炭质千枚岩区高速公路隧道仰坡危岩失稳特征及处置措施研究

张 驰

(中铁十四局集团第四工程有限公司 山东济南 250002)

1 引言

经过改革开放以来四十余年的发展，我国高速公路里程已稳居世界第一，高速公路行业进入全面规范和高质量发展阶段。然而，在西南地区修建高速公路时仍需穿越高山峡谷地带，此时在山体开掘隧道就成为了必然。当在变质岩石地区进行隧道施工时往往会遭遇诸多地质灾害，其中隧道进口高陡边坡危岩稳定性问题最为棘手。

近年来，高速公路穿越岩石高陡边坡引发的灾害事故屡见不鲜，如高速公路宝天段某隧道洞口上坡滑坡[1]、甘肃陇南西关公路南段山体崩塌[2]、宝成线某段石灰岩山体崩塌[3]等，事故后果均颇为严重。国内外研究人员经过理论学习和工程实践，对此类问题进行了不断的研究和探索，其成果主要涉及隧道出口岩质高边坡稳定性评价[4－5]、危岩体破坏模式[6－7]与防治措施[8－9]。由于变质岩受环境条件的影响较为敏感，尤其是组成岩石的矿化成分、节理裂隙、结构构造易受地表水、地下水和环境作用产生风化剥蚀、侵蚀和拉裂变形[10]，洞口在变质岩高边坡隧道施工中更易于出现危岩进而引发崩塌落石。汶马高速公路C7标段薛城1号隧道进口段为一炭质千枚岩高陡边坡，该处仰坡高陡，坡面侵蚀严重出现深沟暗槽，危岩体发育，直接威胁隧道及其附属结构的安全。本文结合工程地质调研方法和无人机数码摄影辅助技术，确定公路路线构成危害的主要潜在变形失稳区域及其潜在破坏模式，提出经济环保的防治措施同时对防治措施关键技术进行探讨，研究成果对炭质变质岩区高陡边坡危岩体发育分布特点及防治建议具有工程指导意义。

2 工程概况

2.1 隧道概况

汶(川)－马(尔康)高速公路薛城段1＃隧道进口仰坡高陡，平面范围为进口段两条冲沟夹持的基岩山梁，高程介于1 566～1 870 m附近，变形体厚度为垂直坡面20～50 m左右。岩体极破碎、片理极发育，部分片理面在近地表有一定的张开度。部分坡面边坡零星危岩，落石粒径一般小于200 mm，崩落最大距离至杂谷脑河河边附近，对拟建马尔康岸桥梁结构及隧道洞口构成直接威胁。

2.2 场地工程地质条件

研究区位于青藏高原东南侧边缘的侵蚀高山峡谷区。坡脚河谷高程约1 570 m，边坡区山脊高程1 760～2 000 m，山脊西侧为杂谷脑河次级沟谷，山脊东侧为凹沟。根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)[11]，场地地震动峰值加速度为0.15 g，场地对应地震基本烈度为Ⅶ度。

场地内地层主要为第四系全新统滑坡、泥石流和崩坡积层、河流侵蚀冲积层，以及古生界泥盆系危关群。其中，山脚地基为新生界第四系全新统崩坡积层，山体围岩主要为古生界泥盆系危关群。

2.3 边坡岩体结构

边坡岩性为炭质千枚岩，虽为重力变形体，但变形后岩体仍具有原岩的似层状结构特征。边坡岩体片理产状正常值为355°∠65°，边坡区隧道洞口上方及右侧片理产状为 350°∠30°、320°∠10°、40°∠68°，隧道进口危岩照片如图1所示。

3 边坡潜在失稳区特征及其稳定性分析

3.1 边坡潜在失稳区变形破坏特征

边坡除临近临空面部位，未见表观边坡整体变形的地表变形开裂迹象，但由于该边坡为变形岩体，加之岩性软弱，坡面受风化剥蚀、地表水冲蚀等因素影响，坡面形成多条沟槽，坡表岩体被切割成零散块状，地形极为凌乱。这些被沟槽切割岩体，形成地貌突出部位和临空部位，在非正常工况作用下极易失稳(如自重作用、暴雨作用和强震作用)，对隧道洞口及桥梁构成危害。采用无人机数码摄影辅助技术，根据边坡变形位置及特征、失稳破坏模式将边坡划分为8个潜在失稳风险区，如图2所示。

