某浅埋偏压铁路隧道变形综合治理及监测研究

崔俊杰,王 凯,雷 星,杜文山

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

引言

目前，浅埋偏压隧道及其所在山体边坡变形超限乃至失稳问题较突出，对其变形与稳定性研究逐渐引起重视。罗兴华等[1]通过现场监测和理论计算安全系数的方法，探明了边坡变形特征及其原因，并提出了减载+锚索抗滑桩+既有衬砌加固+加强排水的综合整治措施；杨文辉[2]分析了南昆铁路柏子村1号隧道病害特征，将病害原因划分为内因与外因，并提出了主滑方向研判方法；张永康等[3]分析了某通过老滑坡体的铁路隧道变形原因，并研究了上挡下托式支挡对隧道应力的影响；马惠民[4]构建了隧道滑坡理论分析框架，分析了不同隧道滑坡体系变形特征及其机理，并提出了防治原则与治理措施；谢正团等[5]通过现场调研与数值模拟，分析了宝兰客专洪亮营隧道滑坡成因和变形机制；弭坤等[6]通过有限元法对上砭隧道滑坡治理工程中预应力锚索抗滑桩和普通抗滑桩联合作用时，抗滑桩应力分布和水平位移的变化规律进行了分析；晏启祥等[7]采用有限差分法，对被隧道穿过的滑坡体及隧道二衬变形与应力进行了分析，明确了隧道与滑坡体相互作用机理，并对锚索结合抗滑桩治理滑坡的效果进行了评价。此外，相关研究[8-11]针对抗滑桩在隧道施工运营过程中病害整治的有效性进行了系统性分析。对于治理隧道变形病害，专家[12-15]提出了抗滑桩+锚索抗滑桩+加强支护等综合治理措施。此外，也有学者[16-20]系统研究了隧道病害发生和发展的主要原因，认为直接原因为隧道或地表变形，根本原因可归纳为建设技术标准低、地层岩性软弱、地质构造复杂、降水丰沛、地下水及人类活动活跃等多因素的共同作用。病害识别方面，蒲炳荣[21]针对隧道衬砌病害识别，提出了分岔裂缝特征提取算法，预警衬砌剥落掉块。

针对广西某铁路隧道及其所在山体边坡的变形特征与原因、综合治理措施、监测结果与综合加固措施，对坡体和隧道的效果及其稳定性影响进行分析，为类似工程分析与治理提供参考和借鉴。

1 隧道工程概况

该隧道位于广西藤县，处于直线段，全长175 m。隧道内纵坡为单面下坡，坡度为2.958‰。隧道所在山体地层分布纵断面如图1所示。

图1 隧道所在地层纵断面

隧道进出口地表为残坡积黏土，下伏寒武系砂岩、燕山期花岗岩，为全～强风化，呈砂土状及破碎状，围岩稳定性差，为Ⅴ级围岩。全隧暗洞衬砌采用VC偏压型复合式衬砌。隧道拱顶埋深0.5～17 m，外侧拱肩覆盖土厚0.5～13.3 m，浅埋偏压现象严重。为保证隧道进洞安全，减少开挖刷坡高度，隧道进出口设计为单压耳墙式明洞，接半明半暗衬砌。明洞断面设计如图2所示。

图2 浅埋偏压明洞断面(单位：m)

2 隧道变形特征与原因

2.1 山体边坡变形

2010年2月，隧道自进口端里程D2K235+752处开始暗洞掘进，上导坑进尺7 m时，因隧道偏压地表出现纵向开裂，地表变形较大。

施工结束后，2011年11月，现场勘查发现边坡地表存在弧形裂缝，裂缝距隧道中线右侧最远处为63 m，长约80 m，宽度最大约0.2 m，现场测量的裂缝深度约5.5 m，如图3所示。

图3 地表裂缝测量

2.2 隧道内部变形

2011年9月～12月，已施工完成的隧道内水沟电缆槽侧壁、仰拱和拱顶等多处位置出现裂缝。其中，拱部衬砌纵向裂缝最大长度为23 m(位于D2K235+885～D2K235+908)，宽度最大值为0.71 mm；仰拱最大裂缝发生在D2K235+829处，呈环向展布，长约2 m，宽度最大值为3.6 mm。

