張 馳
(中鐵十四局集團第四工程有限公司 山東濟南 250002)
經過改革開放以來四十余年的發(fā)展,我國高速公路里程已穩(wěn)居世界第一,高速公路行業(yè)進入全面規(guī)范和高質量發(fā)展階段。然而,在西南地區(qū)修建高速公路時仍需穿越高山峽谷地帶,此時在山體開掘隧道就成為了必然。當在變質巖石地區(qū)進行隧道施工時往往會遭遇諸多地質災害,其中隧道進口高陡邊坡危巖穩(wěn)定性問題最為棘手。
近年來,高速公路穿越巖石高陡邊坡引發(fā)的災害事故屢見不鮮,如高速公路寶天段某隧道洞口上坡滑坡[1]、甘肅隴南西關公路南段山體崩塌[2]、寶成線某段石灰?guī)r山體崩塌[3]等,事故后果均頗為嚴重。國內外研究人員經過理論學習和工程實踐,對此類問題進行了不斷的研究和探索,其成果主要涉及隧道出口巖質高邊坡穩(wěn)定性評價[4-5]、危巖體破壞模式[6-7]與防治措施[8-9]。由于變質巖受環(huán)境條件的影響較為敏感,尤其是組成巖石的礦化成分、節(jié)理裂隙、結構構造易受地表水、地下水和環(huán)境作用產生風化剝蝕、侵蝕和拉裂變形[10],洞口在變質巖高邊坡隧道施工中更易于出現危巖進而引發(fā)崩塌落石。汶馬高速公路C7標段薛城1號隧道進口段為一炭質千枚巖高陡邊坡,該處仰坡高陡,坡面侵蝕嚴重出現深溝暗槽,危巖體發(fā)育,直接威脅隧道及其附屬結構的安全。本文結合工程地質調研方法和無人機數碼攝影輔助技術,確定公路路線構成危害的主要潛在變形失穩(wěn)區(qū)域及其潛在破壞模式,提出經濟環(huán)保的防治措施同時對防治措施關鍵技術進行探討,研究成果對炭質變質巖區(qū)高陡邊坡危巖體發(fā)育分布特點及防治建議具有工程指導意義。
汶(川)-馬(爾康)高速公路薛城段1#隧道進口仰坡高陡,平面范圍為進口段兩條沖溝夾持的基巖山梁,高程介于1 566~1 870 m附近,變形體厚度為垂直坡面20~50 m左右。巖體極破碎、片理極發(fā)育,部分片理面在近地表有一定的張開度。部分坡面邊坡零星危巖,落石粒徑一般小于200 mm,崩落最大距離至雜谷腦河河邊附近,對擬建馬爾康岸橋梁結構及隧道洞口構成直接威脅。
研究區(qū)位于青藏高原東南側邊緣的侵蝕高山峽谷區(qū)。坡腳河谷高程約1 570 m,邊坡區(qū)山脊高程1 760~2 000 m,山脊西側為雜谷腦河次級溝谷,山脊東側為凹溝。根據《中國地震動參數區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)[11],場地地震動峰值加速度為0.15 g,場地對應地震基本烈度為Ⅶ度。
場地內地層主要為第四系全新統滑坡、泥石流和崩坡積層、河流侵蝕沖積層,以及古生界泥盆系危關群。其中,山腳地基為新生界第四系全新統崩坡積層,山體圍巖主要為古生界泥盆系危關群。
邊坡巖性為炭質千枚巖,雖為重力變形體,但變形后巖體仍具有原巖的似層狀結構特征。邊坡巖體片理產狀正常值為355°∠65°,邊坡區(qū)隧道洞口上方及右側片理產狀為 350°∠30°、320°∠10°、40°∠68°,隧道進口危巖照片如圖1所示。
邊坡除臨近臨空面部位,未見表觀邊坡整體變形的地表變形開裂跡象,但由于該邊坡為變形巖體,加之巖性軟弱,坡面受風化剝蝕、地表水沖蝕等因素影響,坡面形成多條溝槽,坡表巖體被切割成零散塊狀,地形極為凌亂。這些被溝槽切割巖體,形成地貌突出部位和臨空部位,在非正常工況作用下極易失穩(wěn)(如自重作用、暴雨作用和強震作用),對隧道洞口及橋梁構成危害。采用無人機數碼攝影輔助技術,根據邊坡變形位置及特征、失穩(wěn)破壞模式將邊坡劃分為8個潛在失穩(wěn)風險區(qū),如圖2所示。
