傍山陡崖隧道洞口施工工序模拟与设计优化

尹俊涛， 蒋胜波， 任 会

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司， 湖南 长沙 410200)

0 引言

我国是一个多山的国家，在山区修建隧道难免会遇到傍山陡崖地段。在这样的地段修建隧道，往往会遇到洞口偏压以及高大边坡处理问题[1-3]。随着铁路和高速公路建设的发展，特别是近年来山岭隧道的修建，偏压隧道洞口越来越常见。对于偏压隧道洞口建设，设计和施工中已积累了丰富的理论和实践经验。本文依托城北隧道项目，研究对比分析隧道陡崖大开挖方案和斜交进洞方案的优劣势，并提出隧道洞口设计方案优化建议。

1 工程背景

1.1 工程概况

城北隧道位于磁浮高铁站至城北游客中心站区间，全长约274 m。城北隧道出口邻近城北客运站，且位于客运站北侧陡崖边坡之上，边坡为城北客运中心建设时开挖的人工高陡边坡。城北隧道出口如图1所示。

图1 城北隧道出口工程图

1.2 原状陡崖坡体整体稳定性

本隧道出口陡崖系人工开挖的矿坑边坡，呈一坡到顶(无分级)形态，坡面角度为78°～82°，最高位置正对应出洞位置，最高63 m，属岩质边坡，由寒武系清虚洞组中层状泥质灰岩组成，为硬质岩；除正洞口10～30 m宽褶皱破碎段完整性为破碎外，其余段完整性均为较完整-完整。构造节理较发育，优势节理基本为陡倾角、刚性、密闭或充填、迹线较为平直的剪节理，结合程度为良好-一般。

根据调查，该边坡已形成多年(由1995至今)，形成以来没有出现过较大规模影响整体稳定性的失稳情况；勘察调查也未见任何明显的失稳痕迹，坡上及坡面也未见任何变形位移开裂等失稳前兆性迹象;唯一发现坡壁上有零星可见很小的塌落新鲜面，褶皱破碎段坡表面有变形、破碎、松离,之前垮塌面和坡下部及坡脚有垮塌堆积。地勘表明该陡崖边坡目前处于稳定状态。

2 建设方案对比分析与优化

2.1 原建设方案

根据工程地质情况及隧道出口处岩层的褶皱及破碎情况，虽然现状边坡整体稳定，但具有不稳定结构,存在安全隐患。原方案采用大开挖方案，即洞口两侧分别采用三级边坡开挖，坡度为1∶1。考虑到边坡岩层顺层特点，采用了锚索加固。同时，采用1∶0.75的隧道仰坡刷坡线，对隧道顶的岩层进行清除(如图2所示)。

图2 原建设大开挖方案模型

该设计方案基本消除了隧道出口的安全隐患，但以下问题值得商榷：

1) 大开挖方案破坏了原边坡的自然景观，不符合磁浮文化旅游项目的人文景观要求。

2) 隧道出口处边坡西侧的岩层整体性和稳定性良好，边坡形成以来一直处于整体稳定性状态，最西侧的开挖边坡在没有任何支护的情况下具有较好的稳定性。由于对边坡进行开挖的角度大，极有可能影响到西侧原有边坡的稳定性；而东侧开挖该边坡容易产生顺层滑坡，人为造成不稳定边坡。

3) 方案过于保守造成较大的工程浪费。该边坡整体稳定，虽有褶皱破碎的特征，但褶皱构造范围以浅层或表面居多，且该褶皱层距坡顶约 30～40 m ，不存在地下高应力问题。

4) 从勘探结果来看，该地层范围虽存在岩溶及地下暗河等的可能性不大，但湖南湘西卡斯特岩溶地貌分布较为普遍，对山体进行大面积开挖，有可能诱发地下涌水的极端情况发生，加剧施工难度。

