李國(guó)梁,胡偉鋒,劉 佳,李思翰,葉 飛,*,楊 永

(1.中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司,北京 100011; 2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院,陜西 西安 710064)

0 引言

我國(guó)西南地區(qū)巖溶地層分布面積較廣,由于巖溶隧道圍巖周圍溶腔的隱蔽性,隧道施工發(fā)生坍塌、落石、掉塊危害的風(fēng)險(xiǎn)很大[1-3]。在隧道洞口段開(kāi)挖過(guò)程中未揭露出的隱藏溶腔,若未能事前采取有效措施,在進(jìn)洞過(guò)程中則容易引起邊仰坡失穩(wěn)和洞內(nèi)坍塌問(wèn)題,嚴(yán)重威脅施工安全。

宋戰(zhàn)平等[4-5]研究了頂部既有溶腔對(duì)隧道位移和應(yīng)力的影響,得出距離隧道一定范圍內(nèi)的溶洞將增加隧道位移和拱頂拉應(yīng)力值,邊墻應(yīng)力集中程度有所降低;田榮生等[6]采用MIDAS GTS/NX軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析,得出上覆溶洞水對(duì)隧道拱圈應(yīng)力的影響不大,但對(duì)隧道變形影響較為顯著;陳秀雯等[7]對(duì)巖溶富水隧道坍塌機(jī)制開(kāi)展數(shù)值分析,得出圍巖塑性區(qū)出現(xiàn)在上下臺(tái)階掌子面,上臺(tái)階腳隅處應(yīng)力值最大是疲勞裂縫開(kāi)展的主要誘因,初期支護(hù)應(yīng)加強(qiáng)上、中臺(tái)階連接,防治溜塌;周曉松等[8]以云南玉磨鐵路巴羅鐵路二號(hào)隧道為例,研究富水巖溶區(qū)充填型溶腔隧道圍巖力學(xué)特性,提出采用超前管棚和注漿的措施對(duì)充填溶腔進(jìn)行加固,可以避免塑性區(qū)聯(lián)通,有效控制圍巖變形;張成平等[9-10]基于高富水巖溶區(qū)圓梁山隧道面臨的涌突水、圍巖穩(wěn)定和高水壓等技術(shù)難題,提出了復(fù)合注漿加固圈措施,對(duì)穩(wěn)定工作面、堵水、降低襯砌外水壓有借鑒意義;馮國(guó)森[11]采用“洞砟回填+上部注漿”的方法,成功處治了黔張常鐵路高山隧道揭露的巨型溶洞;趙少忠等[12]分析了溶洞的發(fā)育特征,通過(guò)案例探討了針對(duì)不同位置溶洞的處置技術(shù);方智淳等[13]設(shè)計(jì)了管棚+小導(dǎo)管注漿方案,對(duì)控制串珠型溶洞下隧道變形有良好的加固效果;師海等[14]提出非線性-尖點(diǎn)突變模型,合理描述了隧道與不同空間狀態(tài)下隱伏溶腔的安全距離。目前針對(duì)巖溶分布類型引起的隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化以及各種巖溶災(zāi)害的處治措施開(kāi)展了大量研究[15-20],然而對(duì)于巖溶區(qū)隧道仰坡穩(wěn)定性問(wèn)題,以及上覆充填型溶腔對(duì)隧道進(jìn)洞施工的影響缺少針對(duì)性研究。

本文依托宜賓巡場(chǎng)至玉和公路下壩隧道工程實(shí)際,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和數(shù)值分析,針對(duì)充填型巖溶區(qū)隧道仰坡滑塌機(jī)制開(kāi)展研究,繼而提出穩(wěn)定性控制措施,以期為類似工程提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

下壩隧道起止里程為K12+825～K13+670,全長(zhǎng)845 m。隧道斷面尺寸為8.26 m(凈高)×10.6 m(凈寬),凈空面積為101.13 m2。隧址區(qū)海拔高程為403～776 m,相對(duì)高差為373 m,屬溶蝕剝蝕低中山地貌,地形起伏較大,出口端依次與路基(長(zhǎng)度為71 m)、橋梁連接。隧道出口段坡面下緩上陡,自然坡度下部為30°～40°,上部為50°～60°,地形起伏較大。洞口左側(cè)為大面積裸露基巖,坡面陡峭近乎直立,右側(cè)為溝谷,覆蓋層厚度不均。根據(jù)鉆孔及現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖揭示的隧道出口段(仰坡)地質(zhì)情況見(jiàn)表1。表層為粉質(zhì)黏土,厚度為1～2 m;下伏為灰?guī)r區(qū),溶蝕發(fā)育,存在溶蝕溝槽及石牙溶洞,溶腔內(nèi)為碎石土填充;地表覆蓋層的孔隙度大,垂直滲透性強(qiáng),雨季降水下滲到覆蓋層及下伏基巖節(jié)理裂隙中,迅速轉(zhuǎn)化為地下水。

