某隧道地表斜坡變形病害分析及處治建議

摘要：文章通過對在建天峨至北海公路（天峨經(jīng)鳳山至巴馬段）某隧道的病害特征、隧道地表變形的成因、隧道病害的機(jī)理和發(fā)展趨勢、地表變形的危害進(jìn)行分析，提出地表病害、隧道內(nèi)病害的工程處理建議，可為類似隧道的病害處治提供參考。

關(guān)鍵詞：隧道；拱腰；張裂縫；塌陷坑；沉降裂縫；斜向裂縫；冒頂

U457+.2A351093

0 引言

廣西高速公路建設(shè)規(guī)模日益龐大，截至2022年年底，高速公路通車總里程已超8 000 km，歷史性實現(xiàn)縣縣通高速公路，廣西2023年新增高速公路通車?yán)锍虒⒊^800 km。在建的高速公路中，特別是已開通、運營的高速公路隧道易發(fā)生各種病害。本文通過對在建天峨至北海公路（天峨經(jīng)鳳山至巴馬段）某隧道的病害特征、隧道地表變形的成因、隧道病害的機(jī)理和發(fā)展趨勢、地表變形的危害進(jìn)行分析，提出地表病害、隧道內(nèi)病害的工程處理建議，為類似隧道的病害處治提供參考。

1 項目工程概況

天峨至北海公路（天峨經(jīng)鳳山至巴馬段）某隧道為越嶺隧道，設(shè)計隧道為分離式+小凈距特長隧道［1］，設(shè)計長度為4 720.00 m，最大埋深約為430 m。隧道在施工過程中，左線ZK45+660～ZK45+900段斜坡地表陸續(xù)出現(xiàn)了多處裂縫、冒頂，居民房墻壁、地板開裂；左線ZK45+756～ZK45+792段二襯和仰拱發(fā)生開裂；左線ZK45+768～ZK45+780段右側(cè)拱腰存在襯砌混凝土塊掉落，危及坡上、坡下居民的生命財產(chǎn)安全。同時，給隧道的正常施工帶來不利影響，甚至危及隧道結(jié)構(gòu)安全［2］。

2 隧道病害路段工程地質(zhì)條件

2.1 隧道病害路段工程地質(zhì)及設(shè)計概況

ZK45+660～ZK45+900段隧道埋深為80.3～94.5 m，地形呈凹槽狀，地表覆蓋第四系殘坡積土碎石混黏土，土層厚度為27～60 m，土層厚度較大，植被茂密；下伏基巖為二疊系下統(tǒng)茅口組（P1m）中風(fēng)化灰?guī)r，巖面凹凸不平，巖體較破碎，溶洞、溶隙發(fā)育。根據(jù)詳勘資料，ZK45+680～ZK45+940段為Ⅴ級圍巖，襯砌類型為S5-P，ZK45+670～ZK45+950段采用超前支護(hù)采用雙環(huán)小導(dǎo)管，ZK45+670～ZK45+950段采用CRD開挖法施工。

2.2 隧道病害路段地層巖性

根據(jù)鉆探揭示和地質(zhì)調(diào)查，斜坡地表變形病害段地層主要由第四系殘坡積層（Qel+dl）、二疊系下統(tǒng)茅口組（P1m）組成。

2.2.1 第四系殘坡積層（Qel+dl）

碎石混黏土，褐黃、褐灰色，稍密～中密狀，混35%～50%的黏土，碎石成分主要為風(fēng)化泥砂巖碎石，土質(zhì)不均勻，局部以黏土混碎石為主。揭示厚度為27.00～60.00 m。

