深切沟谷区隧道洞口仰坡失稳处治设计研究论文_王晓斌

摘要：本文以四川九绵高速工程水牛家隧道工点项目为依托，介绍处于深切沟谷区隧道洞口仰坡失稳处治方案设计，包括深切沟谷地区公路设计介绍，仰坡失稳原因分析，失稳后的处治方案选择，沟谷区桥梁改为路基方案的探讨。希望对深切沟谷区地形的公路设计提供一定的参考帮助。

关键词：高速公路、深切沟谷区、仰坡失稳处治、桥改路基

深切沟谷区建设的公路隧道，容易发生隧道洞口仰坡失稳、隧道洞内塌方等安全事故，而且治理起来难度较大。四川九绵高速水牛家隧道工点位于典型的深切沟谷区，公路在此处以隧道+桥梁+隧道的形式穿过，隧道洞口仰坡在施工期间出现了失稳情况，隧道洞内也出现塌方，洞外地表发生裂缝，亟需进行科学合理的处治方案。

1概述

深切沟谷位于梅家沟，高速公路穿越此沟原设计通过梅家沟隧道、梅家沟大桥和水牛家隧道完成，沟谷左侧坡高265m，右侧坡高170m。

梅家沟沟谷示意图

其中梅家沟大桥，全长106m，孔跨布置为 30+40+30m 简支结构，桥面连续预应力 T 梁桥。水牛家隧道全长6058m，隧道进口段位于此沟谷斜坡上，梅家沟隧道全长2425m，隧道出口段位于此沟谷斜坡上。斜坡自然坡度30～45°，坡体植被茂盛，斜坡现状稳定。表层薄层碎石土覆盖，出露基岩为上古生界泥盆系中统三河口组板岩，基岩表层节理裂隙发育，岩体相对破碎，呈镶嵌碎裂结构，岩体稳定性较差。

水牛家隧道洞口全貌照片

左、右线洞身段洞室围岩由泥盆系中统三河口组炭质板岩及板岩组成，炭质板岩为较软岩，泥质胶结，岩体破碎～较破碎，围岩稳定性一般，围岩级别为Ⅳ～Ⅴ级。板岩为较软岩，泥质胶结，岩体破碎～较破碎，围岩基本稳定，围岩级别为Ⅳ级。

水牛家隧道施工期间出现坍塌，洞顶距洞口 50m 处地表发现横向裂缝，错台最高20cm，洞顶地表距洞口 100m 处出现多条横向裂缝，分析原因主要为洞顶产生不稳定斜坡体失稳所致。

2失稳情况介绍

水牛家隧道进口左线于2018 年8月5日开始进洞施工。

2019 年 1月 5 号下午已施工完仰拱（ZK68+890）前方左侧突发坍塌（ZK68+890～+905 段），长约 15m，洞顶距洞口 50m 处地表发现横向裂缝，裂缝错台达15cm，洞顶截水沟纵向裂缝加大（9 月 11 日地表截水沟已发现纵向裂缝）。

2019年1月16日，洞内施作第二板二衬钢筋时（ZK68+842～+854），洞内 ZK68+890～+870 段左侧，纵向20m 再次发生塌方，下午 17:00 左右洞内塌方持续扩展至 ZK68+860 段（护拱施作段），洞顶地表距洞口 100m 处新增多条横向裂缝，50m 段横向裂缝开裂加剧，约 20cm 错台，且洞口仰坡段及洞外地表段形成横向贯通裂缝，洞口新增临时支撑拱架 纵向连接筋直接拉裂，竖向支撑造成严重扭曲，洞内防排水台架造成严重变形。

3仰坡失稳原因分析

从现场围岩结构产状看，不具备形成滑坡的地质条件，无外倾结构面，同时现场未发现滑坡形成的主要特征，此仰坡主要是洞口有限范围内岩土变形体失稳所致。

隧道仰坡开挖后，由于该隧道进出口上方坡度较陡，地层主要为碎石、全-中风化炭质板岩，属于土、岩组合边坡。坡体中碎石、强风化岩石厚度较大，遇水易崩解、软化，自稳能力差。随着桥台附近土体开挖，整个坡面临空面进一步扩大，整个坡面开挖高度约25m，坡面无临时支挡措施，随着时间的推移及车辆荷载（运输渣土及材料）的反复作用，坡面土体产生失稳变形，导致出现较大的位移。

洞口仰坡坡体开裂图

根据《土力学》及水牛家隧道左线洞口仰坡现场实际失稳情况，地表开裂为洞口向大桩号方向50m左右，结合物探勘察资料，通过理论分析，可初步判断洞口仰坡土体失稳破裂面，与水平面角度约为56°。失稳土体主要为强风化炭质板岩，内摩擦角φ=27°，饱和状态下内摩擦角约为φ‘=24°，计算失稳破裂角Φ=45°+1/2φ‘=45°+24°/2=57°，与通过现场开裂情况推断的破裂角度基本一致。

