡面浮土、危石。在Ⅱ线隧道小导洞坡面上部和中部有5块较大危石，裂缝明显，应重点予以清理。危石分布情况见图1。

图1 危石图Fig.1 Dangerous rocks

3.2 喷锚及支顶

1)对坡面进行锚网喷支护。首先对坡面下部3～5 m较破碎的岩体进行素喷C20厚10 cm混凝土封闭;然后采用锚网喷支护，φ22 mm砂浆锚杆，长4.0 m，间距1 m，梅花形布置，钢筋网纵φ6 mm环φ8 mm，网格间距20 cm×20 cm。

2)对边坡下部318国道内侧的倒阶梯状临空岩体采用C30混凝土进行支顶。支顶前清理公路边沟，并在沟底放置钢管(直径159 mm)引排边沟水。具体混凝土支顶加固方案见图2。在洞门下方及左侧有多处支顶，方法及情况类似。支顶C30混凝土工程数量为2 174.8 m3。

图2 混凝土支顶加固方案图Fig.2 Rock reinforcement by concreting support

3.3 主动防护网安设

部分坡面岩体极为破碎并存在不同程度的风化和剥蚀现象，存在崩坍落石隐患，潜在的灾害对道路或者运行的车辆、行人构成巨大威胁。为防止山体落石对道路造成危害，按设计方案对Ⅱ线中心左20 m、右26 m，标高677.0～711.0 m坡面采用 SNS主动防护网(GPS2)防护，平面面积约1 558 m2，防护面积为2 847 m2。主动防护网防护见图3。

图3 主动防护网防护示意图(单位:m)Fig.3 Protection by active protection mesh(m)

3.4 边坡的稳定监测

3.4.1 坡面观测方案

3.4.1.1 巡山检查范围

对人员能够到达的区域进行巡山检查，上至山顶，下至318国道坡脚，Ⅰ线以左20 m，Ⅱ线以右30 m。

3.4.1.2 巡山检查项目

山顶坡面是否有危岩的隐患，危岩、危石和裂缝及其周围是否有新鲜泥迹，山坡是否有新的、小的坍滑和出黄泥水点。

3.4.1.3 巡山检查方式

测量危岩、危石尺寸，测量裂缝宽、深、延伸方向，作好记录及编号登记。巡山检查应形成巡山检查记录表。

3.4.1.4 巡山观察制度

1)专人巡山。由专人进行定期的检查和巡山查患工作，巡山观察人员固定2人，巡山工作每次由2人一起共同进行，巡山人员应配备通讯设备工具包(对讲机、安全绳、卷尺、望远镜)、攀岩工具等。

2)巡山频次。每天进行2次，早上8:00一次，下午4:00一次，每次观测形成记录。

3)监视制度。对崩坍、落石及防护建筑物等进行全面、定期的检查，发现隐患立即报告，以便及时采取防患措施，有险情时立即组织作业人员及车辆撤离。①长期、雨天看守:发生坍方落石时，应能“看得清、听得见”，并能迅速设防。在大雨及大雪以上时，每2 h观察一次;在中小雨时，每4 h观察一次;阴晴天时，每6 h时观察一次。②雨天、雨季巡回:巡回与公路交通维护、通行挂钩，巡回工有权决定车辆是否放行。③雨中检查:进行冒雨检查，可采用望远镜观察瞭望和近距离观察相结合的方式，检查路线沿公路进行，每次从右向左检查，也可以反向进行。重点检查有无落石、掉块、掉土等异常现象，地点宜在坍滑体两侧或安全地段。

4)检查情况通报。正常情况定期通报，异常情况及时通报。

3.4.2 地表位移监测

监测重点为坡面存在裂隙处、坡面突出的岩块以及Ⅱ线洞顶以上坡面、Ⅱ线洞底陡坡等。

1)建立射线观测网。设置照准点和置镜点后，采用LEICA R402全站仪测量，监测边坡状态，指导施工。

2)观测点的布置。沿I线线路中心、II线线路中心、II线右侧15 m设置监测断面，在国道坡脚、洞口开挖底部、洞口开挖顶部、已施工第11排锚索处设置观测点。共布设3个断面，15个测点。其中1号和2号测点位于Ⅱ线隧道洞口洞顶，已经埋设并进行监测。拟埋设Ⅰ－1、Ⅰ－2、Ⅰ－3、Ⅰ－4、Ⅱ－1、Ⅱ－2、3、Ⅱ－3、Ⅱ－4、Ⅲ －1、Ⅲ－2、Ⅲ－3、Ⅲ－4 计13 个点(见图4)。

