高地震烈度区隧道洞口高陡崖壁稳定性分析及加固技术

罗培新

（中国铁路乌鲁木齐铁路局集团有限公司库尔勒铁路建设指挥部，新疆 巴音郭楞蒙古自治州 841300）

1 引言

伴随着国家基础设施建设规模的不断扩大和地区经济发展，中西部地区的铁路建设也在有序推进。特别是在一些地质条件复杂地区修建铁路的情况越来越多。西南地区属于中国地震频发地区，隧道施工区域围岩地质条件复杂生态环境脆弱、地灾频发、施工敏感、洞口岩堆、破碎围岩、高地应力、涌水、岩爆、软岩大变形等灾害较为常见。隧道洞口进洞施工过程中容易遇到高陡崖壁、高陡边坡的加固及灾害防控等难题，也往往成为制约隧道施工工期和影响后期隧道运营安全的重要因素之一。

关于高陡边坡开挖影响及合理施工影响控制等方面也有相关的研究及应用。王吉亮等人[1]认为在边坡高陡等条件下，边坡的开挖可能引起边坡出现倾倒变形、顺层滑移变形等问题。张骞[2]对高烈度地震区顺层高陡边坡失稳机理与控制对策开展研究，建立了高烈度地震区高陡岩质顺层边坡失稳的控制体系。黄润秋[3]对复杂地质条件下偏压双连拱隧道围岩—边坡体系施工过程中的力学变化规律进行了研究。

高地震烈度区隧道洞口施工与临近高陡崖壁施工中存在相互影响，如何确保边坡加固与隧道洞口工程，乃至隧道正洞施工安全至关重要。本文主要结合具体的工程应用实例，开展相关工程施工的技术研究及工程应用。

2 工程概况

工程依托为在建成兰铁路，该区域内地震频发地区大地震余震活动频繁，汶川地震触发地质灾害发育强烈发育。标段内某隧道出口属构造剥蚀高中山地貌，地形切割强烈，山体自然坡度75°～85°，陡崖高差近220 m，地势险峻，局部有零星落石、掉块，洞口段穿越崖脚体积为5.4×105m3的大型松散岩堆体。洞口高陡倒悬千枚岩崖壁分布于隧道出口，上方岩质陡崖的崖脚有较严重的倒悬现象，倒悬横向发育范围长约60 m。存在大量危石、落石；岩体软硬不均、风化强弱不一、局部存在空洞，时有危石崩落，严重影响施工及运营安全。出露基岩为砂岩夹千枚岩，局部为炭质千枚岩，砂岩为钙质胶结，岩质较硬；千枚岩、炭质千枚岩岩质较软。

隧道洞口上方倒悬陡崖赋存情况如图1所示。

3 施工重难点分析

由于隧道地处地震频发地区，洞口围岩具有节理裂隙发育、倒悬千枚岩陡崖坡度大、倒悬长度大等特点。在施工过程中为确保洞口进洞及洞口边坡开挖施工安全，需要重点解决以下问题：①洞口倒悬陡崖段岩体的总体应力分布情况评估。洞口倒悬千枚岩陡崖段岩体破碎、节理裂隙发育。陡坡开挖前，需要系统评估出岩体的总体受力情况，摸清受力的集中区域，确定出施工中需重点加强和进行变形控制的薄弱点，为变形控制方案的制订提供理论参考。②节理裂隙发育陡崖的控制爆破施工。边坡陡崖段存在节理裂隙发育、坡陡、台阶高度大等问题，如何采取合理的控制爆破参数，最大程度地降低爆破对预留岩体的影响，减轻围岩损伤程度，是爆破施工中需要重点控制的方向之一。

4 总体实施方案

4.1 受力分布情况数值模拟评估

通过建立有限元数值模型，对隧道洞口边坡自然状态应力分布情况进行数值模拟分析。数值模拟结果显示：斜坡最大水平拉应力分布在隧道出口上方，最大竖向应力分布在坡顶，最大剪应力出现在隧道出口；坡脚卸载清方造成倒悬坡体产生潜在破坏趋势，隧道口倒悬凸出坡体存在局部破坏点，开挖临空边坡可能会发生失稳破坏。

斜坡自然状态数值模型如图2所示，水平方向应力云图如图3所示，边坡分析潜在破坏点如图4所示。

图2 斜坡自然状态数值模型

图3 水平方向应力云图

图4 边坡分析潜在破坏点

竖直、水平向位移分别如图5、图6所示。离散元数值模拟分析表明：最大水平位移出现在隧道口下部，最大垂直位移出现在隧道口上部；斜坡整体稳定。在隧道口上方，存在6～8 m的岩体，处于临界稳定状态，受到地震或施工扰动，会发生破坏、掉落。

