隧道边仰坡是什么(隧道边仰坡图片)

王晓帆中国公路工程咨询集团有限公司 中咨华科交通建设技术有限公司

摘要:滇东北地区地质构造发育，地质活动频繁，隧道洞口地形、地貌、地质等施工条件复杂多变。以滇东北某高速公路特长隧道工程为背景，通过对隧道洞口“前开挖-后开挖-后支护”三阶段过程的稳定性分析，结合施工组织等因素，对隧道洞口进行了“永久-临时结合”的综合设计。工程实践表明，洞口边坡设计效果良好，工程措施安全有效，可为类似施工条件下的隧道边坡设计提供参考。

关键词:隧道边坡；耦合特性；模拟稳定性分析；永久结合；全面的支持设计；

一条在建高速公路位于云南东北部，呈东西走向，连接贵州、四川两省，全长96km；按照双向四车道高速公路标准，设计速度为80km/h；路基宽度25.5 m，桥涵设计荷载为公路-ⅰ级；全线桥梁20165m/63座，隧道48300m/16座，约占总数的70%。采用设计施工总承包模式。

由于滇东北地区地质构造发育，岩性复杂，地形陡峭，隧道工程选址受多重因素制约，设计方案需要兼顾工程的可行性、安全性和合理性。然而，洞口边坡的安全直接关系到施工过程和运营阶段的安全。现行规范要求尽可能控制隧道进口边坡和上坡的高度，并采用延长明洞等措施进行支护[1]。但在设计实践中，大量采用小导管注浆等常规措施，缺乏对边坡施工条件的透彻了解和对边坡稳定性的分析。特别是在边坡结构、施工方法、地表结构等因素耦合条件下的隧道边坡支护设计应给予足够的重视。

以滇东北某高速公路特长隧道为背景，结合隧道设计和施工过程，通过模拟多因素耦合下隧道洞口边坡"开挖前、开挖后、支护后"三个阶段的稳定性分析，总结出隧道洞口边坡的设计思路和方法，为类似边界条件下隧道洞口边坡的设计和施工提供参考。

1 工程概况

滇东北某高速公路特长隧道全长9 750 m，建筑限界10.25 m× 5.0 m，隧道右洞采用-1.70%/3 620 m单向坡接-2.15%/6 570 m，左洞采用-1.70%/3 610 m单向坡接-2.514%/6 550 m，采用端墙式洞门隧道进出口与洞身左右线净距约40 m，设计为独立隧道；隧道采用电光照明，双斜井分段通风。

以特长隧道为例，探讨了隧道出口侧右洞进口边坡的综合设计。根据设计，右洞出口位于YK65+764处，洞门建筑物高度为13.5 m，临时开挖高度为11.45 m，洞顶边坡高度为14.24 m，坡顶为局部路面。隧道入口与沙路和边坡形状的关系如图1所示。

图1隧道入口的示意位置

2 建设条件2.1地形地貌

隧道洞口所在边坡平面形状为“簸箕状”，自然坡度35° ~ 45°，总体呈近SW走向。地表为第四系崩坡积形成的碎石块石土，下伏基岩为白云质灰岩，部分地段基岩裸露。目前自然边坡无开裂变形迹象，边坡相对稳定。

2.2气象水文

路线经过的地区属于亚热带和暖温带高原季风气候，年降水量在688.9毫米至1 427.7毫米之间，平均为941.6毫米；雨季多集中在5月至10月上旬，占全年降水量的83%；历年平均阴雨日230天，最长连续阴雨日33天。由于洞口边坡主要为崩滑体，地表径流入渗路径发育，雨季易造成岩土物理力学参数下降，降低边坡稳定性。

2.3工程地质2.3.1地层岩性

根据地质调查和勘探孔，边坡的物质主要为崩积残积土和粉质粘土，下伏基岩主要为中奥陶统乔家组上部的白云质灰岩和泥灰岩。

根据路线设计标高，本文分析的隧道出口主要位于崩积碎屑土层中，厚度9.0~32.0 m，杂色，稍湿，稍密~中密。石屑粒径一般为10 ~ 450 mm，最大约为1 400 mm，含量约为75%。粉质粘土填充其间。圆度差，以棱角为主，分选差，级配差，骨架颗粒交错，且多为连续接触。下伏基岩为倒置的强风化白云质石灰岩。

2.3.2地质构造

隧道场地的大地构造属于川滇经向构造体系中的甪直江-小江南北向构造带东缘与滇东多边形构造的结合部。北东向和南北向构造相互竞争，属于地质构造中等复杂区。

根据区域地质资料，拟建隧道位于魏家渡背斜(19号)和阿鲁区块向斜(24号)之间，以及包古脑-小河断层(19号)之间F42和F41)和红埠街子断层(编号F21)都是附近开发的。三条断层在洞身处与隧道相交，但不存在文中所说的洞口处的断层。

