隧道洞口软岩边仰坡失稳机制及响应技术研究

王一汉

摘要：隧道洞口是施工的重难点，隧道洞口边仰坡具有常规边坡失稳机制的独特性，其加固措施也对应不同。以崇左市某隧道洞口仰边坡为例，分析地质情况、失稳机制及破坏模式，并提出重力端洞门、超前小短管注浆及大管棚超前支护等支护加固措施。

关键词：隧道洞口；边仰坡；失稳机制；加固技术

1 引言

由于工程地质条件、水文地质条件及人为等因素影响，隧道施工过程中易出现各种各样的地质灾害，洞口边仰坡滑坡便是隧道施工中常见的地质灾害之一。由于隧道洞口的安全关系到隧道能否顺利进洞并进行安全施工，是隧道施工中影响进度、质量及造价的关键点，因而隧道洞口的边仰坡安全一直以来都受到了隧道工程师们的极大关注。

2 隧道洞口边仰坡失稳机制

隧道洞口的开挖破坏了岩质体坡体的应力平衡状态，在坡体产生向下蠕变的趋势，在坡体下滑力的作用下其作用过程是隧道处于错落体的山体中，围岩本来破碎及软弱，而且具有蠕变性，开挖隧道引起围岩的松弛变形，在地下水作用下进一步软化围岩，使围岩的岩土力学强度降低，隧道的山侧坡体岩土产生较大的压力，在这个压力作用下隧道产生变形，随着时间的发展变形越积越大造成塌方，而塌方的发生扩大了松弛的范围，尤其是在高度上，这样隧道本身犹如形成一临空面，诱发边坡体进一步产生蠕变，造成恶性循环，并加剧隧道边仰坡变形破坏。

3 隧道洞口边仰坡破坏模式

隧道工程中边坡的破坏模式在外在表现上可以总结为六种：边仰坡喷层剥落破坏；张拉破坏；剪切破坏；局部塌陷破坏；雨水冲刷破坏；洞口初期支护失稳破坏。比较常见的为剪切挤压破坏和拉裂破坏。与边坡的破坏模式相似，可将隧道边坡的破坏模式分为以下五种：平面滑动破坏、楔形破坏、崩溃破坏、局部塌陷破坏和堆塌破坏。

1、平面破坏。此类破坏是实际工程中发生最多的破坏，一般是由于边坡岩体结构面的存在以及开挖等施工因素的影响，破坏了原有的平衡，使得岩体沿着软弱结构面产生平面滑动破坏。最常见的破坏形式有：张拉破坏和剪切破坏。

2、楔形破坏。此类破坏常发生于洞口围岩较好的地段。由于围岩的完整性较好，基本上由一些完整的岩块构成，而若有限岩块是由不连续面相交构成，在隧道开挖过程中有可能正好将支撑上部岩块的关键块挖除，此时极易发生岩体的楔形破坏。

3、崩溃破坏。此类破坏与楔形破坏比较相像，也一般发生在围岩情况比较好的洞口地段，但是此类破坏发生的机理与楔形破坏有所不同，产生这种破坏的主要原因是由于高地应力的影响，特别是在严重偏压的隧道洞口段容易发生。此类破坏的发生是由于隧道的开挖，破坏了隧道原有的地应力场，由于关键岩体的去除，围岩应力发生突然释放，如果富含高地应力的岩块应力突然释放，则边坡岩体将产生崩溃破坏，就像在隧洞中经常发生的岩爆。此类破坏发生破坏力极大，对工程影响较大，但是由于一般隧道洞口岩体都较为松散，只有在高边坡隧道中才可能出现。

4、局部塌陷破坏。此类破坏一般发生在填埋、围岩风化较为严重洞口段。由于隧道的开挖，使得原有平衡被破坏，极有可能隧道的关键块被挖除，使得上部岩块缺少必要的支撑，再加上围岩较松散，粘聚力较少，不能形成平衡拱达到自平衡，从而发生洞口段塌陷破坏直至冒顶。

5、堆塌破坏。堆塌是指节理发育或软质、破碎、风化的岩体，由于开挖的边坡过陡，在坡顶或边坡外缘产生拉裂缝，并逐次向外侧发展而堆塌在坡脚的现象。堆塌体多呈半锥体形，堆塌直至稳定的安息角为止。当隧道洞口附近地表层岩土体软弱破碎，而进山施工或边坡支护时侧壁坡角又过陡时，可能产生小规模的堆塌现象，堆塌可能对隧道明洞产生不良影响。

