1 前言

　　隧道工程是在山區(qū)高速公路建設(shè)中的關(guān)鍵工程，隧道洞口施工又往往成為施工中的控制性工程。湖南省西部某高速公路上一座連拱隧道在洞口區(qū)域就遇到了問題，隧道的仰坡開裂嚴(yán)重，且初期處置無效，這不能不引起設(shè)計(jì)人員的重視，對(duì)問題的產(chǎn)生、發(fā)展及處理的方法進(jìn)行剖析。

2 隧道仰坡開裂介紹

　　某隧道為一座300m長(zhǎng)的連拱隧道，隧道設(shè)計(jì)為夾心式曲墻結(jié)構(gòu)形式，洞門為端墻式，隧道地質(zhì)設(shè)計(jì)勘察中圍巖類別確定為Ⅱ類和Ⅲ類。隧道洞口地形為左高右低，成洞面開挖揭示隧道的上半斷面為碎石土覆蓋層，下半斷面為強(qiáng)風(fēng)化硅化砂質(zhì)板巖，巖體被切割呈塊石狀，裂隙發(fā)育。設(shè)計(jì)對(duì)施工方案提出要求，要求采用側(cè)壁導(dǎo)坑進(jìn)行施工，實(shí)際施工中，施工單位采用上下臺(tái)階法開挖施工。

　　由于此隧道所處標(biāo)段主要工程為路基土石方工程，施工單位沒有對(duì)隧道足夠重視，同時(shí)也缺乏連拱隧道的相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)隧道地質(zhì)估計(jì)不足。隧道成洞面開挖時(shí)，仰坡面下部開始出現(xiàn)小裂縫，發(fā)現(xiàn)問題后，業(yè)主和監(jiān)理十分重視，在隧道左側(cè)施工了兩排豎向φ108注漿鋼管，作為加固地表的搶險(xiǎn)措施，以防止地表裂紋擴(kuò)展，在左側(cè)豎向φ108鋼管施工后，發(fā)現(xiàn)裂縫無向左繼續(xù)擴(kuò)展趨勢(shì)，便采用此方法對(duì)仰坡下部加固，實(shí)施方案如圖1。

　　對(duì)仰坡下側(cè)加固，意在預(yù)加固基腳，穩(wěn)定邊坡，這在路基邊坡防護(hù)中常采用，如設(shè)擋墻加固，但對(duì)于隧道邊坡是否適用，只能邊做邊觀測(cè)。

　　仰坡加固后，施工單位開始采用上下導(dǎo)坑施工，先對(duì)左洞上臺(tái)階進(jìn)行開挖及支護(hù)。在左洞上臺(tái)階施工貫通后，儀器監(jiān)測(cè)表明洞頂下沉嚴(yán)重，約下沉了10cm左右，同時(shí)上臺(tái)階型鋼支撐向內(nèi)變形，洞外仰坡開裂發(fā)展如圖，原豎向鋼管加固未起到應(yīng)有的作用，洞口中隔墻頂部外側(cè)邊緣50cm左右開裂破壞，反映其受力集中，其上仰坡土體有前滑趨勢(shì)，事態(tài)變得愈發(fā)嚴(yán)重。

3 隧道仰坡開裂原因分析及建議

　　為何鋼管加固措施效果不明顯，如何防止隧道洞口仰坡繼續(xù)開裂？這是一個(gè)必須解決的問題。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，我們發(fā)現(xiàn)隧道仰坡開裂是由各種因素綜合造成的，主要體現(xiàn)在地質(zhì)、施工方案、施工管理三個(gè)方面。

3.1 隧道地質(zhì)方面

　　隧道洞口區(qū)域地質(zhì)變化大，地表覆蓋層為碎石土，較松散，土壤顆粒間結(jié)合力差是仰坡開裂的地質(zhì)因素。

3.2 施工方案方面

　　隧道主洞設(shè)計(jì)建議采用三導(dǎo)洞施工，但是其施工組織復(fù)雜，施工單位為方便施工，變更為上下臺(tái)階法施工，這也是裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的一個(gè)主要原因。在地質(zhì)情況較差的情況下，采用上下臺(tái)階法施工就必須確保上臺(tái)階斷面的初期支護(hù)落腳穩(wěn)固，而這一點(diǎn)施工單位沒有重視，基腳不穩(wěn)，時(shí)間長(zhǎng)了，初期支護(hù)變形加大，必然導(dǎo)致圍巖松弛松散，反映到洞口仰坡面上就是裂縫發(fā)展。