2.3.3区域稳定性

根据《云南省区域活动断层分布图》[2]，距离拟建隧道隧址最近的断层为小河-包古脑断层。该断层位于该段线路的西南侧，距离拟建隧道约5 km。根据云南省区域地壳稳定性评价图[3]，隧道区位于ⅲ 1区(次稳定区)，区域地壳稳定性略好。

2.3.4水文地质

隧道出口所在边坡的地下水主要有堆积层孔隙水、基岩裂隙水和岩溶裂隙水。由于洞口边坡的覆盖层主要由破碎、块状石质土组成，gap 空发育，雨季局部地区可形成上层滞水，但一般不能形成统一的潜水位。基岩裂隙水和岩溶裂隙水主要受覆盖层地下水的渗透补给，其排泄主要受微地貌控制，流量较小。未发现边坡渗漏。

2.4沙小公路

沙公路设计速度15 km/h，路基宽度6.5 m，按四级公路标准建设，技术指标低。但这条路是从乐红到小河的唯一通道，在当地人民的生产生活中发挥着重要作用。因此，它是隧道出口边坡施工中必须考虑的重要因素之一。

2.5耦合特征综合分析

综上所述，隧道洞口呈现出多因素耦合的特征，这是隧道洞口边坡工程必须考虑的控制条件。隧道洞口耦合特性分析如下。

(1)物质组成。

隧道进口边坡的物质组成是其工程特性的基础。隧道进口主要为崩积残积土和粉质粘土，下伏基岩为强风化白云质灰岩，隧道进口结构和边坡均为残积土。因此，洞口边坡的变形特征为类土质边坡。

(2)物候条件。

虽然隧道口地表水系统不发达，但每年有5个月左右的雨季。边坡的碎石土是天然的渗流通道，地表水入渗后容易形成滞水，导致边坡稳定性下降。

(3)地表构筑物。

隧道入口上方是肖莎路，这是乐红和小河之间的唯一通道。交通繁忙，施工期间大量重型车辆通过。因此，隧道洞口边坡支护必须考虑肖莎道路的交通安全要求。

(4)施工工艺。

无论采用何种施工技术，在隧道进洞阶段开挖都是不可避免的。某些岩土体开挖后，容易破坏自然边坡的稳定性，危及肖莎公路和隧道进口的安全。因此，上仰坡的设计要对施工工艺的选择提出建议，以保证现场实施过程与设计思路最大程度的一致。

3 稳定性评价

稳定性评价是边坡支护设计的前提。根据"过程稳定性分析"的概念，对开挖前、开挖后和支护后三个阶段的稳定性进行评价，为仰坡支护设计提供参考。由于洞口所在地层为碎石土和类土质边坡，故选用简化的毕肖普法进行计算。同时，根据规范要求和入口区稳定性，对上述三个阶段的边坡稳定性在自然工况和非正常工况ⅰ(暴雨工况)下进行同步评价[4]。

3.1计算参数

根据工程地质勘察报告，进口边坡岩土体计算参数见表1。

表1边坡岩土参数值

土层名称

重度γ KNM3重度γ K ν m-3

自然工作条件

异常工况ⅰ

附着力c/kPa

内摩擦角φ/()

附着力c/kPa

内摩擦角φ/()

崩积碎石土

21

24

35

18.5

30

强风化白云质石灰岩

25.3

40

四十二个

—

—

3.2原状边坡稳定性评价调查期间，洞口所在边坡稳定。根据计算，未开挖原状边坡时，自然工况安全系数为1.50，暴雨工况安全系数为1.22，边坡稳定。这一结论与调查和访谈前通过调查和现场施工得到的结论是一致的。

3.3洞口开挖稳定性评价

根据前述，当洞穴的开口开始施工时，需要挖掘以形成工作面。隧道洞口建筑高度为13.5 m，临时开挖高度为11.45m，形成的临时边坡将在隧道洞口施工完成后回填。根据设计，临时开挖边坡比为1∶0.3。因为开挖会改变边坡的应力状态，所以对该阶段边坡的稳定性进行评价。

根据评价结果，如果不采取支护措施，临时开挖边坡在自然条件下的安全系数为1.03，暴雨条件下的安全系数为0.83，不能满足现行规范对临时边坡安全系数的要求[4]。此外，滑动面的剪切入口贯穿边坡并延伸至肖莎路路面，这必然会导致肖莎路的变形甚至肖莎路的塌陷。

施工期间，由于工序衔接问题，出口端进尺至左洞22 m、右洞20 m时，山体和洞顶砂路出现11条长0.38~14.3 m、宽5 ~ 20 mm的裂缝。边坡变形和位移明显，与前面的计算结果吻合较好，如图2所示。

