论文部分内容阅读
摘要： 隧道洞口施工经常会出现滑坡、崩塌、偏压、泥石流和雪崩等地质灾害，滑坡是其中最常见
地质灾害，因此，做好隧道洞口边坡稳定性分析及治理是隧道建设中的关键课题之一。论文主要探讨了影响隧道洞口边坡稳定性的因素和隧道洞口边坡破坏模式。最后探讨了隧道洞口边坡滑治理措施，仅供参考。
关 键 词：隧道 邊坡稳定性治理措施
中图分类号： U45 文献标识码：A 文章编号：
Abstract：Tunnel construction landslide, collapse, often appear bias, landslides and avalanches geological disasters such as landslide, is one of the most common geological disasters, therefore, do a good job of tunnel portal slope stability analysis and management is one of the key problem in tunnel construction. The paper mainly discuss the influence factors of slope stability of tunnel and tunnel portal slope failure mode. At the end of the tunnel portal slope landslide treatment measures, for reference only.
Key Words：Tunnel; Slope stability; Control measures.
引 言
影响隧道洞口边坡稳定性的因素和公路隧道的围岩稳定性研究是公路工程中一项重要的研究课题。而在工程设计中应用较少。而我国相关施工规范对隧道洞口边坡的内容只作概述性的规定，如《公路隧道施工技术规范》对洞口隧道边坡进行了原则性的规定，对于复杂地质条件和复杂洞口型式下的隧道洞口边坡施工设计未做相应规定。在设计阶段，对隧道洞口的处理相对随意。而在施工过程中，施工方对隧道洞口可能出现的险情未引起足够的重视，造成洞口滑坡或坍塌，影响工程整体进度甚至出现人员伤亡。因此，研究分析影响边坡稳定性的因素，特别是研究影响边坡变形破坏的主要因素和稳定性分析以及隧道边仰坡滑坡治理是一项重要任务。
1影响隧道洞口边坡稳定性的因素
（1）地层与岩性。地层与岩性是决定边坡工程地质特征的基本因素，也是研究边坡稳定性的重要依据，因此，地层岩性的差异往往是影响边坡稳定的重要因素。
（2）岩体结构。近年来，在岩体强度及其稳定性的研究中，证实了岩体中的断层、层理、节理和片理是边坡稳定性的控制因素。所以，结构面被认为是特别重要的影响因素，结构面强度比岩石本身强度低很多，根据岩块强度计算稳定的岩体边坡可以高达数百米，然而岩体内含有不利方位的结构面时，高度不大的边坡也可能发生破坏。
（3）工程施工的影响，相关工程实践表明：当隧道两洞间距为 8m 时，左洞先开挖对边坡稳定性的影响略大于右洞先开挖对边坡稳定性的影响。边坡坡度是影响边坡稳定性的一个重要因素；当边坡坡度小于 35°时，边坡坡度变化对边坡稳定性影响不大；当边坡坡度在 35°到 55°区间时，边坡坡度变化对边坡稳定性的影响急剧增加。隧道埋深这一因素对隧道上方边坡在隧道开挖后的稳定性影响巨大；当隧道埋深小于 15m 时，由于隧道开挖为隧道左侧岩体形成了临空面，导致这一区域岩体滑动，从而塌方或山体滑动；当隧道埋深大于 15m 时，隧道埋深变化对这一类边坡稳定性影响不大。
（4）水的作用。水对边坡岩体稳定性的影响不仅是多方面的，而且是非常活跃的。大量事实证明，大多数边坡岩体的破坏和滑动都与水的作用有关。处于水下的透水边坡岩体将承受水的浮托力，而不透水的边坡岩体坡面将承受静水压力，充水的张裂隙将承受裂隙水静水压力的作用；地下水的渗透流动将对边坡岩体产生动水压力。另外，水对边坡岩体将产生软化、侵蚀等物理化学作用。而水流的冲刷也直接对边坡产生破坏。
（5）其它因素。除上述因素外，气候条件、风化作用、植被生长都可能影响边坡的稳定状况。
2隧道洞口边坡破坏模式