2.2.2 二疊系下統(tǒng)茅口組（P1m）

中風(fēng)化灰?guī)r：灰色，隱晶質(zhì)～微晶結(jié)構(gòu)，厚層～巨厚層狀構(gòu)造，巖質(zhì)較堅硬，裂隙發(fā)育，大部分巖體較完整，局部巖體破碎～較破碎，表層溶蝕、溝槽、垂直裂隙發(fā)育，大部分被裂隙切割呈鑲嵌結(jié)構(gòu)的塊體，局部發(fā)育有溶洞，鉆探巖芯多呈短柱狀，少量呈碎塊狀。層厚一般為10～40 m。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，隧道區(qū)內(nèi)為十二坡斷裂（F3）通過，十二坡斷裂（F3）位于坡堂、林光、拉光、巴英、十二坡、陳家灣一帶，斷裂長度約為7.8 km，走向大致為50°，傾向、傾角不明，為性質(zhì)不明斷層。該斷層在林光一帶錯斷了巴臘峒-隆茶坡斷層，巴臘峒-隆茶坡斷層為性質(zhì)不明斷層，其傾向、傾角不明。

3 隧道病害特征

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該隧道ZK45+660～ZK45+900段斜坡地表變形病害主要分布于ZK45+660～ZK45+740段、ZK45+751～ZK45+853段，病害的外在表現(xiàn)主要為二襯和仰拱等部位出現(xiàn)了開裂、裂縫，地表陸續(xù)出現(xiàn)了多處裂縫、冒頂，居民房墻壁、地板開裂。

3.1 地表變形的類型及特征

3.1.1 地面塌陷坑

截至2022-09-15，ZK45+660～ZK45+900段地表共發(fā)現(xiàn)2處塌陷坑，分別為ZK45+655處左側(cè)約85 m塌陷坑（編號為TX1）、K45+685處左側(cè)約5 m塌陷坑（編號為TX2）?？辈爝M(jìn)場前，塌陷坑已回填，坑口大致呈圓形，直徑為3～5 m，TX1標(biāo)高約為806 m，TX2標(biāo)高約為852 m。根據(jù)向當(dāng)?shù)卮迕窳私?，塌陷坑TX1大致形成于2022年3月底，塌陷坑TX2大致形成于2022年4月，具體形成時間不詳，即塌陷坑TX1先形成于塌陷坑TX2。

3.1.2 地表裂縫

隧道地表發(fā)現(xiàn)多處裂縫，所有的裂縫均出現(xiàn)在塌陷坑地勢較高一側(cè)的坡面，多為張拉裂縫，少量為下錯的剪切裂縫，寬度從幾厘米至幾十厘米不等，最大沉降錯臺高度約為100 cm，裂縫最大寬度約為40 cm。主要發(fā)育的裂縫情況分析見表1。

3.1.3 房屋病害

房屋病害最嚴(yán)重的是上行線K45+660處右側(cè)15 m的一棟民房，房屋為磚混結(jié)構(gòu)，樓層為2層，該民房底層面積約為184.5 m2；其次為上行線K45+790處右側(cè)25 m的兩棟3戶民房，底層面積分別為180.9 m2、152.4 m2、140.5 m2。主要病害有房屋外墻的開裂、地板開裂。

3.2 隧道內(nèi)病害基本情況

根據(jù)施工方提供資料，天峨端左洞ZK45+756～ZK45+792段二襯和仰拱發(fā)生開裂，此段右側(cè)二襯存在幾條貫穿性裂縫；ZK45+768～ZK45+780段右側(cè)拱腰存在兩處分別為2 m2、0.3 m2的襯砌混凝土塊掉落。詳見圖1。

4 隧道病害的機(jī)理和發(fā)展趨勢

4.1 地表變形的成因分析

通過地質(zhì)調(diào)查、鉆探、物探、智能監(jiān)測，并綜合前期地質(zhì)勘察成果，隧道地表變形的演變過程如圖2所示。由圖2可知，這是一個循序漸進(jìn)的過程，并具有前因后果的關(guān)系。產(chǎn)生地表變形的原因是多方面的，可歸納為以下幾點：