表1 仰坡地質(zhì)情況

隧道采用超前大管棚和環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法進(jìn)洞,洞內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1,詳細(xì)支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表2。洞口仰坡面采用傳統(tǒng)掛網(wǎng)錨噴進(jìn)行防護(hù),坡高9.0 m,坡率1∶0.5,為一級(jí)坡。

(a) 襯砌橫斷面

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 隧道洞口段失穩(wěn)過(guò)程

隧道出口段在施工過(guò)程中發(fā)生了2次洞內(nèi)坍塌,如圖2所示。第1次位于隧道出口K13+653處,坍塌量約為200 m3;第2次位于隧道出口K13+652處,坍塌量約為20 m3,坍塌體均為土夾石,土體含水量較大且松散。隧道掌子面頂部和右側(cè)拱腳圍巖為土夾石,其他部位為節(jié)理發(fā)育的強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r,第2次坍塌時(shí)開(kāi)挖面有水侵入,且2次坍塌過(guò)程均伴有連續(xù)降雨。

(a) 第1次 (b) 第2次

隧道洞內(nèi)發(fā)生第1次坍塌時(shí),洞頂仰坡開(kāi)始出現(xiàn)裂縫,裂縫寬度約為1.5 cm、長(zhǎng)度約為3 m;第2次洞內(nèi)坍塌時(shí),仰坡下陷處增大,裂縫進(jìn)一步發(fā)展,進(jìn)而發(fā)展成為仰坡滑塌,仰坡整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài),坡面病害治理迫在眉睫。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,分析失穩(wěn)原因?yàn)?1)隧道洞口段存在溶蝕凹腔,腔內(nèi)填充碎石土,滲透性大,隨著連續(xù)降水不斷下滲,溶腔體飽水面積比不斷增大,孔隙水壓力增加,下滑力也隨之增大;2)隧道進(jìn)洞施工擾動(dòng)降低了仰坡體穩(wěn)定性,上覆土與基巖之間的接觸力不斷減小,導(dǎo)致仰坡出現(xiàn)多次滑塌,如圖3所示。

(a) (b) (c)

2 仰坡滑塌機(jī)制

為了進(jìn)一步探究隧道出口段仰坡體滑塌原因,沿坡體滑動(dòng)方向建立二維數(shù)值計(jì)算模型,對(duì)仰坡體內(nèi)部裂縫開(kāi)展情況以及圍巖變形進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.1 二維數(shù)值計(jì)算模型的建立

利用Gmsh建立二維數(shù)值計(jì)算模型(見(jiàn)圖4),采用MultiFracS多物理場(chǎng)斷裂分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。模型長(zhǎng)度為50 m,高度為85 m,洞口仰坡選擇最不利坡度50°～60°,溶腔寬度為5 m,溶腔下部貫穿隧道洞內(nèi),約隧道開(kāi)挖高度的一半。網(wǎng)格劃分采用三角形平面應(yīng)變單元,網(wǎng)格之間插入0厚度的節(jié)理單元,用于模擬土體的斷裂。模型兩側(cè)和底部施加法相約束,均為固定邊界,上部為自然地表。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型(單位:m)

模擬地層按隧道實(shí)際穿越地層選取,表層為土層覆蓋,下部為灰?guī)r。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況,隧道洞頂仰坡下陷發(fā)生在洞內(nèi)坍塌位置的正上方,距離隧道出口20 m附近,洞內(nèi)塌腔涌出的土夾石與仰坡體內(nèi)的碎石土類似。由此判斷在隧道出口段K13+650附近存在充填型溶腔,溶腔貫通隧道掌子面及上方,內(nèi)部充填松散碎石土。依據(jù)隧道詳勘報(bào)告及隧道仰坡處鉆孔試驗(yàn),同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)并以實(shí)際的滑動(dòng)位置進(jìn)行反演,得到碎石土參數(shù)及地層主要物理力學(xué)指標(biāo),見(jiàn)表3。為了分析含水率和掘進(jìn)距離對(duì)仰坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律,對(duì)模型進(jìn)行地應(yīng)力平衡后采用全斷面開(kāi)挖,確定開(kāi)挖進(jìn)尺為1.5 m,循環(huán)18次結(jié)束并選取讀數(shù)。