基于以上分析，原方案在环保、造价、工期等方面具有一定的缺陷，因此，有必要对其进行合理优化。

2.2 优化方案

大开挖方案洞口两侧边坡开挖高度约40 m，仰坡开挖高度约42 m，洞口开挖量大、边坡防护费用高，且洞口邻近城北客运站，边坡开挖过程需采取有效的防落石措施，安全风险较大。根据勘探情况，该边坡整体稳定，虽有褶皱破碎的特征，浅层或表面居多，且该褶皱层距坡顶约30～40 m，不存在地下高应力问题。若施工采用反进洞并结合机械开挖施工工艺，基本上可以满足隧道施工的要求。这样不仅能保留原有自然景观，也能减小对原有山体的扰动和破坏。因此，优化方案建议采取斜交进洞的微开挖方案，保留原陡崖地形不进行边仰坡开挖，并且采取以下处理措施[4]： ① 对陡崖剖面不稳定岩层进行清理；② 对受褶皱影响的不稳定围岩进行加固处理；③ 隧道两边30 m及隧道以上采用主动防护网防落石；④考虑安全冗余的原则，在隧道顶部设置被动防护网防落石。

2.3 微开挖方案安全性分析

通过FLAC3D对城北隧道出口山体建立模型，并进行数值模拟分析。根据地质勘查报告，本隧道围岩主要由中-微风化泥质灰岩组成。建立隧道洞口三维数值模型如图3所示。各地层参数见表1，支护参数见表2。

图3 整体数值模型设置图

表1 数值模拟参数取值表岩层重度/(kN·m-2 )黏聚力 c/kPa 内摩擦角/(°)弹性模量/MPa 拉伸强度/kPa 素填土18101050 0中风化泥质灰岩24200401 00020微风化泥质灰岩25280452 00028节理面0500 0隧道衬砌25——40 000—

表2 支护参数表材料厚度/m弹性模量/GPa泊松比v管棚0.35100.25

2.4 微开挖方案数值计算及结果分析

将三维地质模型导入有限差分软件FLAC3D中进行计算分析，考虑到岩层层理的影响，中风化灰岩及浅层风化带的本构模型采用层理岩体本构模型，褶皱核部破碎带的本构模型则采用摩尔库伦模型[5]，支护采用壳单元模拟。施工过程模拟中：① 三维模型在自重应力下初始平衡，形成初始地应力场。② 在隧道内壁设置低刚度的壳单元模拟超前加固的长度为30 m的管棚。③ 第1次开挖进尺为7 m，待隧道内部的竖向应力小于初始自重应力一半时，将该段壳单元的刚度设置成正常隧道管壁刚度，该过程模拟了隧道开挖过程中受开挖扰动等因素造成的隧道周围应力释放以及先开挖后支护的施工过程。④ 第2次开挖进尺为13 m，通过增加壳单元刚度实现隧道管壁的支护过程。⑤ 第3次开挖进尺为19 m，通过增加壳单元刚度实现隧道管壁的支护过程。⑥ 第4次开挖进尺为25 m，通过增加壳单元刚度实现隧道管壁的支护过程。

施工过程模拟结果如图4、图5所示。

图4 原始坡体破坏时安全系数

图5 隧道开挖后边坡安全系数

根据开挖后的边坡稳定性分析，可得出如下结论：隧道开挖后坡体破坏形式转变为隧道侧上方层状岩体的局部垮塌，安全系数为1.55。计算结果与层状洞室典型破坏模式一致。坡体外部整体滑动形式以及滑裂面保持不变。由计算结果可知，开挖

过程的山体纵横断面稳定性安全系数均为1.55，满足《建筑边坡工程技术规范》(GB50330—2013)一级边坡安全系数不小于1.35的要求，表明采用合适的施工工序和防护措施，可保证开挖过程中边坡的稳定性。

3 结论与建议

1) 城北隧道出口边坡目前处于稳定状态，且从人工开挖施工起一直处于稳定，稳定时间长。

2) 原城北隧道出口边坡防护设计方案为大开挖方法，过于保守且不利于环境保护，采用调整明暗分界桩号和洞门桩号以及零仰坡反进洞的方案，可尽量减小对山体的扰动和破坏。

3) 城北隧道出口边坡的稳定性主要取决于施工工艺及方法，采用“异形套拱，斜交进洞”的施工方式，局部位置套拱及导向管加长紧贴洞口原状仰坡岩面，可避免仰坡大开挖时造成洞口失稳。

4) 为进一步明确设计方案，需对隧道出口处的地质构造进行进一步勘探，确定褶皱分布深度、节理断层分布情况，以便更为准确和精细地进行有限元模拟分析。

5) 建议对隧道出口处破碎褶皱进行试探性表层处理，确定开挖难度及褶皱破碎程度，为明确施工方案提供依据。

6) 加强施工监控，制定详细的施工监控与量测方案，包括岩土体变形及应力观测、地质超前预报等。