在隧道工程中，隧道洞口边仰坡开挖使边仰坡岩体平衡状态遭到破坏，于是边坡岩体在次生应力和各种外界应力的作用下发生破坏。按破坏机理可将边坡的破坏模式分为崩塌、倾倒和滑坡三种，其中滑坡按滑动面形态不同又可分为平面滑动、楔体滑动和圆弧形滑动三类。但是隧道工程有其特殊性，隧道洞口开挖对洞口段岩土扰动比较大，结合其边坡破坏外在表现，隧道洞口边坡破坏模式还应包括局部塌陷破坏和堆塌破坏。
（1）崩塌破坏。崩塌是指边坡上部的岩体在重力的作用下，突然以高速脱离母岩而翻滚坠落的急剧变形破坏的现象，这种破坏是边坡表层岩体丧失稳定性的结果。
（2）倾倒破坏。这种破坏形式是因为在边坡内部存在一倾角很陡的结构面，将边坡岩体切割成许多相互平行的块体，而临近坡面的陡立块体缓慢地向坡外弯曲倒塌。倾倒的特点往往是岩块一般不发生水平或垂直位移，而是以某一点或块体的某一棱线为转动轴心，绕其外侧临空面转动。
（3）平面破坏。平面破坏是指边坡岩体沿某一结构面如层面、节理或断层面发生滑动，通常滑动面的倾向与边坡的倾向一致，而滑动面的倾角小于边坡度但大于其内摩擦角的层状或有粘土夹层的岩体中，也可能发生在有较厚破碎带的岩体中。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。
灯草塘隧道是沪昆高速公路贵阳至清镇段上的一座双向六车道连拱隧道，全长280m，最大埋深79m，横向跨度34m，隧道穿越地层为煤系地层，围岩类别为Ⅴ级、Ⅵ级围岩，整体稳定性较差，遇到的不良地质灾害主要为裂缝、地面塌陷、老窑涌水、瓦斯等。隧道进出口均为深挖方段，进口挖方长155米，轴线最大挖高38.95米，左边坡开挖高度52.90米；出口挖方长140米，轴线最大挖高31.52米，右边坡开挖高度49.72米。
自2009年底实施边仰坡监控以来，发生多次险情。2010年1月7日在该边坡上发现地表裂缝，截止到1月10日上午10时，裂缝延伸最长达30m，裂缝最大宽度103mm，深可见0.3～1米。预应力锚索框架局部脱空。边坡后缘出现明显张拉裂缝，并已贯通至边坡深部。截止2010年7月11日隧道仰坡的第一、第二、第三、第四平台及平台截水沟均多次出现规模不等的裂缝（第四平台最大累计沉降103.80mm，）（L1裂缝长15米，宽1.3厘米；L2裂缝长11米，宽13厘米；L3裂缝长5米，宽2厘米；L4裂缝长20米，宽5-10厘米；L5裂缝长6米，宽2-5厘米；L6裂缝长6米，宽2-3厘米；L7裂缝长7米，宽2-3厘米）；第三级仰坡面有三个井字架下部断裂。经过多次监测，发现降水后沉降增大明显，降水停止后，沉降变化缓慢。结合锚索应力监测结果，降水后锚索应力增大，尤其是中导洞正上方的锚索应力增大明显，说明雨水已经下渗到坡体导致坡体变形增大。
第一平台裂缝 第三平台裂缝
所有监测结果表明，在施工扰动和降雨的条件下极有可能产生大规模的滑动，是隧道出口施工和运营的安全隐患，给施工带来极大的危险。
3.隧道洞口边坡破坏治理措施
从前面的分析可知，隧道开挖改变了原岩体的应力状态，即所谓的岩体内部区域卸荷，造成隧道上方区域的边坡岩体有向下滑动的趋势，而这一部分岩体向下滑动又对隧道的稳定性造成影响。从这分析可知，减小开挖扰动和加强隧道支护为治理这类边坡破坏的最佳策略。从对这类边坡稳定性影响分析来看，在不同的地质条件、隧道参数、开挖条件下其稳定性有所不同。所以应首先详细分析工程地质条件，根据具体地质条件选取设计参数和确定开挖方案及支护措施。
地质条件是影响边坡稳定性的决定性因素，在工程选线时应对预选方案的地质条件进行详细调查，尽量避免不良地质情况。对隧道洞口段的地质调查应包括自然地理概况以及工程地质和水文地质：地层、岩性及地质构造变动的性质、类型和规模；断层、节理、软弱结构面特征及其与隧道的组合关系；地下水类型及地下水位、含水层的分布范围及相应的渗透系数、水量和补给关系、水质及其对混凝土的侵蚀性；崩塌、错落、岩堆、滑坡、岩溶等不良地质和特殊地质现象及其发生、发展的原因、类型、规模和发展趋势，分析其对隧道洞口稳定的影响程度；主要结构面(特别是软弱结构面)的类型和等级、产状、发育程度、延伸程度、闭合程度、风化程度、充填状况、充水状况、组合关系、力学属性和与临空面的关系；查明危岩分布及产生崩塌的条件、危岩规模、类型、稳定性以及危岩崩塌危害的范围等，对崩塌危害做出工程建设适宜性的评价，并根据崩塌产生的机制提出防治建议。
