偏压隧道洞口段坡体钢花管注浆加固效果分析

郑明新， 伍明文, *， 胡国平， 郭杰森， 黄 钢， 杨继凯

(1. 华东交通大学土木建筑学院， 江西 南昌 330013；2. 江西省岩土工程基础设施安全与控制重点实验室， 江西 南昌 330013)

0 引言

对于偏压隧道[1]，常常因施工方案不当诱发隧道洞口段坡体滑塌，而其稳定性关乎整个工程的安全、顺利进行，因此隧道洞口段边坡稳定性一直是隧道工程界重点关注的问题。多年来，为了寻求有效的边坡加固方案，相关学者进行了大量的研究并取得了一系列的研究成果。郑明新等[2]针对路堑边坡特征提出了相应的边坡防护措施、适用条件及相应的边坡支护方案。沈金瑞等[3]针对软弱结构面分析了边坡注浆前、后坡体的稳定状况。陈思阳等[4]介绍了黄土偏压隧道穿越边坡时通过对隧址边坡进行预加固,大大降低了施工对土体的扰动,减少了滑坡、崩塌等工程风险。王华俊等[5]介绍了在高速公路边坡病害防治中采用钢花管注浆加固，并取得了较好的应用效果。王俊生[6]探讨了注浆钢花管桩加固边坡设计方法，发现该支护方法能提高荷载传递效果，并能较好地控制地表的变形。

以往将钢花管注浆支护主要应用于高速公路边坡预支护，尽管有许多学者和工程师对于这类加固方案相继进行探究[7-8]，但对于偏压隧道洞口段坡体钢花管注浆加固效果的研究较少。考虑到研究对象洞口段坡体主要由于偏压、地下水的作用及支护不当而容易导致局部坡体滑移，故本文针对该工程在产生局部坡体滑移后的偏压隧道洞口段上方坡体施作钢花管注浆加固效果进行分析，通过计算不同加固工况下的边坡安全系数、侧坡总位移、坡体有效塑性应变及对坡体采用钢花管注浆加固后的现场边坡测点位移监测数据来评价坡体支护加固后的效果。

1 工程概况及洞口边坡变形分析

1.1 隧道工程概况

花都Ⅱ号隧道工程位于福建省漳州市，隧道按上下行分离双向6车道设计，左洞全长985 m、右洞全长945 m，最大埋深为106 m，隧道主洞净高为 10.27 m，净宽为15.27 m。隧道右洞进口边坡及横断面如图1所示。

(a) 进口边坡

(b) 横断面

研究区属于新构造活动性断裂块差异隆起区，隧道分布于第四系更新统残坡积层与侏罗系强风化—中风化凝灰熔岩岩层内；右洞进口段坡体地层岩性自上而下为坡积含碎石黏土、砂土状强风化凝灰熔岩、碎块状强风化凝灰熔岩及中风化凝灰熔岩，见图2(a)，右洞坡面左侧有明显地下水渗出。

1.2 坡体变形特征

隧道施作套拱初期，因开挖坡脚处局部土体，导致坡体上方变形较大，随即采用局部坡体注浆，然而，随着土体的开挖，局部坡体仍然发生滑移失稳，同时，坡体地表出现多条裂纹。该裂纹主要是由于右洞上方土体偏压、地下水未及时排出及坡体支护不到位使得局部边坡滑移失稳。施工单位在施作套拱前曾开挖左侧坡脚处的局部土体，当开挖深度为3 m时，套拱处上方局部坡体已发生明显的滑动并出现局部坍塌现象，在边坡地表出现多条裂纹(见图2(b))，裂纹最宽达3 cm，最长达9.5 m，同时在坡体上部多处冒出小股流量地下水，形成地表径流。

(a) 坡体横截面 (单位： m)