隧道洞口失稳破裂面图

同时由于隧道口位于明显的深切河谷地形，此地形的地应力分布存在应力分区现象，即岸坡存在应力变动区（应力降低区和应力增高区）和原岩应力区，河谷谷底存在应力集中区（高应力区），隧道的修建加剧了河谷应力场演化过程，致使软弱岩体发生水平蠕变，导致地表裂缝产生。

深切河谷地应力分区图

3.1方案设计

根据分析结果，拟定处治方案：采用一排抗滑桩布置于水牛家隧道入口洞门附近，对仰坡进行支挡处治，并且将梅家沟大桥变更为路基填筑方案，起到对隧道洞口土体的反压作用，以提高稳定性。同时延长明洞后进行反压回填，加固洞顶范围内的土体，确保隧道仰坡的稳定。

桥改路基方案处治示意图

3.2稳定性计算

岩土体力学参数，根据室内外试验值按《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63-2007)、《公路路基设计规范》，结合《建筑边坡工程技术规范》〔GB 50330-2013〕综合确定，本路段各地基岩土层承载力基本容许值[fa0]、各边坡岩土体粘聚力C(kPa)、内摩擦角φ(°) 开挖等级及边坡坡率推荐值见下表。

岩土层设计参数

饱水重度增加2KN/m3，中风化不折减。

稳定性计算计算方法采用不平衡推力法（隐式解），也叫传递系数法。

采用GEO5-2019软件进行边坡稳定性计算，在不进行支护的情况下，对原始边坡进行计算，计算结果汇总见下表：

不支护情况下边坡稳定性计算汇总表

通过计算分析可知，原始边坡不支护情况下，在天然工况下，处于欠稳定状态；在连续强降雨下处于不稳定状态，地震作用下处于不稳定状态。需进行必要的支护处理，才能满足安全性。

支护方式初拟采用抗滑桩，增设一排抗滑桩。增设支护后进行稳定性计算和抗滑桩设计。

支护后稳定性计算结果汇总表

根据滑坡剩余推力大小分别进行抗滑桩内力和配筋计算，采用最不利情况，一般为滑坡剩余下滑力最大的工况，按照地震工况进行抗滑桩设计。

平面布置图

4方案设计

采用一排抗滑桩布置于水牛家隧道入口洞门附近，对仰坡进行支挡处治，将K68+725 右线梅家沟大桥和ZK68+742左线梅家沟大桥变更为路基，变更后路基长度约110m，采用分离式路基。取消K68+725 右线梅家沟大桥和ZK68+742左线梅家沟大桥，拟定增加两座钢波纹管涵（永久）满足排水、泄洪和通行要求。变更后路基为填方路基，最高填方高度28.5m，采用三级边坡设计，坡率分别为1：1.5、1：1.75和1：2，每级边坡高度8m，并设置2m宽平台，坡面防护采用拱形防护，坡脚设置护脚墙、衡重式挡土墙进行支挡防护。

抗滑桩共计8根，采用方桩形式，编号为A1～A8,其中A4～A5之间间距为14.26m，其他间距均为5m。桩径采用2.0m×2.5m，桩长设计长度为25m，实际根据开挖地层和原地面标高情况进行动态调整。

桥改路基段采用四车道高速公路标准建设，设计速度80km/h，分离式路基单幅宽度采用12.75m，其中行车道宽2×3.75m，左侧硬路肩0.75m，右侧硬路肩宽3.0m（含右侧路缘带0.5m），土路肩宽2×0.75m。

分离式路段平面设计点位于左侧路基边缘，纵向设计点及超高旋转轴位于距左侧（行车道前进方向）路基边缘1.00m处的硬路肩上。

路基填方来自于隧道洞渣，填料合格方可用于路基填筑。由于本路段为高填方，必须按照下述要求严格控制施工工艺。

由于路基土方对隧道洞口坡体起到反压的作用，路基填筑顺序优先进行大桩号侧的填筑，靠近大桩号侧填筑到路床顶标高长度至少达到30m后，方可进行抗滑桩的施工。项目填土路基填筑材料采用碎石土为主，在填筑时，要求上、下路床（0～80cm）范围内最大粒径不得大于10cm；路堤（80cm以下）范围内最大粒径不大于15cm。

处治方案安全性强，对桥台和周围土体的加固效果好，也有利于在隧道口设置连接通道，进一步完善应急功能，造价适当，同时，路基形成的反压体对隧道洞口坡体稳定提供了有利条件。

5结语

深切沟谷区的公路设计多以隧道+桥梁的形式通过，由于沟谷区地应力集中往往导致隧道洞口仰坡失稳或坍塌危害，应当提前做好预防处治措施，提高安全防范。对于已经发生的失稳破坏，本文采用抗滑桩和桥改路基的方案，对其进行有效的处治，取得了良好效果。

参考文献

[1]公路路基设计规范[S].人民交通出版社，中交第二公路勘察设计研究有限公司主编，2015

[2]公路滑坡防治设计规范[S].人民交通出版社，中交第二公路勘察设计研究有限公司主编，2019

[3]端木杰超，深切河谷地应力场分析研究[D]. 长江科学院，湖北，2014

论文作者:王晓斌

论文发表刊物:《基层建设》2019年第27期

论文发表时间:2020/1/2

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