在选线时应尽量避免边坡坡度大于35°，隧道埋深小于15m。上述参数是在考虑隧道围岩为Ⅴ级时得出的结论，在实际工程中应结合具体工程地质情况作更为详细分析比选。隧道开挖方式对隧道围岩及边坡稳定性影响复杂，目前未得出一致结论，从总体上讲在施工过程应采取“弱爆破、短进尺、及时支护”相应的措施避免扰动过大。
综合工程地质条件还可以采取的具体工程措施如下：
（1）注浆加固隧道仰坡面和平台，增加松散岩体的自稳能力和抗剪力。由于隧道出口山体岩层很薄,且主要由煤和煤矸石组成,风化严重,在深埋侧侧向压力推动下易变形滑坡,为了提高仰坡围岩的自稳能力和抗剪力，对仰坡面和平台采用深孔注浆钢花管加固处理，同时增长锚索框架梁的锚索长度，做好边仰坡防排水措施。
（2）及时进行明洞施工和明洞回填反压。洞口仰坡较陡,必然造成边坡不平衡推力过大，为了防止边坡下滑,暂时停止隧道洞身开挖施工,以减少隧道洞身開挖爆破对边仰坡的扰动。为了提高明洞回填对坡脚形成的反压力，在明洞上方回填土M7.5浆砌片石和废渣,对坡面形成反方向作用力,阻止坡体的下滑。延长明洞衬砌长度，以提高明洞回填反压高度,增加洞门墙的抗剪力，在洞门墙与明洞衬砌结合部采用钢筋连接。
（3）洞内及时施工仰拱,使支护系统及时封闭成环。在任何情况下,使隧道断面在较短时间内闭合是极为重要的，在岩石隧道中,因围岩的结构作用,能够自我封闭成环,而在软弱围岩中,必须靠支护措施封闭成环。本隧道工序复杂，开挖扰动围岩次数多,每次对围岩的扰动也较大,岩体本身的自稳能力差,在主洞开挖过程中,应及时施工仰拱和二衬,并与边墙钢拱架连接成为一体,使其封闭成环,共同承受来自上方仰坡以及侧面围岩的压力。
4结 语
总之，在隧道施工过程中，大多数工程事故均出自洞口段，多数又由于洞口边坡产生破坏而引发洞口段整体失稳。所以，隧道洞口边坡的稳定性问题已成为隧道施工过程中最为关键的步骤。论文重点探讨了隧道洞口边坡的稳定性影响因素及治理对策，希望对实际工程提供理论依据。
参考文献：
[1] 周庆人.重庆大坪隧道进口段滑坡特征及稳定性分析[J]. 城市勘测. 2006(02)
[2] 黄泽瑞.石川隧道边坡稳定性评价与控制[J]. 山西建筑. 2009(18)
[3] 方建勤,廖树忠.隧道施工对洞口边坡稳定性影响研究[J]. 公路. 2009(12)
[4] 颜育仁,杜时贵,董良淮.浙江省大梁山隧道出口边坡稳定性分析[J]. 中国地质灾害与防治学报. 2006(03)
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
地质灾害，因此，做好隧道洞口边坡稳定性分析及治理是隧道建设中的关键课题之一。论文主要探讨了影响隧道洞口边坡稳定性的因素和隧道洞口边坡破坏模式。最后探讨了隧道洞口边坡滑治理措施，仅供参考。
关 键 词：隧道 邊坡稳定性治理措施
中图分类号： U45 文献标识码：A 文章编号：
Abstract：Tunnel construction landslide, collapse, often appear bias, landslides and avalanches geological disasters such as landslide, is one of the most common geological disasters, therefore, do a good job of tunnel portal slope stability analysis and management is one of the key problem in tunnel construction. The paper mainly discuss the influence factors of slope stability of tunnel and tunnel portal slope failure mode. At the end of the tunnel portal slope landslide treatment measures, for reference only.