图2第二阶段(开挖后)表面裂缝

鉴于此，结合现场调查分析和计算结果，提出了有针对性的综合支护措施。

3.4计算结果汇总

综上所述，第一阶段(开挖前)和第二阶段(开挖后和未施工支护期间)的稳定性分析和计算结果汇总如表2所示。

表2第一阶段和第二阶段稳定性计算结果汇总

自然条件下的安全系数

非正常工况ⅰ的安全系数

第一阶段

第二阶段

规格要求

第一阶段

第二阶段

规格要求

1.5

1.03

1.20~1.30

1.22

0.83

1.10~1.20

由表2可知，边坡开挖对边坡稳定性有显著影响，支护设计应充分考虑永久边坡和临时边坡的防护特性，以保证各阶段的施工安全和洞顶以上的道路运行安全。

4 综合支护设计

洞口开挖临时边坡时，边坡的安全系数不能满足规范要求，现场边坡的变形也证实了计算的可靠性。据此，在原设计的基础上，对边坡进行了“永久-临时相结合”的综合支护设计。

4.1坡率、坡形

隧道进口上方的永久边坡为自然边坡，在隧道进口内开挖形成坡率为1∶0.3、高度为11.45 m的临时边坡。临时边坡将在洞口施工完成后回填。因此坡率和坡形保持不变，不再进行刷洗等处理。

4.2支护措施选用4.2.1永久性支护措施

根据洞口地层结构和地形条件，拟选择预应力锚索框架和注浆钢锚管复合支护体系[6]，利用注浆锚管改善边坡土体内部结构，与预应力锚索形成长度匹配的复合支护体系。

预应力锚索结构为张拉式，布置间距为3.0m× 3.0m..肖莎路下方布置四排预应力锚索。预应力锚索由4束15.2 mm无粘结高强度钢绞线组成。采用强风化白云质灰岩作为锚固地层，锚固段长度6 m，锚索总长30 ~ 35 m，单锚设计拉力440 kN。

锚管长12 m，采用70 mm钢管，间距1.5 m×1.5 m，交错布置预应力锚索，全长灌浆粘结，单根锚固力100 kN。

预应力锚索框架+锚管复合支护体系的布置如图3所示。

4.2.2临时支护措施

临时边坡支护措施采用锚管和喷射混凝土复合体系[5]。锚管为5 ~ 8 m长钢管，直径42 mm，布置间距1.5 m×1.5 m，单根锚固力50 ~ 80 kN。坡面采用20 cm×20 cm钢筋网，10 cm厚C20喷射混凝土封闭。

图3预应力锚索和锚管复合支护

单位:厘米

4.2.3支护稳定性评价

支护措施拟定后，对实施支护措施后的边坡稳定性进行评价，计算结果汇总见表3。

表3三个阶段稳定性计算结果汇总

自然条件下的安全系数

非正常工况ⅰ的安全系数

第一阶段

第二阶段

第3阶段

规格要求

第一阶段

第二阶段

第3阶段

规格要求

1.5

1.03

1.31

1.20~1.30

1.22

0.83

1.10

1.10~1.20

根据表3，边坡支护后的安全系数满足相关规范的要求[4]。施工后的护孔工程现场照片如图4所示。

图4施工后的护孔照片

5 动态施工

隧道洞口临时边坡为坡顶边坡，因此在隧道施工过程中，应严格遵循信息化动态施工的原则[4]，建立覆盖隧道洞口的位移观测网，位移观测桩宜布置在肖莎路靠山侧至隧道洞口外侧5 m处。观测点必须布置在沟渠、路肩、小路的坡折处。每天观察观测点一次，如遇持续降雨，每天观察两次。如果观察到的变形超过5 mm/d，应立即疏散人员并采取紧急措施。

设计实施至今已近三年，肖莎公路运行顺畅，洞口边坡状况良好。

6 结语

(1)隧道边坡安全系数最小时，为隧道进洞阶段。坡脚开挖引起应力集中，此时屋面施工和局部交通荷载容易诱发边坡开裂和滑动。

(2)隧道边坡设计的实质是边坡的稳定性。应采用岩土工程方法。在详细分析边坡的物质组成、边坡结构和边界条件耦合特征的基础上，在边坡稳定性分析的基础上，有针对性地进行边坡形状设计和支护设计。

(3)隧道边坡施工必须采用信息化动态施工。通过对边坡的监控量测，可以为施工进度和支护方案的调整提供可靠的依据，确保施工和运营过程的安全。

参考文献

[1] JTG 3307.1-2018公路隧道设计规范第一册土木工程[S]。北京:人民交通出版社，2015。

[2]云南省地震局编。云南省区域活动断裂分布图[M].2010 .

[3]国土资源综合遥感调查项目。云南省区域地壳稳定性评价图[M].2001 .

[4] JTG D30-2015公路路基设计规范[S].北京:人民交通出版社，2015。

[5] GB 50086-2015岩土锚喷支护工程技术规范[S]。北京:中国规划出版社，2015。

[6] DZT 0219-2006滑坡防治工程设计与施工技术规范[S]。北京:中国标准出版社，2006。