某浅埋偏压隧道出口段斜坡治理

郑茂营 陈风光

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉 430056)

1 工程背景

芭蕉特长隧道是包茂高速安康至陕川界(毛坝)段的控制性工程之一，为分离式隧道。左、右洞起讫桩号分别为ZK271+624～ZK274+638，YK271+636～YK274+632。洞门采用端墙式，出口段两洞室轴线间距约16 m，其中左洞出口段ZK274+600～ZK274+638存在浅埋及偏压情况。

地层岩性覆盖层主要由上覆残坡积(Qedl)含碎石角砾粉质粘土、崩坡积(Qedl)碎块石、滚石夹粉质粘土构成，下伏基岩地层由志留系下统陡山沟组(S1ds)绢云母板岩等构成。

2 初期施工情况

右幅出口YK274+500～YK274+550段于2009年6月衬砌施工完毕，2009年11月份发现该段衬砌出现环向开裂，左幅出口ZK274+540～ZK274+580段于2009年11月初支施工完毕，当月下旬发现该段出现支护开裂，拱架变形现象，随即对左洞支护段落进行周壁小导管注浆加固，右洞衬砌段落进行仰拱地表注浆加固。2010年3月，左洞相应段落仰拱开始施工后不久，右洞YK274+500～YK274+550段衬砌开裂加剧，且YK274+550左侧附近段落开裂处出现衬砌混凝土剥落，二衬钢筋已经外露，横向出现2 cm以上的位移，且山顶明显出现开裂，并呈现加剧趋势。

3 原因分析

2010年3月25日～3月28日，经过现场查看并对芭蕉隧道出口处治方案进行了专家评审会，分析得出有以下原因:

1)施工顺序不合理:应该采取CD法先施工左洞，再施工右洞。但实际先施工右洞，左洞也未采用CD法施工。

2)偏压作用:隧道开挖后应力释放，出现应力重分布，右洞内侧出现最大正弯矩，而发生张拉破坏，左洞内侧压力通过型钢往外传递，容易与喷射混凝土发生分离即出现喷射混凝土开裂，同时型钢往外的移动受到约束而转向轴线方向往洞口外移动。

3)台阶过长:隧道采取台阶法施工，二衬离掌子面太远，初期支护不能长时间地抵抗围岩的松弛压力，在偏压状态下，往往会产生这种没有滑动面、缓慢的坡面移动(坡面蠕动)。

4)未做反压:在浅埋偏压地段未全部(原设计仅在ZK274+618～ZK274+638段反压)施作反压回填，无法提供足够的弹性抗力，结构两侧的水平不平衡力只有靠衬砌基底摩擦力来平衡。

5)雨水作用:在雨季地表水下渗作用下，围岩C，Φ值降低，墙脚受水浸泡，而引起墙脚下沉及水平位移，甚至导致结构失稳，同洞口段山体下滑趋势更加明显，并产生较大的斜向力，在斜向力作用下，衬砌混凝土便出现剪切破坏。

4 处治方案

综上分析，坡体在施工前是稳定的，其开裂是由于隧道开挖地形、地质偏压引起较大变形产生的，判断为坡体蠕动变形，如不及时处治，势必会导致隧道出口山体失稳。

为此对洞内采用周壁注浆加固，同时对左洞ZK274+540～ZK274+580段仰拱未及时封闭成环的段落加快仰拱封闭成环。洞外桥台外侧、左洞边线外侧采用抗滑桩支挡，浅埋偏压段地表采用回填M7．5浆砌片石处理。此外，为加强抗滑桩下部土体的稳定，对洞口施工便道挡墙段落延长以及挡墙上部边坡采用锚杆框防护。

下面对左洞出口段斜坡采用抗滑桩支挡进行详细设计。

5 斜坡加固设计

5．1 计算方法——剩余推力法

根据斜坡的工程地质条件及特征分析，该边坡可采用适用于折线型滑面的剩余推力法进行稳定性计算。在应用此方法进行计算时，视岩土体为刚体，以平面二维课题来处理，即沿潜在滑面(视为滑面，以下称为“滑面”)走向取单位宽度的岩土体(视为滑体，以下称为“滑体”)进行计算，不考虑两侧岩土的摩擦力及其之间的挤压力。