3.3施工質(zhì)量控制方面

　　隧道施工質(zhì)量未受到嚴(yán)格控制，中導(dǎo)洞的中隔墻頂回填不密實(shí)，存在空洞，混凝土施工質(zhì)量也不是很理想，管棚支護(hù)注漿量很少，基本上對(duì)圍巖沒有起到加固作用，同時(shí)上導(dǎo)洞初期支護(hù)型鋼落腳基礎(chǔ)不穩(wěn)，沒有做進(jìn)一步處理，導(dǎo)致下沉和位移嚴(yán)重。

3.4.施工建議

　　根據(jù)以上尋找的原因，我們要求此隧道以后施工中必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)步驟執(zhí)行，已經(jīng)采用臺(tái)階法的施工部分增設(shè)臨時(shí)仰拱，以防止繼續(xù)下沉變形，盡快填實(shí)中隔墻頂及初期支護(hù)型鋼后面的空洞，同時(shí)提出了及早施做二襯、施做明洞、仰坡裂縫用水泥砂漿進(jìn)行封閉，增設(shè)排水溝，防止仰坡表面進(jìn)一步惡化等一系列建議供參考。

4 隧道仰坡開裂模擬分析

　　筆者認(rèn)為巖土工程問題是無法精確分析求解的，但可以從定性分析和定量觀測(cè)兩個(gè)方面著手研究。定性分析是根據(jù)已有的情況模擬分析，從總體上確定問題的性質(zhì)，以便制定方案，定量觀測(cè)則是驗(yàn)證定性分析的準(zhǔn)確程度，它包含兩個(gè)方面，一是觀測(cè)問題現(xiàn)狀，為定性分析提供基礎(chǔ)資料，二是在處置方案實(shí)施后，觀測(cè)方案效果。

　　根據(jù)仰坡開裂的現(xiàn)狀，對(duì)目前仰坡的穩(wěn)定性判斷存在兩種認(rèn)識(shí)，一種是認(rèn)為土體出現(xiàn)變形導(dǎo)致滑坡趨勢(shì)，發(fā)展可能較深，一種認(rèn)為是土體變形導(dǎo)致表面反射裂縫。對(duì)于開裂仰坡處理，也存在幾種方案，一種是繼續(xù)打豎向鋼管注漿加固，顯然采用φ108鋼管是浪費(fèi)，應(yīng)改用φ42鋼管或取消鋼管直接主漿加固整個(gè)仰坡，二是采用水平鋼管注漿加固，采用φ108鋼管在開裂仰坡的中部鉆進(jìn)施工，形成一個(gè)腰梁性質(zhì)的約束，避免仰坡開裂發(fā)展，以確保其下隧道的結(jié)構(gòu)安全。

　　為了從理論上比較兩種方案的效果，筆者采用有限元對(duì)兩種方案進(jìn)行了分析，取得了比較結(jié)果，并據(jù)此制定了處理方案。

4.1仰坡開裂縱向模擬

　　一般來說，平面有限元用來數(shù)值隧道橫斷面，如何模擬隧道縱斷面，這需要一個(gè)轉(zhuǎn)化問題，筆者將隧道到開挖后初期支護(hù)對(duì)圍巖的彈性支撐作用轉(zhuǎn)化為另一種不同的平面材料代替，通過調(diào)整平面材料的參數(shù)，使隧道拱部下沉達(dá)到10cm左右，由此查看仰坡土體應(yīng)力情況，達(dá)到定量分析的目的。

　　仰坡開裂縱向模擬分三部進(jìn)行，一是成洞面及仰坡開挖，二是洞口淺埋段開挖，三是洞身深埋段開挖。在隧道拱頂下沉情況下各階段土體屈服區(qū)顯示如下圖2~圖5，第三階段主應(yīng)力圖如圖4。