2.3 后期变形发展

2012年9月，已修复完成的隧道内裂缝再次出现细微裂纹，10月进口洞门端墙、出口明洞仰拱填充表面及隧道洞外地表等部位也出现较为明显的裂缝。如图4所示。

图4 隧道地表裂缝

2016年9月，新增隧道进口左侧挡墙开裂，洞顶骨架护坡开裂下挫变形。

针对上述不同时间点出现的隧道及其边坡变形，均及时分析了其原因，并提出了相应加固整治措施。

2.4 变形原因分析

基于隧址区地层条件、气候条件、施工情况及变形特征，分析变形产生的原因如下。

(1)地层岩性

隧道明洞段通过丘陵斜坡中下部，隧道所在边坡表层为第四系残坡积(Q4el+pl)硬塑状粉质黏土，厚1.6～2.2 m，隧道洞身主要穿越花岗岩和砂岩全风化层(呈粉质黏土、黏土状)，该地层稳定性差。隧道仰拱下有约20 cm厚虚砟，质地松散，强度较低，为软弱夹层。

(2)坡体结构

隧址区自然边坡陡峭，隧道呈浅埋偏压状态，如图5所示。施工期间在隧道边坡坡脚处进行了施工便道开挖，造成坡脚地层卸载，形成临空面，引起应力释放，局部发生变形开裂。

图5 隧道穿越区域地形(单位：m)

(3)降雨与地下水

隧道进口明洞施工期间，遇持续降雨，雨量大、频率高，使得地表水很难以地表径流的方式完全排泄，滑体岩土含水量在很短时间内升高，岩土体重度增大、抗剪强度降低、抗滑力减弱。同时，地表水下渗及地下水位活动软化了滑带土，使滑带土强度急剧降低，引发坡体滑动。降雨是滑坡发展的诱因。

(4)施工扰动

边坡临时开挖易软化坍塌，造成坡体应力松弛，牵引右侧山体蠕滑变形。此外，较大的临空面削弱了滑坡抗滑力，在明洞施工后虽进行了回填，但在长期降雨及地下水作用下坡体逐渐下滑，人工填土及隧道无法承担较大的坡体下滑力，导致隧道左侧边墙受挤压变形。施工扰动是滑坡形成的外部因素。

3 整治措施

从施工至运营初期，隧道与山体边坡多次出现变形问题，基于上述变形原因分析，及时采取了边坡反压卸载、锚索桩加固和注浆加强等综合治理措施。

3.1 边坡反压卸载

针对隧道所在坡体结构呈现明显的浅埋偏压状态问题，经过理论分析与方案比选，确定对山体采取减载反压，于D2K235+770～+890段，在高程73.6～73.4 m处设置卸荷、反压平台，具体方案如下。

(1)隧道右侧进行挖方减载，洞顶设置卸荷平台，共设置6级边坡，边坡坡率1∶1.5～1∶1.75，总高51.45 m，如图6所示。其中，1～4级边坡均采用框架锚杆内客土草灌结合防护，锚杆长12 m，倾角15°，其余边坡采用M7.5浆砌片石截水骨架内客土植草种灌木防护。堑顶外5 m处设置排水天沟，每级边坡平台及卸荷平台均设置M7.5浆砌片石截水沟。

(2)隧道左侧坡脚位置进行填方反压处理，共设置4级边坡，其边坡坡率均为1∶1.75，总高41.75 m，如图6所示。边坡平台均设置M7.5浆砌片石截水沟，其中，1～3级边坡采用骨架护坡防护，其余边坡采用M7.5浆砌片石护坡防护。基底及边坡平台处设置3层贯通双向土工格栅，层间距0.6 m。

图6 山体卸载反压边坡横断面(单位：m)

3.2 锚索桩加固

针对地层岩性特点，为防止隧道横向滑移变形进一步扩大，对该隧址区进行了地质补勘工作，未发现隧底虚砟以外的软弱夹层，且不存在古滑坡，通过方案比选最终于隧道进出口设置锚索桩进行加固处理。