(b) 坡体裂纹

边坡局部失稳主要源于坡体偏压、地下水的影响及坡体支护不当所致。为满足后期隧道施工的需求，需对边坡进行加固以提高坡体的稳定性。

2 边坡加固支护方法比选分析

数值计算分析软件采用Midas-GTS-NX[9-10]，该软件分析边坡稳定性是基于有限元强度折减原理[11-12]进行计算分析的。在本工程背景下采用该方法相比其他分析方法，其可考虑岩土体的非线性本构关系，能自动搜索滑面并求出强度储备安全系数，最大剪切应变云图可直接反映失稳坡体滑移面的位置情况，还可以反映滑动面的形成、发展、贯通情况，并且能算出有/无支护情况下边坡滑动面走向与安全系数，也能对有支护情况下坡体的稳定性进行评价。

2.1 坡体计算模型的建立与参数的确定

2.1.1 计算模型的建立

隧道边坡土体、围岩采用M-C屈服准则，土体采用 4 节点局部3节点二维平面单元模拟。将隧道初期支护的网喷混凝土和钢拱架视为一个等效体。模型计算范围横向为X向，取92 m；竖向(Y向)左侧取30 m，右侧取64 m；整个模型底部为全部约束，边坡面定义为自由边界，左右两侧均设为水平约束，隧道边坡及侧坡支护结构模型如图3所示。

(a) 隧道边坡模型

(b) 隧道侧坡支护结构示意

隧道边坡支护加固措施分3种： 工况1采用对坡面刷坡加砂浆锚杆支护；工况2采用工况1加局部坡体注浆支护；工况3采用工况1的支护加钢花管注浆支护。在二维模型中支护工况1生成的刷坡及砂浆锚杆采用对坡面单元析取产生1D梁单元及在锚杆植入位置析取产生1D植入式桁架施加；支护工况2在采用工况1的基础上再对注浆加固区的土体的属性变为注浆后土体的物理属性；工况3是在工况2的基础上对钢花管加固区把其析取出来的1D梁单元进行模拟施加。

1)坡面挂网喷浆+砂浆锚杆。在坡面施作厚度为10 cm的C25喷射混凝土、φ8钢筋网及垂直坡面打入长为3 m的砂浆锚杆。

2)坡体注浆。在加固区采用C20水泥浆液(水灰比为1∶1)对坡体进行注浆加固, 钻孔直径为60 mm，孔距与排距均为2 m，钻孔深度9 m，注浆压力为2～3 MPa，采用外径为45 mm的中空长钢管进行注浆，浆液扩散半径1 250 mm。

3)注浆钢花管。在加固区沿重力方向打入12根长为10 m、直径为108 mm、壁厚为8 mm的钢花管后，再通过钢花管对坡体采用C20水泥浆液(水灰比为1∶1)进行注浆加固(采用这种钢花管能够起到加固岩土体、增强抗滑能力，而嵌入地层的钢花管又能起到锚固桩作用，有利于后期隧道的开挖)。

以上加固方式详情见图3(b)。

2.1.2 模型参数的选取

根据设计院的地质勘测资料、室内取土实验及边坡支护设计资料可知，土体与支护结构材料的物理力学参数见表1，其中钢花管注浆对围岩的影响区域大致在1 250 mm范围内[5,13]，通过对钢花管与固结在钢花管内的水泥砂浆的弹性模量进行折算[14]，可知注浆钢花管弹性模量为57 200 MPa、泊松比为0.3、容重为27.4 kN·m-3。

表1模型中地层与结构物理力学参数

Table 1 Physico-mechanical parameters of strata and structure in model

类别 E/MPaμγ/(kN·m-3)c/kPaφ/(°)坡积土500.31181518砂土状强风化凝灰熔岩1 0000.35203035碎块状强风化凝灰熔岩2 0000.19224040中风化凝灰岩3 4000.0526.119 40045.8注浆加固体2 1000.2236048喷射混凝土25 0000.322锚杆210 0000.2078注浆钢花管57 2000.327.4初期支护30 0000.2325中间钢支撑29 0000.3125