圖2 邊坡潛在失穩(wěn)分區(qū)
各潛在失穩(wěn)區(qū)特征分析見表1。
表1 邊坡潛在失穩(wěn)風險區(qū)劃分
選取典型巖體(①號失穩(wěn)區(qū)的拉裂變形巖體)進行穩(wěn)定性分析。
已失穩(wěn)區(qū)后壁,坡面產狀:133°∠80°。
炭質千枚巖力學參數:飽和密度為2.71 g/cm3,考慮潛在失穩(wěn)巖體位于地表,巖體受風化影響強度降低,天然狀態(tài)取內摩擦角φ=35°,粘聚力c=250 kPa;降雨飽水狀態(tài)下φ=34°,c=200 kPa。
潛在失穩(wěn)巖體形態(tài)和范圍根據現場調查及測量確定,后壁失穩(wěn)區(qū)及剪切錯斷面角度根據右側已失穩(wěn)區(qū)確定,潛在失穩(wěn)區(qū)圖示見圖3。該巖體后緣追蹤結構面拉裂破環(huán),前緣剪斷巖體,參考巖質邊坡滑移失穩(wěn)破壞模式對該斷面進行穩(wěn)定性分析,計算公式見式(1)。
圖3 拉裂巖體穩(wěn)定性計算分析簡圖
式中,Q為考慮速度水頭的裂隙水壓力;P為地震力;W為巖體重力;c為粘聚力;φ為滑動面內摩擦角;β為滑移面傾角;L為滑移面計算長度;T為因動水壓力作用產生的裂隙壁總拖曳力。
計算得到天然工況下,坡體穩(wěn)定系數為1.89;降雨后緣裂隙充水一半時,穩(wěn)定系數為1.24;降雨后緣裂隙充滿水并形成坡面水流條件下,拉裂巖體穩(wěn)定系數為0.57;地震作用下穩(wěn)定系數為1.86。
可見降雨充水對拉裂巖體穩(wěn)定性影響較大。同時,拉裂前提下方抗剪段巖體對整個巖體穩(wěn)定起至關重要作用。而千枚巖易于風化,下方的抗剪段“關鍵塊體”在風化以及上方巖體重力、裂隙水滲流作用下不斷削弱,前緣抗力逐漸降低,其穩(wěn)定系數會逐步降低,最終即便是重力和少量裂隙充水以及地震作用,也會導致巖體失穩(wěn)。
針對洞口及橋梁存在威脅范圍的危巖進行工程處治。處治設計方案為:清危+墊墩錨索+墊墩錨桿+掛網噴砼+張口式導石網+攔石墻,如圖4所示。
圖4 處治設計方案示意
對洞口以下坡面進行掛網噴砼,同時設置墊墩錨索和墊墩錨桿,錨桿與錨索交叉設置,水平間距4.0 m,垂直間距3.0 m,錨索長30 m,錨桿長15 m。
洞口以上至1 620 m高程坡面進行掛網噴砼,同時設置墊墩錨索和墊墩錨桿,洞頂以上9 m范圍內全部采用墊墩錨桿,第一排錨桿長6 m,距離洞口高3 m,錨桿與錨索交叉設置,水平間距4.0 m,垂直間距3.0 m,錨索長30 m,錨桿長15 m。
1 620~1 660 m高程坡面進行掛網噴砼,同時設置墊墩錨索,水平間距4.0 m,垂直間距3.0 m,錨索長30 m,為6φ15.2 mm鋼絞線。
1 660 m~坡頂(8區(qū)以下)坡面進行掛網噴砼,同時設置墊墩錨索,水平間距4.0 m,垂直間距3.0 m,錨索長40 m,為6φ15.2 mm鋼絞線;垂直間距3.0 m,錨索長30 m,錨桿長15 m。
隧道進口段高邊坡處治區(qū)高150 m,寬度約130~140 m,施工需要在處治區(qū)貼坡面全幅搭設施工腳手架。《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規(guī)范》(JGJ 130—2011)[12]規(guī)定腳手架搭架高度需小于等于50 m,故本例屬超常規(guī)搭架。通過專項研究建議施工工序為:
(1)利用坡體平臺優(yōu)勢進行分段上下搭架。
(2)坡體平臺至坡腳段采用雙鋼管立桿腳手架;上段采用單鋼管立桿腳手架。以充分減輕架體重量。
