隧道边仰坡滑塌处治及二次进洞施工技术实例研究

张运良，陈富东，陈英烈，雷明锋, 2



隧道边仰坡滑塌处治及二次进洞施工技术实例研究

张运良1，陈富东1，陈英烈1，雷明锋1, 2

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075； 2. 重载铁路工程结构教育部重点实验室，湖南 长沙 410075)

以太真隧道工程为例，采用现场调查、数值模拟和现场监测技术，针对隧道进洞施工过程中的边仰坡滑塌机理、处治措施以及二次进洞技术开展研究。研究结果表明：软弱地层条件下，强降雨是诱发依托工程边仰坡滑塌的主要原因。雨水下渗弱化岩土体强度，在隧道进洞施工扰动下，形成贯通性塑性带，进而导致山体大范围坍塌。综合考虑滑塌体本身的稳定性以及隧道再次进洞施工的扰动影响，系统性地提出边仰坡处治以及隧道二次进洞方案，包括：适度清除坍塌体、局部刷方减重+抗滑桩、锚索(杆)加固以及反压回填的边仰坡防护措施；基坑明洞法穿越坍塌体、浅埋暗挖法(加强支护结构和采用双侧壁导坑开挖法)穿越塌方影响段的隧道二次进洞施工技术。数值模拟和现场实测均表明，经综合处治后的边仰坡在隧道二次进洞过程中处于稳定状态，上述方案是可靠的。

隧道；边仰坡滑塌；处治措施；二次进洞

洞口段施工是山岭隧道安全、顺利进洞的关键，直接关系到工程的工期和造价，但在实际进洞施工过程常常出现隧道边仰坡滑塌等工程事 故[1−5]。据不完全统计，2006~2016年期间，我国在公路、铁路隧道建设过程中发生了49起洞口边仰坡坍塌事故[5]，造成了巨大的经济损失及恶劣的社会影响。出现此类事故的原因是多方面的，其主要原因为山岭隧道洞口段往往存在地质条件差、埋深浅、甚至偏压等施工难点，加上施工扰动等外界因素的不利影响，稍有不慎便会导致进洞施工过程中的边仰坡滑塌事故[6−7]。特别是，当进洞施工遭遇暴雨极端天气时，雨水渗透进入土体，土体孔隙水压上升，有效应力下降，进而导致隧道边仰坡失稳坍塌。与此同时，当隧道洞口段发生坍塌后，将会造成岩层错位、离散，岩体强度进一步降低，破碎程度进一步加剧，给后续再次(二次)进洞施工带来极大的困难[1]。因此，工程建设过程中，除采取可靠的加固防治措施，确保进洞施工过程中边仰坡的安全外，还应掌握一旦发生洞口段滑塌事故后的有效处治方法，以尽可能地降低工期延误和二次灾害发生风险，这些方法不仅要考虑处治之后边仰坡本身的稳定性，还应考虑处治之后隧道二次进洞阶段的可行性和安全性[8]。然而，当前关于该类问题的研究相对较少[9]，既有成果主要侧重于隧道边仰坡失稳原因和处治措施方面[3, 10−14]，未综合考虑隧道边仰坡失稳处治后的隧道二次进洞情况。为此，本文以中国杭新景高速公路衢江区太真乡标段太真隧道为例，针对该隧道进洞施工过程边仰坡滑塌后的处治方案及其二次进洞技术，通过数值模拟和现场测试的方法开展研究，以探明太真隧道边仰坡失稳的主要原因，进而提出相对应的滑坡处治措施和隧道二次进洞施工技术，为类似工程提供经验 借鉴。

1 工程概况

太真隧道位于杭新景高速公路衢江区，地处浙西侵蚀中低山区，为非对称结构偏压小净距隧道，右洞为3车道，长362 m，左洞为2车道，长390 m，左右洞平均净距约7. 1 m，出洞段净距仅 6.1 m。隧道出口段所处地层依次为：黏性碎石土，间隙充填砂类土和黏性土；粉砂质泥岩及碳质泥岩，夹煤层，强中风化为主；细砂岩、粉砂岩强中风化为主，节理裂隙较发育~发育，岩体破碎，渗透性较好，总体划分为V级围岩。隧道出口段平、纵断面、结构设计及施工工法见图1。

2 太真隧道洞口边仰坡滑塌及其原因分析

2.1 洞口边仰坡滑塌过程

太真隧道于2013年3月下旬开工建设，进洞初期，开挖揭露洞口段周边存在多处采空区，现场监测发现：左洞洞口仰坡处出现长约5 m，宽度3~4 cm的拉裂裂缝(如图2)，同时左洞右侧拱脚往右侧移动了4 cm，初期支护出现了明显的环向裂缝，工字钢外侧的混凝土局部脱落。为避免病害持续发展，施工过程中，及时采取了洞顶卸载、洞内加固、拱脚注浆等加固处治方案，并加密了施工监测频率，结果显示，经上述措施治理后隧道和边坡进入稳定状态。