（1）隧道地表變形區(qū)域處于山坡的凹槽部位，松散坡殘積土層厚度大，下伏基巖裂隙發(fā)育，風(fēng)化、溶蝕強烈。該隧道天峨端左洞ZK45+756～ZK45+792段埋深為80.9～86.7 m，掌子面埋深約80.5 m左右。隧道從巖土交界面附近穿過，圍巖以巖石夾土為主，含水量高，穩(wěn)定性較差，在隧道開挖掘進(jìn)施工過程中容易發(fā)生突泥、坍塌、冒頂?shù)仁┕さ刭|(zhì)災(zāi)害。

（2）隧道開挖過程中發(fā)生較大規(guī)模的塌方、突泥，在隧道拱頂上方形成較大的空腔，使上方土體向下產(chǎn)生沉陷變形，形成塌陷坑。

（3）塌陷坑得不到及時填埋，地表排水系統(tǒng)得不到及時恢復(fù)，使得塌陷坑周圍土體不斷坍塌，塌陷坑不斷擴(kuò)大，地勢較高一側(cè)臨空土體產(chǎn)生向下蠕動變形，出現(xiàn)拉裂縫，局部發(fā)生滑移。

（4）降雨使得變形區(qū)域土體含水量增加，重度增大，抗剪強度減弱，穩(wěn)定性降低，使圍巖中已存在的空腔拱壁進(jìn)一步坍塌，直至冒頂，產(chǎn)生更多的塌陷坑；已有塌陷坑進(jìn)一步擴(kuò)大，地勢較高一側(cè)土體向下蠕動變形加劇，甚至可能發(fā)生整體滑移。

（5）隧道開挖過程中發(fā)生較大規(guī)模的塌方，在隧道拱頂上方形成較大的空腔，使得塌方周圍土體不斷坍塌，坍塌不斷擴(kuò)大，地勢較高一側(cè)的居民房地基下方的土體產(chǎn)生向下蠕動變形，在房子自重力作用下容易產(chǎn)生地基不均勻沉降，使房屋墻面、地板等開裂。

4.2 隧道病害的機(jī)理

（1）根據(jù)鉆探、物探成果，碎石混黏土結(jié)構(gòu)松散，承載力低，碎石混黏土層存在空腔或空隙；隧道底板溶洞、大溶洞發(fā)育，洞內(nèi)多為碎石土、黏土充填，穩(wěn)定性差。這是引起隧道襯砌產(chǎn)生拉張裂縫產(chǎn)生的主要原因。

（2）碎石混黏土層厚度大，壓縮性大，承載力低，在上部碎塊石層重力作用下容易產(chǎn)生壓縮變形，從而引起隧道二襯開裂、拱腰襯砌混凝土塊掉落和初支變形。

（3）局部隧道頂板基巖厚度較薄，碎塊石層空隙較大，結(jié)構(gòu)不密實，地下水作用帶走地基中的細(xì)小顆粒。在隧道開挖施工過程中，由于隧道放炮開挖產(chǎn)生振動，從而引起地面產(chǎn)生裂縫、冒頂及房屋墻體、地板產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。詳見圖3。

4.3 隧道病害的發(fā)展趨勢

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查、智能監(jiān)測及收集到的有關(guān)資料，病害主要表現(xiàn)為地表開裂、冒頂、房屋墻體、地板開裂，隧道二襯開裂、拱腰襯砌混凝土塊掉落和初支變形，左洞產(chǎn)生病害較嚴(yán)重。根據(jù)鉆探及物探成果，左洞仰拱底面存在物探低阻異常［3］，根據(jù)智能監(jiān)測，隧道上方土體持續(xù)保持低速位移狀態(tài)，坡面整體保持低速變形狀態(tài)?？辈炱陂g對隧道進(jìn)行觀察，未發(fā)現(xiàn)隧道邊墻、拱腰等部位裂縫出現(xiàn)明顯變化，也未發(fā)現(xiàn)有新的裂縫產(chǎn)生，表明地基產(chǎn)生沉降速度緩慢，處于相對緩慢沉降變形狀態(tài)。因此，目前地基出現(xiàn)快速沉降對隧道產(chǎn)生破壞可能性較小。但隨著地下水升降作用和后期車輛動載影響，地基沉降變形的狀態(tài)會持續(xù)惡化，危及隧道結(jié)構(gòu)安全。