Key Words：Tunnel; Slope stability; Control measures.
引 言
影响隧道洞口边坡稳定性的因素和公路隧道的围岩稳定性研究是公路工程中一项重要的研究课题。而在工程设计中应用较少。而我国相关施工规范对隧道洞口边坡的内容只作概述性的规定，如《公路隧道施工技术规范》对洞口隧道边坡进行了原则性的规定，对于复杂地质条件和复杂洞口型式下的隧道洞口边坡施工设计未做相应规定。在设计阶段，对隧道洞口的处理相对随意。而在施工过程中，施工方对隧道洞口可能出现的险情未引起足够的重视，造成洞口滑坡或坍塌，影响工程整体进度甚至出现人员伤亡。因此，研究分析影响边坡稳定性的因素，特别是研究影响边坡变形破坏的主要因素和稳定性分析以及隧道边仰坡滑坡治理是一项重要任务。
1影响隧道洞口边坡稳定性的因素
（1）地层与岩性。地层与岩性是决定边坡工程地质特征的基本因素，也是研究边坡稳定性的重要依据，因此，地层岩性的差异往往是影响边坡稳定的重要因素。
（2）岩体结构。近年来，在岩体强度及其稳定性的研究中，证实了岩体中的断层、层理、节理和片理是边坡稳定性的控制因素。所以，结构面被认为是特别重要的影响因素，结构面强度比岩石本身强度低很多，根据岩块强度计算稳定的岩体边坡可以高达数百米，然而岩体内含有不利方位的结构面时，高度不大的边坡也可能发生破坏。
（3）工程施工的影响，相关工程实践表明：当隧道两洞间距为 8m 时，左洞先开挖对边坡稳定性的影响略大于右洞先开挖对边坡稳定性的影响。边坡坡度是影响边坡稳定性的一个重要因素；当边坡坡度小于 35°时，边坡坡度变化对边坡稳定性影响不大；当边坡坡度在 35°到 55°区间时，边坡坡度变化对边坡稳定性的影响急剧增加。隧道埋深这一因素对隧道上方边坡在隧道开挖后的稳定性影响巨大；当隧道埋深小于 15m 时，由于隧道开挖为隧道左侧岩体形成了临空面，导致这一区域岩体滑动，从而塌方或山体滑动；当隧道埋深大于 15m 时，隧道埋深变化对这一类边坡稳定性影响不大。
（4）水的作用。水对边坡岩体稳定性的影响不仅是多方面的，而且是非常活跃的。大量事实证明，大多数边坡岩体的破坏和滑动都与水的作用有关。处于水下的透水边坡岩体将承受水的浮托力，而不透水的边坡岩体坡面将承受静水压力，充水的张裂隙将承受裂隙水静水压力的作用；地下水的渗透流动将对边坡岩体产生动水压力。另外，水对边坡岩体将产生软化、侵蚀等物理化学作用。而水流的冲刷也直接对边坡产生破坏。
（5）其它因素。除上述因素外，气候条件、风化作用、植被生长都可能影响边坡的稳定状况。
2隧道洞口边坡破坏模式
在隧道工程中，隧道洞口边仰坡开挖使边仰坡岩体平衡状态遭到破坏，于是边坡岩体在次生应力和各种外界应力的作用下发生破坏。按破坏机理可将边坡的破坏模式分为崩塌、倾倒和滑坡三种，其中滑坡按滑动面形态不同又可分为平面滑动、楔体滑动和圆弧形滑动三类。但是隧道工程有其特殊性，隧道洞口开挖对洞口段岩土扰动比较大，结合其边坡破坏外在表现，隧道洞口边坡破坏模式还应包括局部塌陷破坏和堆塌破坏。
（1）崩塌破坏。崩塌是指边坡上部的岩体在重力的作用下，突然以高速脱离母岩而翻滚坠落的急剧变形破坏的现象，这种破坏是边坡表层岩体丧失稳定性的结果。