表3 各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)

2.2 結(jié)果分析

通過(guò)數(shù)值模擬,得到不同含水率影響下隧道仰坡體裂縫發(fā)展和位移變化情況,計(jì)算結(jié)果如圖5所示。由圖可知:隨著含水率增加,仰坡體表層及隧道圍巖內(nèi)部裂縫不斷發(fā)展,其中溶腔區(qū)周圍裂縫受含水率變化的影響最為顯著。以“掘進(jìn)距離18 m”為例(見(jiàn)圖5(b)),當(dāng)含水率增加至15%時(shí),溶腔區(qū)左側(cè)邊界產(chǎn)生微裂隙,地表發(fā)生向下滑動(dòng);當(dāng)含水率增加到20%時(shí),溶腔區(qū)裂縫進(jìn)一步發(fā)展,且局部出現(xiàn)張拉開(kāi)裂,地表滑動(dòng)持續(xù)增加,最大位移值為27 cm,發(fā)生在隧道拱頂上方。溶腔區(qū)裂縫發(fā)展過(guò)程和滑動(dòng)范圍與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況較為吻合(現(xiàn)場(chǎng)隧道進(jìn)洞20 m位置發(fā)生洞內(nèi)冒頂塌方,地表仰坡出現(xiàn)滑塌),進(jìn)一步驗(yàn)證了連續(xù)降雨是隧道洞口仰坡滑塌和洞內(nèi)坍塌的直接觸發(fā)因素。持續(xù)降水致使溶腔內(nèi)的碎石土充填物抗剪強(qiáng)度發(fā)生變化[21],含水率的增加使碎石土中的土粒變軟,降低了粗粒之間的摩阻力,從而使內(nèi)摩擦角減小;另外,硬結(jié)的粗粒浸濕后軟化,同樣降低了內(nèi)摩擦角,溶腔區(qū)表現(xiàn)出更顯著的位移變化(圖5中所示的綠色柱狀區(qū)域)。因此,在仰坡段設(shè)立排水系統(tǒng),或?qū)λ缮⒊涮钗镞M(jìn)行改良,以減少雨水下滲引起的地層軟化;同時(shí),由于仰坡表層為土層覆蓋,下部為灰?guī)r,分界面為薄弱層,建議調(diào)整錨索(或注漿錨管)長(zhǎng)度,避免形成潛在貫通的滑移面[22-24]。

(a) 掘進(jìn)距離9 m

此外,在含水率不變情況下,隨著掘進(jìn)距離增加,仰坡體內(nèi)部裂縫得以發(fā)展。裂縫主要分布在地層分界面及以上,當(dāng)掘進(jìn)距離為27 m時(shí),仰坡體內(nèi)部形成明顯的貫通裂縫,并延伸至坡頂,最終導(dǎo)致覆土滑坡解體破壞,見(jiàn)圖5(c)。受到開(kāi)挖擾動(dòng)的影響,洞周出現(xiàn)裂縫,沿隧道縱向拱頂處呈現(xiàn)不同程度的張拉開(kāi)裂,最大位移量為55 cm,發(fā)生在隧道洞口拱頂上方,因此,隧道進(jìn)洞期間應(yīng)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作,優(yōu)化開(kāi)挖步序、增強(qiáng)超前支護(hù),盡可能減少對(duì)不穩(wěn)定地層的擾動(dòng)[25]。

3 加固措施與效果評(píng)價(jià)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和數(shù)值分析結(jié)果,連續(xù)降雨是隧道洞口仰坡體裂縫開(kāi)展、坡體滑塌的直接觸發(fā)因素。隧道出口段地質(zhì)情況復(fù)雜,灰?guī)r區(qū)溶蝕發(fā)育,存在溶蝕溝槽及石牙溶洞,溶腔內(nèi)填充松散碎石土,使得地表水下滲而導(dǎo)致滑坡體巖土軟化、下滑力增大,從而發(fā)生滑塌[26]。因此,提出“先治坡、后開(kāi)挖”的處治方案,并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