5 地表變形的危害評價

由于該隧道天峨端出現(xiàn)了嚴(yán)重的地表變形、居民房屋開裂現(xiàn)象，已給隧道施工單位以及生活在坡上、坡下的隆申峒居民帶來了很大影響，當(dāng)?shù)卣鲇诎踩紤]，已將生活在地表變形區(qū)上方、下方的近40戶居民從家中搬出來，安置于救災(zāi)帳篷中，并在下方設(shè)置警戒線，安排專職人員蹲守值班，嚴(yán)禁無關(guān)人員靠近。而施工單位也對天峨端左洞及右洞暫停各工序施工，封閉掌子面，撤離所有人員及機(jī)械設(shè)備，加強洞口進(jìn)出洞管理；組織人員對塌陷坑及局部地表裂縫進(jìn)行封閉、回填，防止雨水灌入。

從地質(zhì)專業(yè)角度，對該隧道ZK45+660～ZK45+900段斜坡地表變形病害的危害程度評價如下：

（1）目前雖然已對塌陷坑及局部地表裂縫進(jìn)行封閉、回填，但從現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查及走訪來看，塌陷坑回填較松散，并未分層夯實，沒有剔除植物根莖及腐植物，容易形成空腔或空隙，容易使塌陷坑周圍土體不斷坍塌，其上方裂縫進(jìn)一步發(fā)展，上方的地表裂縫將可能率先發(fā)生淺層滑塌。

（2）待雨季來臨，雨水通過裂縫、塌陷坑大量注入斜坡土體中，將使塌陷坑以下土體含水量急劇升高，重度增加，抗剪強度降低，在水壓力的共同作用下，塌陷坑上下附近土體極可能從其下方20～50 m處整體剪出，形成中厚層滑坡，嚴(yán)重危及坡上、坡下居民的生命財產(chǎn)安全。同時，在滑坡體巨大的牽引力作用下，可能造成隧道洞體嚴(yán)重變形或垮塌。

（3）據(jù)調(diào)查，目前，在塌陷坑地勢較低一側(cè)的坡下民居附近地表尚未發(fā)現(xiàn)新鮮裂縫，說明坡下民居的地基是穩(wěn)定的。居民房大多分布于坡下較平緩區(qū)域，其地基不具備整體滑移的地質(zhì)條件，因此，坡下民居聚集區(qū)不存在整體滑移危險。但在塌陷坑附近的坡上居民房，由于離塌陷坑較近，受臨空土體產(chǎn)生向下蠕動變形的影響，使房屋地基產(chǎn)生不均勻沉降而出現(xiàn)地板、墻面裂縫，若塌陷坑不能得到有效控制，從而導(dǎo)致房屋地基產(chǎn)生不均勻沉陷，有進(jìn)一步使地板、墻面裂縫的可能，對坡上的居民的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。

6 工程處治建議

該隧道ZK45+660～ZK45+900段出現(xiàn)的地表變形現(xiàn)象遵循圖3所示發(fā)展規(guī)律，并具有前因后果的關(guān)系，因此，在本隧道開挖過程中，采取有效措施“減少塌方、避免大塌方和突泥”是減少地表出現(xiàn)變形的基本指導(dǎo)思想。出現(xiàn)地表變形后，應(yīng)盡快填埋塌陷坑、封閉裂縫和恢復(fù)地表正常排水系統(tǒng)，防止地質(zhì)病害進(jìn)一步發(fā)展，避免因此釀成嚴(yán)重后果。按照“先急后緩、標(biāo)本兼治”的原則，提出以下處治建議。