在考虑重力、静(动)水压力和地震力作用的情况下，稳定性系数为:

其中，Tk为滑体的抗滑力;Tx为滑体的下滑力。

对于单个滑块而言，其剩余推力为:

其中，Tki为第i条滑块的抗滑力，kN;Txi为第i条滑块的下滑力，kN;Ei为第i条滑块的剩余下滑力，kN;ψi为第i条滑块的传递系数;Wi为第i条滑块的自重，kN;αi为第i条滑块的滑面与水平面的夹角(取锐角);Li为第i条滑块的滑面长度，m;PWi为第i条滑块中静水压力产生的侧水压力，kN，方向为渗流方向，大小为:PWi-1=0．5 × ρw×h1i2，PWi=0．5 × ρw× h2i2(h1i，h2i分别为滑块两侧地下水位线到滑面的距离);Ui为第i条滑块中动力水头产生的浮托力，kN，方向为垂直滑面向外，大小为:Ui=0．5×(h1i+h2i)×ρw×Li;Qi为第i条滑块所受到的水平地震力，kN。

静水压力受力图见图1。

图1 静水压力受力简图

5．2 潜在滑动面确定及计算剖面条块划分

根据勘察所提供的工程地质剖面资料，将控制性剖面Ⅱ—Ⅱ的覆盖土层(编号①)层面和强风化层(编号②-1)层面分别当作潜在滑动面进行稳定性分析，条块划分图见图2，图3［1］。

图2 覆盖土层（①）条块划分图

图3 强风化层（②-1）条块划分图

5．3 计算方案

本区地震基本烈度为6度。故其地震加速度取0．05g，即0．49 m/s2。根据JTJ 004-89公路抗震设计规范的有关规定，拟建工程属重要构造物，故按地震基本烈度7度设防。

根据勘探钻孔揭露，坡体覆盖层含大量碎石、块石，其透水性较强。鉴于此，认为静(动)水压力对坡体的作用力可忽略不计，地下水的影响应主要考虑其使计算对象饱水引起的重度、强度变化。

5．4 计算工况与安全等级

按照该处的工程水文地质条件、斜坡变形破坏的主要诱发因素和工程重要性等级，考虑地震及暴雨作用，拟定以下三种工况进行稳定性计算:

工况一:天然状态;

工况二:饱水状态;

工况三:饱水+地震状态。

根据GB 50330-2002建筑边坡工程技术规范，当采用折线滑动法进行边坡稳定性计算时，对于一级边坡安全系数应取1．35。

5．5 计算参数的选取

根据土工试验结果和相似工程类比，综合确定边坡岩土体的计算参数［1］(见表1)。

表1 斜坡稳定性分析计算参数表

5．6 剖面稳定性计算及评价

将剖面各层不同工况下的稳定性系数计算结果汇总见表2。

表2 稳定性系数计算成果表

根据稳定性计算结果，可以作出以下基本评价:

1)整体土层，在天然工况下稳定性系数大于1．2，处于稳定状态;在饱水工况下稳定性系数略小于1．1，处于基本稳定状态;在饱水+地震工况下稳定性系数略小于1．0，处于极限稳定～欠稳定状态。

2)强风化层，在天然状态及饱水状态下稳定系数大于1．1，处于稳定状态;在饱水+地震状态下稳定系数略大于1．0，处于基本稳定～极限稳定状态。因此，强风化层总体是稳定的。

5．7 边坡剩余下滑力计算

根据前述折线滑动模型，采用剩余推力法对各剖面各土层进行下滑推力计算。各剖面分层土条划分与剖面稳定性计算的划分一致。

根据工程设计资料，确定在邻近隧道左洞工程位土条块(编号18)后进行加固支挡较为合理。经过计算，在饱水+地震工况、不同安全系数下18号条块处的剩余推力值归纳如表3所示。