然而，由于台风“谭美”的影响，2013年8月18日下午至晚上该地区遭遇暴雨袭击，太真隧道正位于强降雨中心区域，在雨水的渗透作用下，距洞口约100 m范围内山体地表出现多条裂缝，最大宽度达50 cm，长约70 m(如图2)，且维持持续发展，隧道左洞洞内临时钢支撑开始产生剧烈变形而屈服，进而致使左洞全面坍塌。与此同时，左洞的坍塌触发了整个山体失稳，右洞在坡体化动力作用下也迅速坍塌。坍塌后现场情况如图2，经后续测量和踏勘，坍塌体大致呈长方形，长约104 m，宽约70 m，最大厚度约29 m，坍塌量约15万m3，坍塌体主要由全~中风化细砂岩、粉砂岩组成，其潜在塌滑受主要结构面控制，主滑方向为322°，主轴方向与山体等高线几乎垂直。

单位：m

结合整个坍塌事件过程初步分析，造成太真隧道洞口边仰坡整体滑塌的直接原因为强降雨。由于山体岩石破碎，节理发育，短时间内大量雨水迅速渗入土体，孔隙水压力增大，有效应力降低，同时结构面之间的填充物由于水的渗透而软化，从而导致整个山体的滑坡。

2.2 滑塌原因数值模拟分析

为进一步了解太真隧道洞口边仰坡失稳原因及机理，以主滑方向横断面为基础建立数值模型，对降雨前后的太真隧道洞口边仰坡的稳定性情况进行分析。模型中通过强度折减来考虑降雨前后地层参数的变化，根据实际边坡的破坏形态，通过参数反演得到折减系数为0.9，降雨前地层力学参数参照地质勘测报告选取，如表1。此外，由于黏性碎石土较薄，且实际中边坡是深层滑动破坏的，为了简化模型，故取主要土层(粉质泥岩、泥质粉砂岩)进行模拟分析。

通过数值模拟，得到降雨前后太真隧道洞口边仰坡塑性滑动带计算结果如图3。从中分析可见：降雨前，边坡的安全系数大于1且没有出现贯通的塑性区，处于稳定的状态，如图3(a)。降雨后，土体抗剪强度降低，土体逐步屈服，左洞腰部至山顶地表处形成以明显的塑性贯通带，边坡出现整体滑动，如图3(b)。滑动范围和滑动体分布形态与现场实际情况吻合较好。进一步验证了强降雨天气时造成该隧道洞口边仰坡整体坍塌的直接原因。

(a) 地表裂缝分布平面图；(b) 主轴方向滑动体剖面图(Ⅰ-Ⅰ)；(c) 滑坡后的边坡形态

表1 围岩力学参数表

(a)降雨前；(b)降雨后

3 太真隧道洞口坍塌处治和二次进洞方案

隧道洞口边仰坡坍塌后的处治与常规的边坡失稳处治不同，不仅要考虑坡体本身的稳定性，同时还要考虑经处治后的坡体在隧道二次进洞开挖扰动下的稳定性[15]。为此，经反复论证，提出太真隧道洞口段滑塌处理的总体方案为：基本不清除坍塌体、局部刷方减重+抗滑桩、以浅埋暗挖为主、基坑法明洞为辅穿越坍塌段。

3.1 洞口滑坡体处治方案

1) 对坍塌体上部浮石及不稳固塌体清方，设置8级边坡，并分别采用锚索或锚杆等措施对坡体进行加固处理，具体加固参数如图4(a)~4(c)。

2) 适当加长明洞，右洞洞口由YK173+155调整至YK173+194、左洞洞口由ZK173+166调整至ZK173+180，左右洞口平齐，以利于通过回填反压增强坍塌体及洞口段整体长期稳定，接长后采用端墙式洞门形式，如图4(a)~4(c)。

3) 由于坍塌体后壁较高，主滑段较陡，滑体较厚，滑动面较深，先在坍塌体后缘及主滑段刷方减重、洞口段山外侧反压回填，同时方便布设抗滑桩，如图4(a)~4(c)。

3.2 隧道二次进洞方案

为确保二次进洞安全，对塌方段及其影响段支护结构进行了必要的加强，如图4(d)，并调整了进洞施工工法，其中塌方段采用基坑法明洞，浅埋段采用双侧壁导坑法，如图4(d)~4(e)。

3.3 处治措施与进洞方案可行性数值模拟

为论证上述方案的可行性，同样采用数值模拟的方法进行建模分析，计算参数和结果分别见表1~表2和图5。从中分析可见：隧道开挖后，滑坡体仅在局部范围内发生屈服，未出现塑性贯通区，坡体最大位移约7 mm，处于控制范围以内，表明经上述措施治理后，隧道开挖过程中坍塌体可维持稳定状态。隧道开挖过程中，左右洞最大拱顶沉降分别为34 mm和48 mm，尚处于可控范围之内，且掌子面通过分析断面后，迅速趋于稳定，隧道整体处于稳定状态。综合2方面分析，可以认为当前处治措施和进洞方案是可行的。