2.2 计算方案比选

隧道边坡稳定性分析主要考虑3种加固方案： 1)坡面挂网喷浆+砂浆锚杆支护； 2)坡面挂网喷浆+砂浆锚杆+局部坡体注浆支护； 3)坡面挂网喷浆+砂浆锚杆+局部坡体钢花管注浆支护。3种支护工况比选见表2。

表2 3种支护工况比选

2.3 计算结果分析

2.3.1 不同工况下的边坡安全系数

经数值计算分析可知，边坡在不同支护工况条件下稳定性安全系数如表3所示。

表3边坡在不同支护工况条件下稳定性安全系数值

Table 3 Slope stability safety factors corresponding to different slope support schemes

工况编号工况类别安全系数1坡面挂网喷浆+砂浆锚杆1.1012坡面挂网喷浆+砂浆锚杆+坡体注浆1.3123坡面挂网喷浆+砂浆锚杆+坡体钢花管注浆1.546

通过表3可知: 工况1边坡稳定性安全系数小于规范中对一级边坡稳定性安全系数1.3的要求，不利于后期隧道施工；工况2和工况3均达到一级边坡安全稳定的要求，虽然工况2边坡安全系数相比工况1提高19.16%，但是工况2的安全系数相比1.3仅高出0.9%，坡体安全储量极低，这对后期隧道开挖施工是不利的；工况3的边坡安全系数相比工况2提高17.83%，与工况1相比提高40.42%，说明局部坡体钢花管注浆加固相比单独坡体注浆能更有效地提高边坡的稳定性。

2.3.2 不同支护工况下侧坡总位移分析

在隧道还未开挖时，上方边坡采用不同支护工况下侧坡总位移分析如图 4所示。

由表3和图4可知： 1)工况1的边坡稳定安全系数小于1.3，边坡整体处于局部失稳状态。2)工况2是在工况1的基础上对支护区进行注浆加固，加固后发现坡体的稳定性得到了较大的提高，工况2最大侧坡总位移相比工况1减少了27.19 cm，注浆虽能够较好地提高边坡的稳定性，但后期隧道开挖施工将扰动坡体，可能会导致坡体失稳，所以还需进一步对坡体进行加固。3)工况3是在工况2支护加固的基础上与钢花管结合而成的坡体支护加固方案，侧坡最大总位移值为1.26 cm，该值在所有坡体支护工况中最小，边坡安全系数在所有支护工况中最大，为1.546。该支护工况能极大地提高边坡的稳定性，也可极大地降低后期隧道施工对地表变形的影响，这在所有支护工况中最有利于坡体的稳定，因此，专家推荐此坡体支护加固方案。

(a) 工况1

(b) 工况2

(c) 工况3

坡体支护工况2和工况3下侧坡监测点总位移曲线如图5所示。

由图2和图4—5可知： 偏压隧道侧坡的9个测点总位移值中最小为工况3，最大为工况1(鉴于工况1的坡面所有测点中，最小测点总位移值为39.9 mm，均大于其他工况的所有测点总位移值，所以图5仅比较工况2及工况3的坡体位移变形情况)。从图5可知： 工况3总位移变化总体趋势小于工况2；在测点5的总位移值中，工况3相比工况2减少67.72%，变化值为9.82 mm，在所有测点中变化最大，其极大地降低了隧道拱顶上方的位移值。

图5 在坡体支护工况2和工况3下侧坡监测点总位移曲线

综上可得： 工况3采用坡面施作挂网喷浆、砂浆锚杆支护及局部坡体钢花管注浆支护能够极大地提高坡体自身的稳定性，确保后期隧道的顺利开挖。

2.3.3 不同支护工况下坡体有效塑性应变及最大剪应变的分析

通过坡体最大有效塑性应变(指在该工况下模型中的有效塑性应变峰值)及最大剪应变的贯通情况、分布位置及应变值的大小，可以推选出最适宜的边坡支护工况，为边坡的加固提供合理的方案。各工况下边坡有效塑性应变及最大剪应变如图6和图7所示。