图4 观测点布置示意图Fig.4 Layout of monitoring points

3)观测点埋置方式。在岩石上设置测点时，采用反射片直接粘贴于岩面上;在土层上设置测点时，采用φ28 mm长0.6 m的钢钎或钢筋，在钢钎或钢筋顶部粘贴反射片。完成埋设后采用全站仪测量初读数。

4)监测频率。仪器埋设后应观测几次，确定稳定的起始基准值。观测频次为2次/d，发现异常情况后应加密观测频率。

5)观测时间。在工程抢险至边坡防护施工完成后3个月内。

3.4.3 临时通行期间的交通安全、报警警戒工作

1)临时防护措施完成后，对318国道通行车辆的异常情况进行24 h记录;在隧洞周边设置观测网(利用图4的观测网)观测;在人员能到达地段的坡顶设置24 h巡护人员。

2)工点两侧有临时交通安全防护报警员看守。巡护和防护人员应配备有效的通讯联络工具，在边坡加固施工过程中发现险情要及时报警，封堵危险点公路，并立即报告有关单位。

3.4.4 边坡的安全监控和应急处置

1)每天对坡面上设置的15个监控点进行观测，并对观测结果进行分析。

2)专人每天24 h对坡面及裂缝进行巡查，一旦发现异常，立即通报，并组织撒离施工现场;同时通知交通管理岗，拦截过往车辆。

3.5 318公路绕道方案(路面6 m)

为使318国道尽早限制性开通，并为边坡加固施工提供必须的场地，结合现场地形条件，采用了公路绕道方案。

3.5.1 编制原则

1)坡面防护临时工程部分结束，经专家评估后实施方案。

2)边坡加固施工与限制性开通同时实施。

3)在限制通行范围内实行单向通车和交通管制。

3.5.2 公路绕道方案

3.5.2.1 修建标准

1)道路宽度。引入线和一般地段≥6 m，采用泥结碎石路面。

2)线路纵坡。综合考虑取值为7.1%。

3)平面曲线半径。最小曲线半径为40 m。

4)安全防护。施工地段设置高1 m的钢筋混凝土防护隔离墩，并在其上挂高4.5 m的防护隔离网;在河侧路肩设置高1 m的钢筋混凝土防护隔离墩;道路两侧按规定设置各种道路标志。

3.5.2.2 修建方案

施工区段绕行道路由318国道宜昌端，距宜万铁路Ⅱ线中线30 m处引入，道路长约65 m，在万洲端距Ⅱ线中线35 m处接318国道。原318国道范围内预留40 m×4 m的施工作业区域。

3.5.2.3 养护维修

为保证施工便道的正常使用，组织专门的养护队伍，配备必要的机械、工具和材料，对施工绕行道路进行养护，确保路况完好，无坑洼、无落石、排水通畅。

3.5.3 交通管制措施

1)在永久坡面防护施工期间，在施工段宜昌端桥头和距万洲端100 m处各设置交通管制岗，负责限时、限量管制通行车辆。

2)交通管制人员和坡面防护施工人员均配发步话机，保证联络畅通。

3)在交通管制岗前方200 m处设置交通管制标识。

4)在交通管制期间，采用单向放行，每边放行15 min或根据流量确定，交替放行。

3.6 318国道绕行防护方案

3.6.1 隔离防护措施

3.6.1.1 防护隔离墩

318国道边坡防护脚手架及其施工区域，采用1 m高钢筋混凝土防护墩与绕行通道隔离，同时在隔离墩上挂高4.5 m防护隔离网，将施工区域与行车通道完全隔离。

防护隔离墩尺寸为150 cm×100 cm(长×高)，上底宽40 cm，下底宽80 cm，采用C20混凝土。

钢筋混凝土防护墩采用φ22 mm主筋，φ8 mm箍筋，上底主筋间距30 cm，下底主筋间距23 cm，箍筋间距100 cm，主筋采用风钻打孔用砂浆锚于国道面以下100cm深;墩与墩之间用钢筋笼连接焊牢，钢筋笼采用φ22 mm主筋，φ8 mm箍筋，钢筋笼侧面主筋间距45 cm，顶面和底面主筋间距90 cm，箍筋间距100 cm，钢筋笼安装完后关模灌注C20片石混凝土。