图2 边坡潜在失稳分区

各潜在失稳区特征分析见表1。

表1 边坡潜在失稳风险区划分

3.2 典型潜在失稳岩体稳定性分析计算

选取典型岩体(①号失稳区的拉裂变形岩体)进行稳定性分析。

已失稳区后壁，坡面产状:133°∠80°。

炭质千枚岩力学参数:饱和密度为2.71 g/cm3，考虑潜在失稳岩体位于地表，岩体受风化影响强度降低，天然状态取内摩擦角φ＝35°，粘聚力c＝250 kPa；降雨饱水状态下φ＝34°，c＝200 kPa。

潜在失稳岩体形态和范围根据现场调查及测量确定，后壁失稳区及剪切错断面角度根据右侧已失稳区确定，潜在失稳区图示见图3。该岩体后缘追踪结构面拉裂破环，前缘剪断岩体，参考岩质边坡滑移失稳破坏模式对该断面进行稳定性分析，计算公式见式(1)。

图3 拉裂岩体稳定性计算分析简图

式中，Q为考虑速度水头的裂隙水压力；P为地震力；W为岩体重力；c为粘聚力；φ为滑动面内摩擦角；β为滑移面倾角；L为滑移面计算长度；T为因动水压力作用产生的裂隙壁总拖曳力。

计算得到天然工况下，坡体稳定系数为1.89；降雨后缘裂隙充水一半时，稳定系数为1.24；降雨后缘裂隙充满水并形成坡面水流条件下，拉裂岩体稳定系数为0.57；地震作用下稳定系数为1.86。

可见降雨充水对拉裂岩体稳定性影响较大。同时，拉裂前提下方抗剪段岩体对整个岩体稳定起至关重要作用。而千枚岩易于风化，下方的抗剪段“关键块体”在风化以及上方岩体重力、裂隙水渗流作用下不断削弱，前缘抗力逐渐降低，其稳定系数会逐步降低，最终即便是重力和少量裂隙充水以及地震作用，也会导致岩体失稳。

4 防治措施及施工关键技术

4.1 防治措施建议

针对洞口及桥梁存在威胁范围的危岩进行工程处治。处治设计方案为:清危＋垫墩锚索＋垫墩锚杆＋挂网喷砼＋张口式导石网＋拦石墙，如图4所示。

图4 处治设计方案示意

对洞口以下坡面进行挂网喷砼，同时设置垫墩锚索和垫墩锚杆，锚杆与锚索交叉设置，水平间距4.0 m，垂直间距3.0 m，锚索长30 m，锚杆长15 m。

洞口以上至1 620 m高程坡面进行挂网喷砼，同时设置垫墩锚索和垫墩锚杆，洞顶以上9 m范围内全部采用垫墩锚杆，第一排锚杆长6 m，距离洞口高3 m，锚杆与锚索交叉设置，水平间距4.0 m，垂直间距3.0 m，锚索长30 m，锚杆长15 m。

1 620～1 660 m高程坡面进行挂网喷砼，同时设置垫墩锚索，水平间距4.0 m，垂直间距3.0 m，锚索长30 m，为6φ15.2 mm钢绞线。

1 660 m～坡顶(8区以下)坡面进行挂网喷砼，同时设置垫墩锚索，水平间距4.0 m，垂直间距3.0 m，锚索长40 m，为6φ15.2 mm钢绞线；垂直间距3.0 m，锚索长30 m，锚杆长15 m。

4.2 极破碎岩体高陡边坡全高度脚手架搭架技术

隧道进口段高边坡处治区高150 m，宽度约130～140 m，施工需要在处治区贴坡面全幅搭设施工脚手架。《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ 130—2011)[12]规定脚手架搭架高度需小于等于50 m，故本例属超常规搭架。通过专项研究建议施工工序为:

(1)利用坡体平台优势进行分段上下搭架。

(2)坡体平台至坡脚段采用双钢管立杆脚手架；上段采用单钢管立杆脚手架。以充分减轻架体重量。

(3)当坡度较陡但坡面平整时，高度每隔12 m增设1排减载提拉锚绳。

(4)为保证施工工期，采取下段78 m高范围内锚杆、锚索施工完毕后，拆除下段78 m内的脚手架后进行洞口工程施工，待洞口工程施工完毕后再从新搭设下段78 m、上段72 m脚手架进行剩余锚索、锚杆及喷射混凝土施工。