由图6和图7可知： 1)工况1最大有效塑性应变为35.2，考虑到后期隧道的开挖将会扰动坡体很容易诱发坡体滑移失稳，所以需对坡体进一步加固； 工况2相比工况1最大有效塑性应变降低了87.3%； 工况3相比工况2降低了84.4%，可知工况3支护效果最佳。2)工况1—3边坡最大剪应变值从0.198 1降为0.037 4，呈现逐渐降低的趋势，工况2的最大剪应变值小于工况1，工况3最大剪应变值相比工况2降低29.55%，可见局部坡体钢花管注浆能有效提高边坡的支护效果。

(a) 工况1坡体有效塑性应变

(b) 工况2坡体有效塑性应变

(c) 工况3坡体有效塑性应变

(d) 工况1坡体最大剪应变

(e) 工况2坡体最大剪应变

(f) 工况3坡体最大剪应变

图7 各支护工况下坡体最大剪应变及最大有效塑性应变值曲线

综上可知： 把钢花管与局部坡体注浆相结合起来可大大提高坡体的稳定性，满足后期隧道开挖施工等作业。

2.3.4 隧道施工对已支护边坡竖向位移的影响分析

坡体采用工况3方式加固后，对隧道双侧壁导坑进行模拟开挖施工(现场也是采用双侧壁法进行施工开挖)，开挖次序为左导坑(开挖1)、右导坑(开挖2)、中导坑(开挖3)及拆撑+开挖仰拱(开挖4)。隧道开挖侧坡竖直方向位移如图8和图9所示。分析隧道开挖对已支护边坡竖向变形的影响，以便探讨该支护工况对隧道边坡的支护效果。

(a) 开挖左导坑

(b) 开挖右导坑

(c) 开挖中导坑

(d) 拆撑+开挖仰拱

图9 隧道开挖(支护工况3)侧坡监测点竖直方向位移曲线

Fig. 9 Vertical displacement curves of slope in support scheme 3

由图8和图9可知： 对工况3支护下的边坡进行隧道开挖，当开挖完左导坑时坡面最大沉降值为3.0 mm，靠近加固区的土体与上方下滑土体挤压导致地表产生最大隆起位移为17.4 mm；开挖完仰拱与拆撑时坡面最大沉降值为8.9 mm，相比开挖1下沉5.9 mm，地表产生最大隆起位移为35.9 mm，相比开挖1上升18.5 mm。通过对比发现，边坡在钢花管注浆加固支护下有效地提高了坡体的稳定性，同时也抑制了坡脚薄弱地带部位的变形情况，该加固方案能极大地提升偏压隧道边坡的稳定性。

2.4 隧道开挖过程中的边坡位移监测数据分析

2.4.1 边坡监测点的布置

开挖套拱土体初期边坡产生局部破坏后，立即采用工况3对坡体进行加固并在地表布置监测点，垂直于隧道轴线从坡脚到靠近坡顶布置9个测点，测点5布置在隧道拱顶部位，以该测点为中心向两侧布点，测点5至测点6相距5 m、测点6至测点7相距6 m、测点7至测点8相距6 m、测点8至测点9相距7 m。测点布置见图2(a)。

2.4.2 边坡位移监测分析

坡体支护后开始了隧道开挖作业，从开挖左导坑到施作仰拱初期支护用时24 d(其中第6天左导坑开挖支护完成，第12天右导坑开挖支护完成，第17天中导坑开挖支护完成，第24天仰拱开挖支护完成)。隧道开挖上部坡体各监测点X、Y向位移时程曲线如图10和图11所示。从图可知： 前1～17 d开挖左、右及中导坑时随着开挖进尺的增加，各测点X及Y方向位移逐渐增加，其中，测点4和测点5的X、Y向位移变化显著；17～24 d仰拱开挖完毕，各测点位移逐渐趋于平稳，变化不大，同时远离开挖面的测点变形影响较小；加固区土体在钢花管注浆后极大地提高了该区域土体的物理属性，使得加固后的土体具有较大的刚度且稳定性更好。