3.1 加固措施

隧道洞口仰坡滑塌后的處治,不僅要提高仰坡體的穩(wěn)定性,還要兼顧隧道二次進(jìn)洞以及長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。為此,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與成因分析,同時(shí)綜合考慮地形、地質(zhì)條件、通風(fēng)、排水及隧道出口端接線條件,為符合隧道洞口內(nèi)外側(cè)各3 s設(shè)計(jì)速度行程長(zhǎng)度范圍內(nèi)平、縱面線形一致的規(guī)定,將原設(shè)計(jì)方案中的環(huán)框式洞門(mén)變更為設(shè)置洞門(mén)墻,并進(jìn)行“洞口仰坡加固+洞內(nèi)管棚延長(zhǎng)”的隧道洞口綜合處治措施。

根據(jù)巖土性質(zhì)和滑坡體裂縫開(kāi)展情況,設(shè)置30 m長(zhǎng)錨索,根據(jù)坡面抗剪要求,采用注漿鋼錨管代替錨桿和部分錨索,隧道洞口仰坡采取“緩坡+鋼錨管/錨索框架梁”的防護(hù)形式,具體防護(hù)措施如圖6所示。注漿鋼錨管結(jié)構(gòu)適用于松散破碎、易塌陷地層邊坡,借助鋼錨管劈裂注漿能夠充填、擠密地層內(nèi)部空隙和裂縫。與注漿錨桿相比較,注漿鋼錨管增大了注漿區(qū)域和漿液的密實(shí)效果,溶腔及其充填物在注漿作用下相當(dāng)于圍巖再造,即對(duì)溶腔內(nèi)充填物進(jìn)行改良,避免碎石土在雨水下滲時(shí)發(fā)生變形解體破壞,鋼錨管可以提升淺表層地層強(qiáng)度[27]。此外,采用優(yōu)化后的錨索提升坡體深層錨固段錨固力,與注漿鋼錨管的聯(lián)合使用不僅提高了邊坡巖土體整體強(qiáng)度指標(biāo),而且更為經(jīng)濟(jì)合理。為了防止坡面清理過(guò)程中邊坡后部土體發(fā)生牽引式滑坡,在邊坡后緣及平臺(tái)處布設(shè)鋼管樁,坡面增設(shè)仰斜式排水管,仰坡沉陷范圍外設(shè)置截水溝。

圖6 隧道出口仰坡防護(hù)措施

隧道洞口段在原超前大管棚支護(hù)基礎(chǔ)上加長(zhǎng)約15 m,對(duì)洞內(nèi)塌方段及其影響段進(jìn)行加強(qiáng),洞內(nèi)冒頂凹腔填充低強(qiáng)度混凝土,塌腔下部進(jìn)行鋼花管注漿。

3.2 變形控制效果評(píng)價(jià)

隧道出口K13+600～+670為仰坡加固段,坡體采用“鋼錨管/錨索框架梁、鋼管樁”加固措施。在仰坡主動(dòng)防護(hù)作用下,洞內(nèi)按照原設(shè)計(jì)的環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法開(kāi)挖進(jìn)洞。隧道施工過(guò)程中對(duì)洞內(nèi)變形、地表沉降進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

3.2.1 洞內(nèi)變形

在隧道出口K13+645～+670段共設(shè)置了6個(gè)變形監(jiān)測(cè)斷面,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖7所示。仰坡加固前,斷面K13+670和K13+665拱頂沉降呈線形增加,最大沉降值分別為251.9、289.8 mm,上臺(tái)階(BC)水平收斂最大值分別為136.1、159.84 mm。仰坡加固后,斷面K13+670和K13+665洞內(nèi)變形趨勢(shì)穩(wěn)定,拱頂沉降變化值分別為23.78、23.09 mm,平均沉降速率分別為0.17、0.16 mm/d,上臺(tái)階(BC)水平收斂最大變化值分別為11.8、13.24 mm。斷面K13+660、K13+655、K13+650和K13+645在仰坡加固后,受隧道施工擾動(dòng)作用出現(xiàn)小范圍變形,最大拱頂沉降值為80.59 mm,上臺(tái)階(BC)水平收斂最大值為39 mm;下臺(tái)階(DE)水平收斂值均較小,最大收斂值為3 mm,位于斷面K13+650,并且在開(kāi)挖30 d后趨于平緩。依據(jù)規(guī)范[28],通過(guò)位移值判別隧道圍巖的穩(wěn)定性,將隧道設(shè)計(jì)的預(yù)留變形量作為極限位移,并以2/3極限位移作為施工管理控制標(biāo)準(zhǔn)上線,仰坡加固后,洞內(nèi)實(shí)測(cè)位移變化值均滿足規(guī)范要求,平均沉降速率小于0.2 mm/d,處于基本穩(wěn)定階段。