(1)锚索抗滑桩于隧道进出口明暗分界处设置，桩身位于隧道右侧，进口端、出口端桩长分别为37，33 m，截面均为3.0 m×3.5 m，分别设置4根，共计8根。桩身采用C30钢筋混凝土现场浇筑，桩上设单支点单孔锚索，位置为桩顶以下2 m处，由7根φ15.24 mm钢绞线组成，锚索长32～45 m，倾角20°，锚固段长10 m，锚孔φ150 mm。如图7所示。

图7 隧道进口段锚索桩(单位：m)

(2)进口明洞段右侧设置锚索桩，桩长37 m，截面2.5 m×2.5 m，共4根。桩身采用C30钢筋混凝土现场浇筑，桩背平台采用M7.5浆砌片石回填。桩上设双支点单孔锚索，桩顶以下1.5 m处设1孔(上支点)，桩顶以下3.5 m处设1孔(下支点)，上支点锚索长45.0 m，倾角25°，下支点锚索长40 m，倾角30°，锚固段长10 m，锚孔φ150 mm，单孔预张拉力350 kN，锚索由7根φ15.24 mm钢绞线组成。锚索桩内均设置PVC深层测斜孔1根，测斜管管径70 mm，管口高出桩顶0.5 m，管底同桩底，如图8所示。

图8 隧道进口锚索桩设计(单位：m)

3.3 隧道洞身及回填土加固

针对降雨与地下水对地层强度的不利影响，参考上述隧道衬砌裂缝宽度、长度、位置，采用环氧砂浆封闭法、钻孔灌浆法及埋管灌浆法等方式对裂缝进行针对性处理。

对D2K235+733～D2K235+777明洞段洞顶回填土采用地表注浆加固，提高其自稳性，减少侧向压力的产生。

4 坡体与隧道监测

从2017年综合加固措施完成开始，直至2020年8月，对隧道与山体边坡进行了持续的现场监测，以科学评价分析综合加固措施对坡体支挡效果及其稳定状态。

4.1 监测方案

本次监测内容共包含3个方面，分别为：隧道所在山体卸载反压边坡地表横向水平位移、深层横向水平位移、隧道CPⅢ变形，并进行了锚索桩桩体超声检测。其监测位置如图9所示。其中，地表变形监测覆盖整个卸载反压边坡，编号从1-1～11-1；深部地层变形监测孔分别位于进口段右侧4根锚索桩内及出口明暗洞交界处右侧天然地层内，共计6个测斜孔位，编号1～6；CPⅢ变形监测点位于隧道内，每间隔60 m于对侧拱墙位置布设1对监测点，共计布设4对，共计8个监测点；锚索桩桩身超声检测选取了位于隧道进口明洞段右侧的4根锚索桩，通过4个预留声测管进行混凝土灌注质量检测。

图9 变形监测测点布设平面示意

4.2 结果分析

(1)地表横向水平位移

隧道右侧卸载边坡平台、隧道上方平台与隧道左侧反压边坡平台、隧道进出口锚索桩横向水平位移时程曲线分别如图10～图12所示。

由图10可知，隧道右侧卸载边坡平台横向水平位移波动范围为-2.2～3.2 mm，无增加趋势，已趋稳定。

由图11可知，隧顶上方平台横向水平位移波动范围为-1.9～4.5 mm，且近两年其变形具有明显收敛趋势。隧道左侧反压边坡平台横向水平位移在2017年4月～2018年8月期间处于小幅波动范围，波动区间为-2.2～2.3 mm；此后至2018年12月，位移处于增加状态，最大值为8.2 mm，然后逐渐减小并趋于收敛，截止2020年5月监测结果显示其变形稳定在4.7 mm。

图11 隧顶上方平台与反压边坡平台横向位移时程曲线

由图12可知，隧道进口明洞段右侧锚索桩桩顶横向水平位移波动范围为-2.0～3.9 mm，无增加趋势；隧道出口段右侧锚索桩桩顶横向水平位移同样处于小幅波动状态，其波动范围为-2.7～3.2 mm，无增加趋势。说明加固措施有效控制了隧道与山体的横向水平位移。

图12 锚索桩桩顶横向水平位移时程曲线

(2)深部横向水平位移

对隧道上方平台天然地层进行深部测斜，分析不同深度地层横向水平位移随时间变化关系可以发现，位移波动幅值为16.8 mm(历史变形最大值)，且最新偏移量介于历史位移最大值与最小值之间，说明该位置处横向水平位移已趋于稳定，左右波动现象是由测量操作误差引起。