3.6.1.2 河侧防护墩

公路行车通道河侧同样采用1 m高钢筋混凝土防护墩。尺寸和材料与中间防护隔离墩一致。

3.6.2 恩施侧防护装置

在绕行通道恩施方向接口处为下坡，为避免重车出现刹车失灵，在其端头的隔离墩采用1.5 m×2.0 m(高×宽)的钢筋混凝土结构，且与公路路面采用深不少于1.0 m的φ25 mm钢筋连接，每m至少4根，上部深1.0 m置于混凝土内与钢筋笼焊接为一体，在迎车面设置双层汽车轮胎予以缓冲。

3.6.3 防护警戒岗设置

在洞口作业区的国道两端各设1个防护警戒亭，并安排警戒防护员进行24 h值班防护。宜昌端防护警戒亭设于木龙河桥头，恩施端防护警戒亭设于距洞口作业区100 m通视处。

3.6.4 防护标识设置

在防护警戒亭旁的国道通视位置挂设限速、限宽、单向行驶和防护区域内禁止停车等警示标识牌。防护区域内车辆限速25 km/h，限宽5 m，在绕道两侧设置双向行车反光标牌。

3.7 锚索施工平台(脚手架)搭设及安全防护措施

3.7.1 平台搭设

为了进行锚索施工、洞门施工和坡面整修的需要，需在318国道内侧搭设长60m、高40m，能满足多台钻机同时进行钻孔、下锚、注浆、张拉作业并能满足Ⅱ线隧道出洞开挖作业和洞门施工时安全防护要求的平台，并要求在平台搭建和锚索施工过程中确保318国道上过往车辆的安全和平台自身稳定及车辆撞击条件下的安全。为了确保上述目标的实现，采用了“四专”的管理。

1)专一的方案。脚手架方案严格按建设部建质［2004］213号《危险性较大工程安全专项施工方案编制及专家论证审查办法》进行编制和组织专家论证工作。经专家论证并报批施工的施工方案如图5所示。

图5 施工方案图Fig.5 Sketch of scaffold

2)专用的材料。为了保证脚手架材料的质量，严格按国标轧制了150 t架管，加工了30 000套扣件。

3)专业的队伍。脚手架由具有房建一级资质的单位负责搭设。

4)专班管理。脚手架由安质部负责自检，对每一个扣件螺丝用扭力扳手进行扭力核查，扭力不足的逐一补足;对每一个锚固点进行锚固质量确认。脚手架的验收由指挥部报请监理总站组织，由相关人员参加。

3.7.2 锚索施工安全控制

锚索施工本身施工工艺已非常成熟，在此不再赘述。重点控制做到以下几点:

1)调动多年专门从事岩土工程的施工队伍负责锚索施工，确保成锚质量。

2)为防止锚索成孔过程中颗粒状岩屑飞溅下落伤害过往车辆和人员，在钻机和孔口之间设置了专门的防飞溅装置，确保颗粒状岩屑顺岩面下落。在脚手架的外侧用密目网进行全封闭。

3)在作业平台下方设置防坠网，所有施工作业人员必须佩带安全带，并保证挂在作业人员上方的脚手架钢管上。

3.7.3 防车辆伤害

在318国道绕行防护的基础上，对脚手架本身进行了防车辆伤害防护。为防止便道上车辆侧翻伤害脚手架，脚手架底层采用双立柱，同时用I16型钢搭设防车辆侧翻的型钢排架。

3.7.4 平台拆除

确认平台所在坡面全部加固工作完成后，在切实做好安全防护的前题下，至上而下，依次拆除，同时结合坡面清理对岩壁上的金属连接件逐一割除并进行防腐处理。

3.8 被动防护网施工

为防止高边坡上部掉块危及到线路的运营安全，在隧道顶部外沿，从Ⅰ线左侧至Ⅱ线右侧设置一道RX－050型被动防护网(见图6)。被动防护网施工顺序为:被动防护系统钢柱基础的位置、上拉锚杆及侧拉锚杆孔位的现场确定;锚杆钻孔成孔或混凝土浇筑锚墩、钢柱基础灌注;锚杆的安装及锚固灌浆;养护24 h后进行钢柱、上拉锚绳、下拉锚绳、支撑绳的安装;防护网的安装。