表2 围岩及支护结构物理力学参数表

单位：mm

(a) 平面布置图；(b) 典型边坡防护设计断面(Ⅰ-Ⅰ)；(c) 典型防护设计断面(Ⅱ-Ⅱ)；(d) 加强设计后的支护结构；(e) 调整后施工工法

图4 太真隧道洞口坍塌段整治措施

Fig. 4 Remediation measures of collapse in Taizhen tunnel

图5 坍塌处治后的计算结果

4 实施效果现场监测分析

实际施工过程中开展全程施工监测，以确保施工安全[3]。监测内容和测点布置：拱顶沉降选取左洞ZK172+800，ZK172+810和ZK172+820及右洞对应断面YK172+780，YK172+790和YK172+800；周边收敛选取左洞ZK172+810及右洞对应断面YK172+790；钢拱架应力选取右洞断面YK172+ 795。监测结果见图6。从中分析可见：

1) 在隧道开挖初期，受到各台阶开挖的扰动影响，拱顶沉降速率较大；随后拱顶沉降速率逐渐减小，大约在30 d后拱顶沉降逐渐稳定。右洞断面最大拱顶沉降值为31 mm(计算值48 mm)，左洞最大值24 mm(计算值34 mm)；此外，可以看出同一断面右洞拱顶沉降大于左洞。

2) 周边收敛变化与拱顶沉降变化规律基本类似，左右洞选取断面周边收敛变化速率在监测初期相对较大，18 d后收敛速率明显变小，大约30 d后周边收敛值变化趋于稳定。

(a1), (a2) 拱顶沉降；(b1), (b2) 水平收敛；(c1), (c2), (c3), (c4) 工字钢应力

3) 测试断面各点内外翼缘应力均为压应力。拱顶和内外拱腰应力较大，而拱脚部位应力较小。由于围岩的卸载作用，钢拱架前期受力较大，应力增长速度快；随着围岩的稳定，各测点应力逐渐趋于平稳阶段，在约15 d后基本不再变化。钢拱架受到的最大压应力为171 MPa，小于工字钢的屈服应力。

5 结论

1) 通过工程现场调查以及数值模拟的分析，揭示依托工程进洞施工阶段出现边仰坡大范围滑塌的主要机理，即强降雨天气雨水下渗，弱化了岩土体强度，在隧道开挖卸载作用下，边仰坡出现贯通的塑性带，进而导致山体坍塌。

2) 结合滑塌体形态，综合考虑滑塌体的稳定以及隧道二次进洞施工扰动，系统提出边仰坡处治以及隧道二次进洞方案，主要包括：①适度清除坍塌体、局部刷方减重+抗滑桩、锚索(杆)加固以及反压回填的边仰坡防护措施；②基坑明洞法穿越坍塌体、浅埋暗挖法(加强支护结构和采用双侧壁导坑开挖法)穿越塌方影响段的隧道二次进洞施工技术。

3) 对处治后的边仰坡的稳定性以及隧道二次进洞施工过程进行数值模拟和现场量测分析，结果表明，各项力学指标处于可控范围，经综合处治后的边仰坡在隧道二次进洞过程中处于稳定状态。

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A case study on the treatment and tunneling technology under collapsed tunnel side and face upward slope condition

ZHANG Yunliang1, CHEN Fudong1, CHEN Yinglie1, LEI Mingfeng1, 2

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. Key Laboratory of Engineering Structure of Heavy Haul Railway (Central South University), Changsha 410075, China)

Based on project of Taizhen tunnel, field surveys, numerical simulations and on-site monitoring techniques were used to conduct specific studies on the mechanism of collapse of side and face upward slope during construction, as well as its treatments, and the following entrance scheme. The main conclusions are as follows: Under soft ground conditions, heavy rainfall is the main reason for the collapse of side and face upward slope, where the strength of rock and soil is weakened by rainwater infiltration. Further, under the disturbance of the following entrance construction, a penetrative plastic band is formed, which indicates that a large area of mountain collapse. Based on comprehensive consideration of the stability of side and face upward slope and the disturbance of the following entrance construction, the treatment of the side and face upward slope and the following entrance scheme are systematically proposed. The treatments include: moderate clearance of the collapsed body, locally overload cutting combined with anti-slide piles and anchor cables (anchor bolts), back fill; And the scheme are as follows: open-cut tunnel method for the collapsed body, shallow tunneling method (reinforced supporting structure and two side-wall pilot tunnel) for the section influenced by the collapsed slope. The result of numerical simulation and field measurements indicates that after the comprehensive treatment, the side and face upward slope is in a stable state during entrance construction, proving rationality of the treatment.

tunnel; collapse of side and face upward slope; treatment; secondary entrance construction

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.04.021

TU91

A

1672 − 7029(2019)04 − 0992 − 09

2018−05−17

国家自然科学基金资助项目(51508575)；湖南省自然科学基金资助项目(2018JJ3657)

雷明锋(1982−)，男，湖南祁东人，副教授，从事隧道及地下工程科研与教学研究；E−maill：124520238@qq.com

(编辑 阳丽霞)