脚手架细部设计方案以A4-A4’断面为例，该高边坡搭架方案如图5所示。

图5 脚手架各类杆件关系示意

4.3 复杂地质条件长深垫墩锚索(杆)施工技术

垫墩锚索总长29 300 m，布设高度108 m，竖向最多36索，横向最多22索，单根锚索长度分30 m和40 m两种，采用6φ15.2 mm钢绞线制作，锚孔孔径150 mm，锚固段长度10 m。锚墩采用100 cm×100 cm×50 cm现浇C25钢筋砼，同标号砼封锚。

垫墩锚杆总长3 600 m，布设高度60 m，竖向最多10根，横向最多24根，单根锚杆长度15 m，采用φ32 mm钢筋制作，锚孔孔径110 mm。锚墩采用60 cm×60 cm×25 cm现浇C30钢筋砼，同标号砼封锚。相邻锚点间距竖向3 m、横向4 m。

具体预应力锚索施工工艺框图如图6所示。

图6 预应力锚索施工工艺框图

锚索按3级安全型压力分散型预应力锚索布置，要求岩土体与锚固体粘接强度特征值不低于450 kPa，各单元锚固段的钢绞线数量均为2束。锚索自由段采用安置定位器的结构形式，使钢绞线在锚孔中居中。钢绞线采用φ15.24 mm的高强度低松弛预应力钢绞线(抗拉强度标准值不低于1 860 MPa)制作，单根钢绞线套一根φ20 mm PE管，两端10～20 cm范围内注满黄油，外绕工程胶布封闭固定。钢绞线用OVM15-6型锚具锁定。

锚孔注浆，安装锚索体后24 h内进行注浆，锚孔注浆水灰比0.4～0.5 MPa，浆体强度不低于40 MPa。注浆采用孔底返浆法一次注浆，水泥砂浆压力灌注，锚杆注浆压力0.2～0.4 MPa。

垫墩施工前先预制锚喷钢筋网，钢筋网片宽度、高度各大于锚墩尺寸50 cm，压于锚墩下方，便于施工锚喷钢筋网时能连接成整体。

锚喷砼的检验按《公路工程质量检验评定标准》(JTG F80/2—2004)执行[13]。

4.4 松散坡面表层岩体挂网锚喷混凝土技术

挂网锚喷混凝土面积共为1.82万m2，钢筋网眼间距20 cm×20 cm，横纵每隔2 m加设加强筋(直径18 mm)，挂网固定锚杆长3 m，横纵间距3 m。混凝土喷射厚度为16 cm，并按间隔10～15 m设置伸缩缝。

具体施工工艺框图如图7所示。

图7 挂网锚喷砼施工工艺框图

网喷混凝土粗骨料最大粒径需小于等于12 mm；自上而下进行喷射，且喷头与受喷面距离宜控制在0.8～1.5 m范围内，射流方向垂直指向喷射面。喷射作业时，为了使钢筋背面喷填充实需要按段按面锚喷；并严格按照混凝土初凝时间(一般为2 h)和养护时间(一般为5～7 h)安排施工工序。

5 结论

本文以汶川至马尔康高速公路C7标段薛城1号隧道进口段炭质千枚岩高陡边坡为例，采用工程地质调查和无人机数码摄影辅助技术，对炭质千枚岩区高速公路隧道仰坡危岩失稳特征及处置措施关键技术开展了相关研究，主要成果为:

(1)隧道进口高边坡岩体为炭质千枚岩，属卸荷重力变形体，平面范围为进口段两条冲沟夹持的基岩山梁，片理极发育，部分片理面在近地表有一定的张开度，岩体极破碎。

(2)根据边坡变形位置及特征、失稳破坏模式将边坡划分为8个潜在失稳风险区。

(3)提出了全坡面联合多级差异加固的防治措施:清危＋垫墩锚索＋垫墩锚杆＋挂网喷砼＋张口式导石网＋拦石墙。并形成了极破碎岩体高陡边坡全高度脚手架搭架、复杂地质条件长深垫墩锚索(杆)施工、松散坡面表层岩体挂网锚喷混凝土等关键技术。