图6 被动防护网Fig.6 Passive protection mesh

3.9 Ⅰ线左侧溶腔C30混凝土支顶措施

在Ⅰ线隧道左侧发育1个大溶腔，为防止其坍塌失稳危及到线路的安全，对该溶腔进行C30混凝土支顶(见图7)。

图7 Ⅰ线右侧支顶效果Fig.7 Support of karst cave on right side of railway line

1)对318国道与标高684.5 m以下溶洞采用C30混凝土嵌补支顶;标高684.5 m以上设C30混凝土柱支顶，柱截面3 m×3 m，净间距3～4 m，支柱基础位于基岩上，且基础凿平。对嵌补混凝土与基岩接触面斜坡凿毛并每3m高凿1m宽台阶;C30混凝土与坡面接触采用锚杆连接，其中短锚杆嵌入基岩内3 m，短锚杆间距1.5 m，锚杆钻孔孔径50 mm，锚杆钢筋直径20 mm，正方形布置。混凝土污工总量为2 365 m3。

2)嵌补支顶C30混凝土平台下设置锚索，共2排20孔，锚索间距3.0 m，正方形布置，锚索钻孔孔径130 mm，锚索长20m，锚固段长6m，单孔设计锚固力827kN，倾角均为15°，每孔内置6束φ15.24mm钢绞线。

3)嵌补支顶C30混凝土平台下设置长锚杆，共2排18孔，锚杆间距3.0 m，正方形布置，锚杆钻孔孔径φ73 mm，锚杆钢筋直径32mm，锚杆长12m，倾角均为15°。

4 工程重点、难点

1)重点是位于繁忙干线公路318国道上方隧道洞门边坡加固施工过程中的风险控制。318国道是华东、华中进入川、藏的重要干线公路，车流量非常大，施工过程中出现的任何疏忽都可能导致车毁人亡的惨剧发生。

2)难点之一是锚索施工平台搭设及安全管理，既要满足施工作业的需求，又要确保318国道上过往车辆和人员的安全;难点之二是高边坡的稳定性监控。在本工程中采用巡山(监控坡面裂缝情况)、地表位移监测(建立射线观测网)、洞内监控量测等监控方式，对边坡的稳定性情况进行信息收集、分析及反馈，保证了整个施工过程的安全。

5 结论与建议

5.1 结论

通过采取综合手段对高阳寨隧道进口边坡进行加固施工后，边坡的稳定性显著提高。高阳寨隧道边坡加固最终效果见图8。工程实践证明:1)该边坡的加固因地制宜地集中了多项边坡处理方法是行之有效的，达到了预期的加固目的。2)公路的绕行是必要的，为边坡加固提供了宝贵施工场地。318国道绕行防护和脚手架的防护措施是有效的，保证了整个施工过程中施工人员、机具、设备的安全和318国道上过往车辆的安全。3)在整个施工过程中严格实施了边坡稳定监测方案，没有观测到明显的边坡变形数据和现象。这种监测方式在岩质陡壁上效果有限，是否适用有待商榷。

图8 高阳寨隧道边坡加固最终效果Fig.8 Picture of reinforced entrance portal slope of Gaoyangzhai tunnel

5.2 建议

1)在铁路设计选线过程中，要力求避免把隧道洞门选在繁忙干线公路或其他重要建筑物上方的陡壁上。

2)在选线没有绕避条件的情况下，要首先考虑干线公路的局部永久性改移，为公路上的车辆提供一条安全通道。

3)在前述2种情况均无法实现，同时又无法对岩质边坡的稳定性做出定量评价的情况下，应首先假定边坡是不稳定的，按照“宁强勿弱”的原则，采取一切必要的、技术可行的、经济合理的工程措施和安全防护措施，并在隧道出洞开挖作业以前完成边坡加固施工和交通安全防护措施。总之，采取有效的工程措施和安全防护措施来避免一切边坡失稳事故的发生。

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