(a) 拱頂沉降

3.2.2 地表沉降

選取隧道出口K13+621、K13+638、K13+653斷面處進(jìn)行地表仰坡沉降監(jiān)測(cè),現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況如圖8所示,地表仰坡沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖9。仰坡加固前,K13+621地表仰坡日均沉降變形量為10～33 mm,K13+638和K13+653地表日均最大沉降變化量為11 mm,沉降幅度較大,仰坡整體趨于失穩(wěn)狀態(tài)。與數(shù)值計(jì)算中得到的掘進(jìn)至27 m時(shí)出現(xiàn)貫通裂縫并導(dǎo)致覆土滑坡的結(jié)果進(jìn)行比較,現(xiàn)場(chǎng)滑塌狀況更為嚴(yán)重,這主要?dú)w因于現(xiàn)場(chǎng)更為復(fù)雜的地質(zhì)條件。圖9中所示3個(gè)斷面在仰坡加固前的沉降監(jiān)測(cè)均伴有持續(xù)降水作用,并且呈現(xiàn)不同程度的“仰坡滑塌”過(guò)程。仰坡加固后,地表沉降變化速率緩慢,最終沉降速率分別為0.09～0.14、0.11～0.19、0.03～0.15 mm/d,均小于0.2 mm/d,仰坡面基本穩(wěn)定。

(a) K13+621斷面仰坡

上述監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,采取“緩坡+鋼錨管/錨索框架梁”仰坡主動(dòng)防護(hù)措施后,隧道二次進(jìn)洞施工中仰坡沉降變形緩慢并最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),隧道洞內(nèi)變形得到了有效控制,保障了隧道順利進(jìn)洞。

4 結(jié)論與討論

以下壩隧道出口段仰坡失穩(wěn)為例,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、數(shù)值分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),對(duì)充填型溶腔特殊地質(zhì)條件下隧道仰坡變形破壞機(jī)制及加固措施開(kāi)展研究,得到如下主要結(jié)論:

1)連續(xù)降水是該隧道出口段仰坡滑塌的直接觸發(fā)因素。受連續(xù)降雨雨水下滲作用,溶腔內(nèi)碎石土抗剪強(qiáng)度降低,溶腔區(qū)位移變化顯著,溶腔與周圍巖體之間出現(xiàn)裂縫,腔內(nèi)碎石土發(fā)生滑動(dòng),進(jìn)而造成隧洞洞內(nèi)冒頂塌方。仰坡體在無(wú)特殊加固措施下,受隧道開(kāi)挖掘進(jìn)擾動(dòng),仰坡體表層出現(xiàn)裂縫,隨著掘進(jìn)距離的增加,地層分界面上形成貫通裂縫,并且延伸至坡頂。

2)本項(xiàng)目采用注漿鋼錨管替代錨桿和部分錨索,注漿鋼錨管增大了注漿區(qū)域和漿液密實(shí)效果,對(duì)溶腔內(nèi)松散充填物進(jìn)行注漿,相當(dāng)于圍巖再造,即對(duì)地層進(jìn)行改良可以提升地層強(qiáng)度。

3)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),采用“緩坡+鋼錨管/錨索框架梁”的仰坡加固方案能夠有效控制地表沉降和洞內(nèi)變形,加固后的仰坡在隧道二次進(jìn)洞過(guò)程中處于穩(wěn)定狀態(tài)。

本文研究目前僅考慮了含水率對(duì)碎石土工程性質(zhì)的影響規(guī)律,然而含石量是決定碎石土抗剪強(qiáng)度的另一重要因素,因而有必要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)溶腔充填物的物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成以及溶腔分布特征進(jìn)一步研究仰坡的滑塌機(jī)制。此外,還需進(jìn)行仰坡處治方案、隧道開(kāi)挖步序、支護(hù)類型等方面的對(duì)比分析,以尋求更為經(jīng)濟(jì)合理、可操作性更強(qiáng)的處治措施。