（2）倾倒破坏。这种破坏形式是因为在边坡内部存在一倾角很陡的结构面，将边坡岩体切割成许多相互平行的块体，而临近坡面的陡立块体缓慢地向坡外弯曲倒塌。倾倒的特点往往是岩块一般不发生水平或垂直位移，而是以某一点或块体的某一棱线为转动轴心，绕其外侧临空面转动。
（3）平面破坏。平面破坏是指边坡岩体沿某一结构面如层面、节理或断层面发生滑动，通常滑动面的倾向与边坡的倾向一致，而滑动面的倾角小于边坡度但大于其内摩擦角的层状或有粘土夹层的岩体中，也可能发生在有较厚破碎带的岩体中。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。
灯草塘隧道是沪昆高速公路贵阳至清镇段上的一座双向六车道连拱隧道，全长280m，最大埋深79m，横向跨度34m，隧道穿越地层为煤系地层，围岩类别为Ⅴ级、Ⅵ级围岩，整体稳定性较差，遇到的不良地质灾害主要为裂缝、地面塌陷、老窑涌水、瓦斯等。隧道进出口均为深挖方段，进口挖方长155米，轴线最大挖高38.95米，左边坡开挖高度52.90米；出口挖方长140米，轴线最大挖高31.52米，右边坡开挖高度49.72米。
自2009年底实施边仰坡监控以来，发生多次险情。2010年1月7日在该边坡上发现地表裂缝，截止到1月10日上午10时，裂缝延伸最长达30m，裂缝最大宽度103mm，深可见0.3～1米。预应力锚索框架局部脱空。边坡后缘出现明显张拉裂缝，并已贯通至边坡深部。截止2010年7月11日隧道仰坡的第一、第二、第三、第四平台及平台截水沟均多次出现规模不等的裂缝（第四平台最大累计沉降103.80mm，）（L1裂缝长15米，宽1.3厘米；L2裂缝长11米，宽13厘米；L3裂缝长5米，宽2厘米；L4裂缝长20米，宽5-10厘米；L5裂缝长6米，宽2-5厘米；L6裂缝长6米，宽2-3厘米；L7裂缝长7米，宽2-3厘米）；第三级仰坡面有三个井字架下部断裂。经过多次监测，发现降水后沉降增大明显，降水停止后，沉降变化缓慢。结合锚索应力监测结果，降水后锚索应力增大，尤其是中导洞正上方的锚索应力增大明显，说明雨水已经下渗到坡体导致坡体变形增大。
第一平台裂缝 第三平台裂缝
所有监测结果表明，在施工扰动和降雨的条件下极有可能产生大规模的滑动，是隧道出口施工和运营的安全隐患，给施工带来极大的危险。
3.隧道洞口边坡破坏治理措施
从前面的分析可知，隧道开挖改变了原岩体的应力状态，即所谓的岩体内部区域卸荷，造成隧道上方区域的边坡岩体有向下滑动的趋势，而这一部分岩体向下滑动又对隧道的稳定性造成影响。从这分析可知，减小开挖扰动和加强隧道支护为治理这类边坡破坏的最佳策略。从对这类边坡稳定性影响分析来看，在不同的地质条件、隧道参数、开挖条件下其稳定性有所不同。所以应首先详细分析工程地质条件，根据具体地质条件选取设计参数和确定开挖方案及支护措施。