表3 近工程位的土体条块剩余下滑推力数值表

5．8 抗滑桩设计

1)隧道浅埋、偏压段处理。根据实测隧道横断面揭示，浅埋偏压段未经反压处理的桩号为 ZK274+600～ZK274+618，在ZK274+613断面左洞外侧距离地表厚度不到3 m，浅埋、偏压情况比较严重。通过借鉴对隧道浅埋、偏压段处理的成功经验，拟定对本隧道偏压段经过反压后地表面距离洞壁不大于5 m［2］以及反压坡度采用较合理值20%［3］的原则控制。

2)抗滑桩位置布设。根据洞内支护与衬砌的开裂桩号以及地表实测裂缝位置确定左洞外边线抗滑桩纵向布置桩号为ZK274+560 ～ZK274+618，编号为 No．1 ～No．11。抗滑桩背侧朝向为计算剖面方向，为减少施工对隧道的影响，布置在左洞外侧边线约3 m以外。经分析，抗滑桩No．1～No．4需悬挑出来，控制高程为383．5 m，其他抗滑桩则埋入地表内，其中No．1号抗滑桩悬挑高度最高，达到8 m。悬挑的抗滑桩间设置斜向现浇混凝土肋板以便稳固回填浆砌片石。桥台外侧抗滑桩沿路线横向布置在桥台位置往大桩号方向偏移1．5 m处，抗滑桩编号为No．12～No．20。桩顶位置以不碰到桥梁帽梁底部为原则，控制高程为370．5 m。

3)抗滑桩内力计算。根据前面剩余下滑力计算可知，埋入地表的抗滑桩(No．5～No．11)最大受力为389．4 kN，悬挑部分的抗滑桩(No．1～No．4)不仅受到地表覆盖层土体的下滑力，还受到上部回填浆砌片石的下滑力。经计算，悬挑最长的No．1号抗滑桩所受下滑力约810 kN，计算剖面见图4。通过理正岩土计算软件6．0版，对抗滑桩、肋板进行了内力及配筋计算，确定了抗滑桩截面尺寸为2 m×3 m，悬挑部分的No．1号～No．4号抗滑桩桩长为35 m，No．5 号 ～ No．11 号抗滑桩桩长为20 m，No．12 号 ～ No．20 号抗滑桩桩长为25 m，肋板厚度为35 cm。悬挑部分抗滑桩内力计算剖面图见图4。

图4 悬挑部分抗滑桩内力计算剖面图

4)施工要求及注意事项。a．抗滑桩需采用跳桩法，隔一桩施工一桩，分两批施工，桩孔孔底沉渣不得大于5 cm。b．抗滑桩主受力筋一侧迎向下滑土体，抵抗下滑力，所有抗滑桩桩身受力主筋焊接接长时，必须严格按照施工规范办理。c．所有抗滑桩均需穿过孤石，若施工中发现与地质资料出入较大时，应及时通知设计单位。d．施工工程中，应密切注意施工安全，做好地表水，地下水的排放。e．抗滑桩施工完需达到28 d养护期后才可进行路基边坡的开挖，同时边开挖边进行支护。

6 结语

1)包茂高速安康至陕川界(毛坝)段现已通车三年，运营情况良好，表明芭蕉特长隧道出口段斜坡加固设计取得了良好的效果。2)不稳定斜坡位于隧道出口偏压路段，采用抗滑桩支挡加固设计中充分考虑了这一因素，本工点成功的加固治理经验对其他类似项目具有重要的借鉴意义。

［1］湖北省神龙地质工程勘察院．芭蕉隧道出口斜坡工程施工补充勘察研究报告［R］．2008．

［2］刘建洪，卢 磊，申景宇，等．偏压隧道明洞段初步设计浅析［J］．四川建筑，2008，28(2):108．

［3］张艳做．公路隧道超浅埋偏压段技术探讨［J］．山西建筑，2012，38(1):220-221．

［4］阮映辉，童勇江．隧道偏压明洞在不同洞顶回填倾角下的受力分析［J］．交通标准化，2011(11):149-150．