(3)當坡度較陡但坡面平整時,高度每隔12 m增設1排減載提拉錨繩。
(4)為保證施工工期,采取下段78 m高范圍內錨桿、錨索施工完畢后,拆除下段78 m內的腳手架后進行洞口工程施工,待洞口工程施工完畢后再從新搭設下段78 m、上段72 m腳手架進行剩余錨索、錨桿及噴射混凝土施工。
腳手架細部設計方案以A4-A4’斷面為例,該高邊坡搭架方案如圖5所示。
圖5 腳手架各類桿件關系示意
墊墩錨索總長29 300 m,布設高度108 m,豎向最多36索,橫向最多22索,單根錨索長度分30 m和40 m兩種,采用6φ15.2 mm鋼絞線制作,錨孔孔徑150 mm,錨固段長度10 m。錨墩采用100 cm×100 cm×50 cm現澆C25鋼筋砼,同標號砼封錨。
墊墩錨桿總長3 600 m,布設高度60 m,豎向最多10根,橫向最多24根,單根錨桿長度15 m,采用φ32 mm鋼筋制作,錨孔孔徑110 mm。錨墩采用60 cm×60 cm×25 cm現澆C30鋼筋砼,同標號砼封錨。相鄰錨點間距豎向3 m、橫向4 m。
具體預應力錨索施工工藝框圖如圖6所示。
圖6 預應力錨索施工工藝框圖
錨索按3級安全型壓力分散型預應力錨索布置,要求巖土體與錨固體粘接強度特征值不低于450 kPa,各單元錨固段的鋼絞線數量均為2束。錨索自由段采用安置定位器的結構形式,使鋼絞線在錨孔中居中。鋼絞線采用φ15.24 mm的高強度低松弛預應力鋼絞線(抗拉強度標準值不低于1 860 MPa)制作,單根鋼絞線套一根φ20 mm PE管,兩端10~20 cm范圍內注滿黃油,外繞工程膠布封閉固定。鋼絞線用OVM15-6型錨具鎖定。
錨孔注漿,安裝錨索體后24 h內進行注漿,錨孔注漿水灰比0.4~0.5 MPa,漿體強度不低于40 MPa。注漿采用孔底返漿法一次注漿,水泥砂漿壓力灌注,錨桿注漿壓力0.2~0.4 MPa。
墊墩施工前先預制錨噴鋼筋網,鋼筋網片寬度、高度各大于錨墩尺寸50 cm,壓于錨墩下方,便于施工錨噴鋼筋網時能連接成整體。
錨噴砼的檢驗按《公路工程質量檢驗評定標準》(JTG F80/2—2004)執(zhí)行[13]。
掛網錨噴混凝土面積共為1.82萬m2,鋼筋網眼間距20 cm×20 cm,橫縱每隔2 m加設加強筋(直徑18 mm),掛網固定錨桿長3 m,橫縱間距3 m?;炷羾娚浜穸葹?6 cm,并按間隔10~15 m設置伸縮縫。
具體施工工藝框圖如圖7所示。
圖7 掛網錨噴砼施工工藝框圖
網噴混凝土粗骨料最大粒徑需小于等于12 mm;自上而下進行噴射,且噴頭與受噴面距離宜控制在0.8~1.5 m范圍內,射流方向垂直指向噴射面。噴射作業(yè)時,為了使鋼筋背面噴填充實需要按段按面錨噴;并嚴格按照混凝土初凝時間(一般為2 h)和養(yǎng)護時間(一般為5~7 h)安排施工工序。
本文以汶川至馬爾康高速公路C7標段薛城1號隧道進口段炭質千枚巖高陡邊坡為例,采用工程地質調查和無人機數碼攝影輔助技術,對炭質千枚巖區(qū)高速公路隧道仰坡危巖失穩(wěn)特征及處置措施關鍵技術開展了相關研究,主要成果為:
(1)隧道進口高邊坡巖體為炭質千枚巖,屬卸荷重力變形體,平面范圍為進口段兩條沖溝夾持的基巖山梁,片理極發(fā)育,部分片理面在近地表有一定的張開度,巖體極破碎。
(2)根據邊坡變形位置及特征、失穩(wěn)破壞模式將邊坡劃分為8個潛在失穩(wěn)風險區(qū)。
(3)提出了全坡面聯合多級差異加固的防治措施:清危+墊墩錨索+墊墩錨桿+掛網噴砼+張口式導石網+攔石墻。并形成了極破碎巖體高陡邊坡全高度腳手架搭架、復雜地質條件長深墊墩錨索(桿)施工、松散坡面表層巖體掛網錨噴混凝土等關鍵技術。