大型隧洞洞脸高边坡岩体稳定性分析与处理措施

徐虎城

1 工程概况

某大型隧洞施工支洞长度达6.00 km以上，纵坡11.50%，进洞明槽长度225.00 m，开挖断面为马蹄形，洞径8.60 m，上覆岩体厚度约10 m。位于剥蚀丘陵区内，海拔高程1 150～1 200 m，地形起伏不大，一般高差10～20 m，基岩大多裸露，主要为戈壁荒漠地貌。地层岩性主要为角闪安山玢岩、辉石安山玢岩及厚层状结构凝灰质砂岩，岩石坚硬。

2 洞脸边坡地形条件描述

2.1 结构面发育特征

洞脸开挖边坡完成上半洞清渣后，揭露岩体有断层和裂隙。断层：F301断层分布于洞室轮廓线右外侧，略呈舒缓波状，总体产状50°NW∠72°，走向与洞轴线近于平行，倾向洞内，倾角72°，断层破碎带宽度5～30 cm，主要由片状岩组成，夹泥厚度1～3 cm，在融雪水或雨水渗入时夹泥呈软塑状。在断层上方1～2.5 m宽度范围为影响带，裂隙相对较发育，岩体呈10～30 cm大小的岩块，岩块间有泥膜充填。依据平切图分析，若洞室全断面开挖，在进洞10 m范围内，断层从洞口向洞内切割洞右壁岩体厚度为0～4 m，其中，在洞底附近对断层形成切脚开挖，在洞顶右侧角附近切割岩体最大厚度为3.5～4 m。

岩体节理裂隙中等发育，主要有3组：（1）NEE组：产状 65°SE∠23°，一般长度3～5 m，间距0.4～1.5 m；（2）NNW组：产状351°NE∠28°～48°，一般长度2～6 m，间距0.5～1.2 m；（3）NE组：产状47°NW∠21°，一般长度2～5 m，间距0.8～2 m；除以上3组裂隙外，还有部分随机裂隙。各组裂隙面多平直、闭合无充填，少量裂隙充填岩屑、薄泥或泥质薄膜。在3组裂隙切割下，岩体呈次块状-块状结构，一般块体大小0.4～0.8 m（见表1）。

表1 洞脸边坡结构面特征表

2.2 洞脸及洞拱稳定分析

在洞脸及洞拱顶附近发育3条较大裂隙，洞室轮廓线右外侧分布有F301断层，断层、裂隙与开挖的洞室临空面组合在洞顶、洞脸上方及右侧形成了不稳定结构体。

洞顶偏右侧L1、L3组合，L1走向35°，与洞轴线（55°）小角度相交，倾向左侧（SE），倾角28°，出露长度6～7 m，张开1～3 cm，为脱空状态，探测空腔深度约3 m，另有4 m裂隙面为张-微张状态；L3走向60°，与洞轴线基本平行，倾向右侧（NW），倾角80°，长度7～8 m，侧向切割洞顶右侧岩体，裂隙面较平直，L3与L1相交，构成陡倾角倒坡，洞室开挖后，在自重力作用下块体向洞内塌方，在洞上方形成较大的塌落空腔。

L2与L3组合，当上述不稳定三角形结构体塌方后L2与L3组合失去支撑，将形成不稳定连锁反应。使L2形成底部滑面，L3构成侧滑面，岩体中存在的NNW组（产状351°NE∠28°～48°）裂隙成为背后拉裂面，组成新的滑塌体，向洞内偏右侧滑移变形，经估算洞右侧上方拱角处每1 m洞深造成880～1 200 kN的偏斜压力，作用在F301断层面与洞室间岩体上，在洞室切角开挖后将沿断层带向洞内滑移，导致洞室塌方破坏。

3 处理方案选择分析

根据施工实际情况及地质地形条件，有2种方案供选择，第1种方案为爆破挖除不稳组合体加上随机锚喷支护，第2种方案为强支护。

边坡较陡，坡脚应力集中，边坡存在失稳滑动的危险，不能保证在强支护施工完成前边坡不会失稳滑动，边坡一旦产生滑动，强支护施工将前功尽弃，也无法继续进行下去。

由于边坡产生滑动时可能的滑移面难以准确地确定，因此，边坡稳定性计算的可靠性难以保证。而强支护方案设计时需对边坡稳定性进行准确计算分析，强支护方案用于洞脸边坡处理安全难以保证。