此外，针对隧道进口段右侧的4根锚索桩进行了深部横向水平位移监测，根据监测结果分析可知，隧道进口明洞段右侧4根锚索桩内不同深度横向水平位移曲线随时间先增加，然后小幅波动，趋于稳定状态。最大横向水平位移均出现在隧道仰拱下方，且在土石分界线之下，具体分别出现在桩顶以下27.5，28.5，29.5，34.0 m位置处。

图13为锚索桩最大横向水平位移时程曲线。

图13 锚索桩最大横向水平位移时程曲线

由图13可知，隧道进口段4根锚索桩的最大变形规律可划分为3个阶段，分别为：位移缓慢增加区间、快速增加区间和收敛区间，趋势位移曲线可精确表征该规律。其中，桩体最大横向位移出现在极速增加区间结束时，但其沿竖向最大挠跨比仅为1.47‰。该现象可解释为：地层推力作用下，锚索桩被动受力，由于桩体上部锚固作用，其位移被约束，因此，下部发生较小程度的弹性横向水平变形，以产生抵抗力，从而与地层下滑力构成平衡状态，保证隧道所在山体的稳定。

(3)隧道收敛变形

通过CPⅢ测量隧道边墙的相对变形，两侧拱墙净空收敛曲线与高差变化曲线如图14所示。

图14 隧道拱墙相对位移曲线

由图14可知，隧道进口段径向扩张位移为7.2 mm，出口段径向扩张位移为3.9 mm，隧道中部径向扩张位移小于1.2 mm。此外，隧道各位置处径向高差均较小，介于-1.1～1.2 mm之间。由此可以判定隧道本身已处于稳定状态。

4.3 桩体质量分析

通过声波透射法对锚索桩桩体质量进行探测与分析，所选用声测管内径42 mm，外径48 mm，4枚声测管可形成6个声测剖面，如图15所示，分别为剖面1-2、1-3、1-4、2-3、2-4与3-4。

图15 桩身声测管布置与声测断面示意

分析现场超声检测结果可知，4根锚索桩主要缺陷范围为距离桩顶28.3～36.5 m处，尤其在桩深30.7～33.7 m位置处存在明显异常。

上述结果与锚索桩内深部测斜结果进行比对可发现，变形特征与声测异常位置具有较好的吻合性，即声测结果异常部位附近均发生了较大程度的横向水平变形，其原因可归纳为灌桩之前孔底有水或灌桩时振捣不及时，导致局部混凝土离析，造成锚索桩局部抗弯刚度较小，从而在地层推力作用下发生的相对变形较其他位置稍大，以提供足够的抗滑力。

5 结论

通过对病害隧道设计、施工、地质条件及变形特征进行分析，明确了变形产生的主要原因，提出了综合整治方案，并全程进行现场监测，科学评价分析了综合加固措施对坡体和隧道的加固效果及其稳定性，主要结论如下。

(1)隧道变形特征主要为隧道拱部衬砌、电缆槽侧壁发生纵向裂缝，仰拱出现环向裂缝，个别贯穿隧底，最大宽度达3.6 mm；地表变形较大，局部产生纵向裂缝或弧形裂缝，最大宽度、深度分别达0.2，5.5 m，且隧道拱部随时间继续出现细微裂缝，局部仰拱填充与洞外地表随时间也相继出现裂缝。

(2)隧道边坡变形主要原因可归纳为隧道仰拱下存在虚砟软弱夹层；山体边坡陡峭，隧道浅埋偏压显著；持续降雨强度大，地表水下渗，导致隧底软弱夹层强度降低；隧道和边坡坡脚临空开挖，引起应力释放，造成地层稳定性差。

(3)提出的边坡卸载反压、洞口抗滑锚索桩、注浆增强等综合加固处理措施有效控制了变形发展。加固后，隧道卸载区、隧顶区和反压区横向水平位移呈小幅波动状态，幅值小于4.7 mm，隧道未发生明显偏移，声测结果异常部位附近发生挠跨比为1.45‰的横向水平变形，但并未持续增加，有效抵抗地层下滑力，隧道与山体已趋于稳定状态，治理效果良好。