4.2 高陡岩壁台阶控制爆破施工技术

4．2．1 总体原则

采用加强松动和光面爆破，自上而下逐级分段、分次爆破技术。山顶往下第一、二、三级边坡，采取分层分段、分次浅眼爆破，其他下部分级边坡采用分次深孔爆破。

图5 竖直向位移云图

图6 水平向位移云图

4．2．2 台阶爆破参数

4.2.2.1 钻机选型及炮孔直径

浅孔爆破开挖深度H＜5 m，现场采用YT28凿岩机钻孔施工，炮孔直径d取40 mm；深孔加强松动控制爆破分层高度按照10 m设计，即孔深取10 m，选用100B型简易潜孔钻配合CM358履带式气动潜孔钻机钻孔，钻孔直径d取90 mm。

4.2.2.2 底盘抵抗线

根据施工经验，浅孔爆破底盘抵抗线W1取1.5 m；深孔爆破前排炮孔底盘抵抗线W1取4.0 m。

4.2.2.3 孔深与超深

根据规范及类似工程经验，浅孔爆破选取超钻深度h=0.3 m，垂直孔最大深度L=H+h=5.3 m；深孔爆破选取超钻深度h=1.0 m，垂直孔最大深度L=H+h=11 m。

4.2.2.4 孔距和排距

为了提高爆破质量及效果，浅孔、深孔爆破均采用三角形（梅花形）布孔、排间微差爆破方式，钻孔密集系数m取0.8～1.0。本工程浅孔爆破选取a=1.3 m，b=1.2 m；深孔爆破选取a=4.0 m，b=3.5 m。

4.2.2.5 装药结构及填塞长度

采用孔底气垫间隔装药结构。浅孔爆破空气气垫长度取0.2 m，深孔爆破空气垫长度取0.3 m。堵塞长度浅孔取1.2 m，深孔取2.5m。

4.2.2.6 爆破参数表

台阶控制爆破参数如表1所示。

表1 台阶控制爆破参数表

4.2.2.7 现场实施

现场按照自上而下逐级分段、分次爆破的总体爆破方案，其中第一、二、三级边坡采取分层分段、分次浅眼爆破的方法组织实施。实现了洞口危岩落石爆破清除，确保了施工及运营安全。施工过程及爆破效果如图7所示。

图7 施工过程及爆破效果

4.3 千枚岩陡坡岩壁主被动加固施工技术

4．3．1 喷锚网防护

喷射混凝土施工工艺和施工方法：喷射C25混凝土厚10 cm，分两次机械喷射，中间铺设一层镀锌机编钢丝网，锚孔采用Φ49钻孔，锚杆采用Φ25HRB400钢筋制作，长度为3.5 m，间距2 m。坡面每3 m间距设一泄水孔，泄水孔上下错开布置，内设长1.0 mΦ42PVC花管。

4．3．2 12 m 长锚杆制造与安装

线路左侧25～35 m清方坡面（清方区域与原坡面顺接范围）存在局部顺层，采用大锚杆进行补强。大锚杆矩形布置，节点间距4.0 m。线路左侧35～75 m岩堆后缘陡崖、喷锚网护坡以上至2 510 m高程自然边坡采用大锚杆防护。

4．3．3 主动防护系统施工

人工清除坡面松散岩土体和尖锐突出体，使坡面平顺。测量放线确定锚杆孔位（孔间距允许调整范围纵向为4.2～4.8 m，横向为4.7～5.3 m），孔位处人工开凿一口径不小于20 cm×15 cm的凹坑，以确保系统能尽可能紧贴坡面。锚杆孔钻凿，孔径不小于Ф35 mm，钻孔和凹坑的总深度应比设计锚杆长度长5 cm以上。主动网及大锚杆施工前对坡面局部凹腔进行嵌补，嵌补前清除凹腔内浮石，嵌补体与既有坡面采用锚杆连接。

坡面清方、防护完成后整体效果如图8所示。

图8 坡面清方、防护完成后整体效果

5 结论与体会

地震区隧道工程洞口危岩落石采取清除或者加固危岩综合处理技术，能够有效降低施工阶段和运营阶段的安全风险。高陡岩壁边坡爆破网路采用孔内、孔外延时，排间或孔（孔群）间延时起爆技术，能有效减少因雷管段别限制而增加的爆破次数，同时，能够有效控制单响最大药量，从而减小爆破振动。高陡崖壁采用嵌补、锚杆框架梁护坡、锚索+大锚杆+喷锚网护坡等加固技术，可有效加固清方后的边坡，确保岩堆体整体稳定。