图10隧道开挖上部坡体各监测点X向位移时程曲线(负值表示向左侧移动)

Fig. 10 Time-history horizontal displacement curves of slope when tunnel excavation (negative values refer to displacement moving towards left)

图11隧道开挖上部坡体各监测点Y向位移时程曲线(正值表示向上移动，负值表示向下移动)

Fig. 11 Time-history vertical displacement curves of slope when tunnel excavation (negative values refer to displacement moving towards upside)

由图10可知： 开挖左、中导坑阶段坡体各测点X向位移增速均大于其他开挖阶段，由于左、中导坑开挖使得隧道内出现大的临空面，导致坡体周围土体发生较大变形，在右侧土体偏压作用下诱发右侧上方坡体微微下滑，挤压加固区土体令测点4和测点5位移值均大于其他测点，在中导坑支护完成后这2个测点X向变形逐渐趋于稳定，值分别为19.8、26.3 mm，位移方向向左；在开挖左导坑期间坡体各测点位移变形速率在4个阶段中最大，在该阶段测点4和测点5的X向位移增速分别为2.17、1.33 mm/d。

由图11可知： 开挖隧道期间加固区土体与上方下滑坡体挤压变形导致测点3和测点4的竖向位移值上升，测点4位于加固区最右侧，土体挤压变形最大为32.5 mm；在开挖左导坑期间，测点4竖向变形速率在4个开挖阶段中最大，为2.5 mm/d，于第6天左导坑支护完成时达到15 mm，同时该阶段测点5下沉值在所有测点中最大，为5.1 mm；右导坑的开挖诱发拱顶测点5处右侧上方坡体土体下滑并挤压加固区土体，导致测点3和测点4竖向位移值进一步增大，测点3和测点4分别上升2.8、12.1 mm；中导坑开挖对坡体上方测点沉降影响最大，拱顶测点5在中导坑开挖支护阶段下沉值最大，为6 mm；仰拱的开挖对坡体沉降影响小，其增大了临空面使得测点4发生微微下沉。

综上可知，局部坡体钢花管注浆有效地提高了边坡的稳定性。

3 结论与建议

1)对隧道洞口段坡体采用坡面挂网喷浆、砂浆锚杆及局部钢花管注浆支护在3种支护工况中效果最好，能极大地提高坡体稳定性，有利于隧道后期施工的顺利进行。

2)在隧道开挖前对坡体做好预加固可有效控制边坡变形，局部坡体钢花管注浆支护相比采用坡体注浆支护可使边坡安全系数提升17.83%、侧坡位移降低32.43 mm、最大剪应变下降29.56%、最大有效塑性应变降低84.37%，所以在支护工况2的基础上再加钢花管注浆支护，能有效并且极大地提升隧道坡体的稳定性。

3)通过监测数据对比分析可知，对偏压隧道洞口段边坡采用工况3(局部钢花管注浆支护)的方式加固后再对隧道进行开挖，地表沉降得到了极大地控制，也提高了边坡稳定性，这与数值模拟的结果相近，说明局部坡体钢花管注浆对于偏压隧道边坡支护效果最佳。

4)本文选用偏压隧道洞口段边坡的3个支护结构模型并结合现场监测数据进行分析，得出了偏压隧道洞口段边坡的稳定性变化规律及最佳支护方案。然而其也有一定的局限性，富含地下水施工与爆破扰动下对偏压隧道边坡的稳定性还有一定的影响，后期还有待进一步的研究。本文从理论与实践方面对提升位于偏压隧道洞口段边坡的稳定性具有一定的参考价值。