地质条件是影响边坡稳定性的决定性因素，在工程选线时应对预选方案的地质条件进行详细调查，尽量避免不良地质情况。对隧道洞口段的地质调查应包括自然地理概况以及工程地质和水文地质：地层、岩性及地质构造变动的性质、类型和规模；断层、节理、软弱结构面特征及其与隧道的组合关系；地下水类型及地下水位、含水层的分布范围及相应的渗透系数、水量和补给关系、水质及其对混凝土的侵蚀性；崩塌、错落、岩堆、滑坡、岩溶等不良地质和特殊地质现象及其发生、发展的原因、类型、规模和发展趋势，分析其对隧道洞口稳定的影响程度；主要结构面(特别是软弱结构面)的类型和等级、产状、发育程度、延伸程度、闭合程度、风化程度、充填状况、充水状况、组合关系、力学属性和与临空面的关系；查明危岩分布及产生崩塌的条件、危岩规模、类型、稳定性以及危岩崩塌危害的范围等，对崩塌危害做出工程建设适宜性的评价，并根据崩塌产生的机制提出防治建议。
在选线时应尽量避免边坡坡度大于35°，隧道埋深小于15m。上述参数是在考虑隧道围岩为Ⅴ级时得出的结论，在实际工程中应结合具体工程地质情况作更为详细分析比选。隧道开挖方式对隧道围岩及边坡稳定性影响复杂，目前未得出一致结论，从总体上讲在施工过程应采取“弱爆破、短进尺、及时支护”相应的措施避免扰动过大。
综合工程地质条件还可以采取的具体工程措施如下：
（1）注浆加固隧道仰坡面和平台，增加松散岩体的自稳能力和抗剪力。由于隧道出口山体岩层很薄,且主要由煤和煤矸石组成,风化严重,在深埋侧侧向压力推动下易变形滑坡,为了提高仰坡围岩的自稳能力和抗剪力，对仰坡面和平台采用深孔注浆钢花管加固处理，同时增长锚索框架梁的锚索长度，做好边仰坡防排水措施。
（2）及时进行明洞施工和明洞回填反压。洞口仰坡较陡,必然造成边坡不平衡推力过大，为了防止边坡下滑,暂时停止隧道洞身开挖施工,以减少隧道洞身開挖爆破对边仰坡的扰动。为了提高明洞回填对坡脚形成的反压力，在明洞上方回填土M7.5浆砌片石和废渣,对坡面形成反方向作用力,阻止坡体的下滑。延长明洞衬砌长度，以提高明洞回填反压高度,增加洞门墙的抗剪力，在洞门墙与明洞衬砌结合部采用钢筋连接。
（3）洞内及时施工仰拱,使支护系统及时封闭成环。在任何情况下,使隧道断面在较短时间内闭合是极为重要的，在岩石隧道中,因围岩的结构作用,能够自我封闭成环,而在软弱围岩中,必须靠支护措施封闭成环。本隧道工序复杂，开挖扰动围岩次数多,每次对围岩的扰动也较大,岩体本身的自稳能力差,在主洞开挖过程中,应及时施工仰拱和二衬,并与边墙钢拱架连接成为一体,使其封闭成环,共同承受来自上方仰坡以及侧面围岩的压力。
4结 语
总之，在隧道施工过程中，大多数工程事故均出自洞口段，多数又由于洞口边坡产生破坏而引发洞口段整体失稳。所以，隧道洞口边坡的稳定性问题已成为隧道施工过程中最为关键的步骤。论文重点探讨了隧道洞口边坡的稳定性影响因素及治理对策，希望对实际工程提供理论依据。
参考文献：
[1] 周庆人.重庆大坪隧道进口段滑坡特征及稳定性分析[J]. 城市勘测. 2006(02)
[2] 黄泽瑞.石川隧道边坡稳定性评价与控制[J]. 山西建筑. 2009(18)
[3] 方建勤,廖树忠.隧道施工对洞口边坡稳定性影响研究[J]. 公路. 2009(12)
[4] 颜育仁,杜时贵,董良淮.浙江省大梁山隧道出口边坡稳定性分析[J]. 中国地质灾害与防治学报. 2006(03)
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。