4 工程实例分析

拟建某隧道位于崇左市宁明县爱店镇境内，进口位于爱店小学西南向约230m处，出口位于爱店小学东北向约360m处。设计隧道穿越位于山坡中下部顺谷坡展布，呈西南-东北走向，山体岩性主要为三叠系上统泥质砂岩。隧道里程桩号K0+015～K0+550，长度为535m，开挖宽度约14m，路基设计标高329.265～344.085m，属中隧道。

4.1洞口工程地质

洞口自然斜坡较陡，自然坡度在25°～35°之间。坡体主要由强风化泥质砂岩构成，洞口及洞口段围岩详细分级为Ⅴ级。洞口边坡、仰坡主要由强风化泥质砂岩构成边坡主体，属岩质边坡。强风化泥质砂岩较软，大部分已风化呈碎石、块石及半岩半土状，裂隙极发育。洞口泥质砂岩层产状为120°∠40°，节理30°∠69°，坡面倾向200°，根据斜坡与各结构面组合关系赤平投影分析可知坡面倾向与岩层倾向、岩层倾向与节理倾向赤平投影弧呈大角度相交，属稳定的组合关系，对洞口边坡、仰坡边坡稳定较有利，坡面倾向与节理倾向赤平投影弧呈小角度相交、对洞口边坡、仰坡边坡稳定不利。

4.2 隧道洞口稳定性分析

隧址区宁明至爱店二级路端洞口自然斜坡坡度较陡，上覆第四系残坡积层，结构较松散，抗雨水冲刷能力差，下伏全～强风化岩石风化强烈，表层土体及全风化泥质砂岩厚度较薄，易沿强风化岩面滑动，自然条件下边坡稳定性稍差（洞口附近可见浅层小型滑塌痕迹）；洞口边、仰坡开挖后易失稳滑塌，无自稳能力，易沿风化界面或软弱结构面呈直线滑动破坏。

4.3 隧道洞口仰边坡防护技术

本隧道宁明至爱店二级路端洞口应考虑减小放坡高度，采用φ42×4mm注浆小导管+C20喷砼10cm+@25×25cmφ8钢筋网片进行边仰坡临时防护，以及采用大管棚超前支护。着重提醒施工单位应在施工前对地表进行清理，并合理安排施工季节，争取在旱季完成进洞过程并在雨季来临之前完成明洞和洞门浇筑。根据该隧道的特点，并结合路基及进出口地形地貌、工程地质、水文条件，在充分考虑隧道进出口综合排水的情况下，尽量减少洞口的开挖并考虑施工开挖边仰坡的稳定性，本着“早进晚出”的原则，确定隧道进出口位置。洞门型式的选择力求结构简洁，并与洞口的地形、地貌协调一致，结合两端洞口处地势和地质情况，采用仰斜式端墙式洞门，并设置5米明洞，而宁明至爱店二级路端洞口地形线陡峭，且与桥台临近，采用重力式端墙洞门，并采用贴壁进洞方式；洞门修筑完成应对所有清方暴露边、仰坡面种植木本植物或采用三维网植草进行绿化防护。

对洞口明洞槽开挖后的边、仰坡面采用注浆小导管或砂浆锚杆、喷射混凝土、钢筋网防护，明洞洞身两侧采用M7.5浆砌片石回填，其上再采用碎石土回填，表层铺一层粘土作为隔水层，并铺设种植土进行植草绿化。洞口回填的原则是尽可能的覆盖人工开挖痕迹，使洞口融入自然。洞口施工中应尽量减少扰动周围岩体，尽早做好洞口边仰坡的防护及隧道洞门，确保洞口安全。

5 结论

本文以广西某隧道洞口边仰坡进行稳定性分析，研究了其失稳破坏机制与破坏模式，基于此提出设置仰斜式重力端墙式洞门，并采用贴壁进洞方式，对洞口明洞槽开挖后的边、仰坡面采用注浆小导管或砂浆锚杆、喷射混凝土、鋼筋网防护，以确保隧道与边坡系统的稳定性。

参考文献

[1]马来秋，肜增湘，廖洪波.十漫高速公路隧道洞口边仰坡破坏机理研究[J].交通科技，2012：42-44.

[2]曹亮宏，卢自立.隧道洞口边仰坡稳定性分析[J].中外公路， 2013， 33.

[3]刘小军，张永兴，高世军，等.软弱围岩隧道洞口段失稳机制分析与处置技术[J].岩土力学，2012， 33（7）：2229-2234.