若选择爆破挖除不稳组合体加上随机锚喷支护，由于滑移面还未形成，可参照有关规程规范，结合工程经验，按岩体的最优稳定坡比挖除不稳定组合体，不必对边坡进行稳定性计算分析，也不必确定边坡破坏时的滑移面。

若选择爆破挖除不稳定组合体，顺洞线开挖深度10 m，经计算开挖量为1 860 m3，加上边坡随机锚杆+喷护，预计投资10万～11万元，处理效果安全可靠，处理工期可控。如采用强支护（用超前锚杆+系统锚杆+钢拱架+厚度20 cm混凝土喷护）进洞，需投入9万～10.5万元，但考虑到作为永久交通及检修洞室，后期不稳定体有较大的安全隐患；工期影响也有不确定性。

经对地质条件科学分析，通过对安全、工期、费用投入、施工难易程度以及安全性比较，确定采取爆破挖除方案相对简单易行，安全可靠。

为确保工程安全，进洞位置向前推进10 m，采取爆破开挖对洞脸边坡不良地质体进行拆除，岩土分界处设置马道，洞脸开挖坡比1∶0.5。总体施工程序是自上而下分层施工，先覆盖层开挖，后石方开挖。洞顶以上石方开挖，采用潜孔钻造孔梯段爆破，边坡预裂爆破；洞顶以下石方开挖，采用气腿式凿岩机钻孔，光面爆破，如图1所示。

图1 洞脸边坡处理断面示意图

4 施工方法

4.1 爆破方法

预裂爆破采用潜孔钻钻孔，炸药选用2#岩石乳化炸药，药卷直径32 mm，严格控制周边孔的孔距（一般是钻孔直径的7～15倍），预裂爆破装药采用不耦合装药。梯段爆破高度9.3 m，潜孔钻钻孔，炮孔梅花形布孔，硝铵炸药爆破。明洞段围岩类别为Ⅳ类，采用气腿式凿岩机钻孔，开挖高度9.57 m，断面面积120.2 m2，水平钻孔，光面爆破，循环进尺3.5 m，光面爆破装药采用不耦合装药。

4.2 洞脸边坡支护施工

洞脸边坡爆破处理结束后，用锚杆挂钢筋网喷混凝土支护。边坡布设Φ25 mm、L=3.0 m砂浆锚杆，间排距1.5 m，梅花型布置；挂Φ8@200 mm×200 mm钢筋网；喷C25混凝土，厚10 cm。边坡支护稳定后，用双排超前中空锚杆台阶法开挖方式安全进洞。

5 结语

综上所述，高边坡洞脸开挖，当地质条件出现较大变化时，应对边坡稳定性进行分析，调整施工方案，洞脸高边坡开挖施工前，确定开挖方法、支护措施和洞口边坡加固方案。进洞施工中，洞口段均为裂隙发育的软弱围岩，施工中极易滑塌，各施工工序之间的距离要尽量缩短，并尽快对高边坡挂网喷护全封闭，以减少围岩的暴露、松动和风化。高边坡及进洞口处实施监控量测，开挖到位后设置地表沉降及偏移监测点，实时监测，及时反馈情况，以便调整施工方法。

进洞口施工应坚持“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则；在进洞口开挖前进行超前支护，必要时用双排注浆中空锚杆加固。应加强地形和洞口的观测监控，及时提供准确数据，随时调整和优化方案，用动态管理指导施工。

目前隧洞进洞口从开挖量大、较厚覆盖层、两侧高边坡进洞方案向小开挖、零开挖的方向发展。当下施工技术不断进步，新工艺、新材料、新技术组合使用。针对不同的地形、地质结构选择安全、经济、易于施工的进洞方法，依然需要实践检验、不断开拓、共同学习借鉴。