　　由上圖可知，在淺埋區(qū)段開挖施工后，當(dāng)隧道初期支護(hù)拱頂變形下沉較嚴(yán)重時(shí)，在仰坡表面會(huì)出現(xiàn)大范圍的單向受拉區(qū)域，其中自下而上的一段較長(zhǎng)范圍的土體出現(xiàn)屈服，筆者認(rèn)為這與實(shí)際觀測(cè)較為吻合，土體屈服的表現(xiàn)就是仰坡開裂，開裂發(fā)展自下而上與隧道的挖進(jìn)進(jìn)度一致。由此可以確定仰坡開裂為土體變形的反射裂縫，在隧道拱頂面以下縱向開裂預(yù)測(cè)基本可以否定。

4.2豎向鋼管加固仰坡分析

　　在縱向模擬仰坡開裂的基礎(chǔ)上，筆者在第一階段模擬了3排豎向土體鋼管加固措施，各階段土體屈服區(qū)顯示如下圖6~圖7，第三階段主應(yīng)力圖如圖8

　　由上圖可知雖然設(shè)置了豎向鋼管加固，在仰坡表面仍會(huì)出現(xiàn)大范圍的單向受拉區(qū)域，其中自下而上的一段較長(zhǎng)范圍的土體出現(xiàn)屈服，其中鋼管設(shè)置位置土體由屈服轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向受拉，影響區(qū)域較小，無法阻止裂縫在仰坡上部發(fā)展。

4.3水平向鋼管加固仰坡分析

　　在縱向模擬仰坡開裂的基礎(chǔ)上，筆者在第一階段水平向模擬了2排土體鋼管加固措施，各階段土體屈服區(qū)顯示如下圖9~圖10，第三階段主應(yīng)力圖如圖11

　　由上圖可知水平鋼管加固的設(shè)置，沒有改變仰坡表面會(huì)出現(xiàn)大范圍的單向受拉區(qū)域的現(xiàn)狀，并且由于其水平鋼管的傳力作用，局部使受拉區(qū)域范圍擴(kuò)大，但是地表由于鋼管的約束作用，較長(zhǎng)范圍的土體出現(xiàn)屈服區(qū)域不見了，對(duì)裂縫的發(fā)展起到了控制作用。

　　為進(jìn)一步研究水平鋼管加固的效果，筆者又模擬了3排土體鋼管加固，各階段土體屈服區(qū)顯示如下圖12~圖13，第三階段主應(yīng)力圖如圖14

　　由應(yīng)力圖可知3排土體鋼管加固措施明顯好于2排土體加固效果（以上模擬分析未考慮注漿對(duì)土體強(qiáng)度改變的影響）。

5 隧道仰坡開裂處置方案建議

　　根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，由此制定了仰坡加固措施，采用φ108水平鋼管分區(qū)段注漿加固仰坡，各排加固鋼管間采用普通砂漿錨桿和噴射混凝土固定淺層地表。

　　按照此方案施工后，現(xiàn)場(chǎng)表明仰坡開裂得到了控制，隧道右洞開挖仰坡沒有新的裂紋出現(xiàn)，保障隧道建設(shè)的順利進(jìn)行。

6 結(jié)束語(yǔ)

　　工程中遇到巖土問題不可怕，關(guān)鍵是處理措施的經(jīng)濟(jì)性和合理性需要綜合論證，筆者認(rèn)為在確定諸如仰坡開裂之類的涉及巖土問題處理方案時(shí)，應(yīng)遵循“定性分析、定量觀測(cè)”的原則，從大的方案上把握分析，才能制定合理可行的方案，從細(xì)微的觀察著手，才能確保工程質(zhì)量。

　　具體到隧道開裂仰坡處置，由于注漿工程量無法實(shí)際控制，施工單位取得最大經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于地表垂直注漿就比較喜歡，筆者建議不妨采用水平鋼管兼注漿方案進(jìn)行綜合比較。

1.中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) .公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D70-2004）.北京.人民交通出版社，2004

2.中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) .混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2002）.北京.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002

3.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院. 懷化到新晃高速公路施工圖設(shè)計(jì)文件.2004.7