6.1 地表病害工程處治建議

（1）填埋所有塌陷坑，按就近取土的原則從周圍凸出地塊中取土作為填料，取土?xí)r應(yīng)剔除植物根莖及腐植物，并分層夯實；

（2）夯實封閉所有地表裂縫，平整作業(yè)區(qū)的地表，恢復(fù)以面流排水為主的地表排水系統(tǒng)；

（3）恢復(fù)作業(yè)區(qū)的植被。

6.2 隧道病害工程處治及建議

（1）對局部軟弱圍巖和仰拱基底進(jìn)行加強處治；對襯砌開裂段全斷面注漿加固圍巖，對二襯開裂段進(jìn)行換拱處理；對尚未開挖的左洞、右洞加強超前地質(zhì)預(yù)報，加強巖溶探測，實施大仰角超前鉆探，并加強隧道初期支護(hù)，控制圍巖變形。

（2）加強地表、隧道內(nèi)監(jiān)測，加強洞內(nèi)地質(zhì)雷達(dá)及應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，繼續(xù)推進(jìn)長期變形觀測系統(tǒng)，對裂縫變形、地表變形及隧道變形進(jìn)行觀測，并對采集的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與評價，指導(dǎo)后續(xù)處治工作；加強隧道病害段日常巡查，內(nèi)容包含隧道內(nèi)的巡查以及地表影響區(qū)的巡查，尤其是雨季期間應(yīng)提高巡查頻率，若發(fā)現(xiàn)新增病害，應(yīng)及時上報處理。

（3）襯砌開裂段全斷面注漿加固圍巖，對二襯開裂段進(jìn)行換拱處理。

（4）對尚未開挖的左洞、右洞加強超前地質(zhì)預(yù)報，加強巖溶探測，實施大仰角超前鉆探，并加強隧道初期支護(hù)，控制圍巖變形。

（5）隧道從山體斜坡的水源點一、水源點二下方穿過，該兩水源點為隆申峒村民飲用水及灌溉水渠的主要水源，且覆蓋層碎石混黏土為強透水層，隧道放炮開挖產(chǎn)生振動，容易引起地面產(chǎn)生裂縫，從而引起地表水體下滲現(xiàn)象。因此，隧道開挖時應(yīng)采用短進(jìn)尺，小藥量爆破，控制爆破振動對地表斜坡的影響。

（6）盡快實施隧道病害處治，在施工期間應(yīng)加強隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測，做好施工應(yīng)急預(yù)案；隧道行車時，應(yīng)加強檢測、監(jiān)測工作，為行車安全提供及時數(shù)據(jù)。

7 結(jié)語

該隧道ZK45+660～ZK45+900段出現(xiàn)了較嚴(yán)重的病害，主要表現(xiàn)為地表開裂、冒頂、房屋墻體、地板開裂，隧道二襯和仰拱發(fā)生開裂，左洞產(chǎn)生病害較嚴(yán)重。目前地表變形仍在發(fā)展，強降雨將使地表變形進(jìn)一步加劇，處治不當(dāng)將產(chǎn)生嚴(yán)重后果。因此，必須盡快對地質(zhì)病害進(jìn)行治理，以消除安全隱患及當(dāng)?shù)鼐用耦檻]。建議繼續(xù)推進(jìn)長期變形觀測系統(tǒng)，對地表變形及隧道變形進(jìn)行觀測，并對采集的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與評價，指導(dǎo)后續(xù)處治工作。目前未發(fā)現(xiàn)隧道邊墻、拱腰等部位裂縫出現(xiàn)明顯變化，也未發(fā)現(xiàn)有新的裂縫產(chǎn)生，判斷目前隧道地基產(chǎn)生沉降速度緩慢，處于相對緩慢沉降變形狀態(tài)。因此，應(yīng)加強隧道病害段日常巡查，尤其是雨季期間應(yīng)提高巡查頻率。同時，盡快實施隧道病害處治，在施工期間應(yīng)加強隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測，做好施工應(yīng)急預(yù)案。隧道在行車時，應(yīng)加強檢測、監(jiān)測工作，為行車安全提供及時數(shù)據(jù)。

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