某隧道仰坡开裂原因分析及处置措施比较

1 前言
　　隧道工程是在山区高速公路建设中的关键工程，隧道洞口施工又往往成为施工中的控制性工程。湖南省西部某高速公路上一座连拱隧道在洞口区域就遇到了问题，隧道的仰坡开裂严重，且初期处置无效，这不能不引起设计人员的重视，对问题的产生、发展及处理的方法进行剖析。
2 隧道仰坡开裂介绍
　　某隧道为一座300m长的连拱隧道，隧道设计为夹心式曲墙结构形式，洞门为端墙式，隧道地质设计勘察中围岩类别确定为Ⅱ类和Ⅲ类。隧道洞口地形为左高右低，成洞面开挖揭示隧道的上半断面为碎石土覆盖层，下半断面为强风化硅化砂质板岩，岩体被切割呈块石状，裂隙发育。设计对施工方案提出要求，要求采用侧壁导坑进行施工，实际施工中，施工单位采用上下台阶法开挖施工。

　　由于此隧道所处标段主要工程为路基土石方工程，施工单位没有对隧道足够重视，同时也缺乏连拱隧道的相关施工经验，对隧道地质估计不足。隧道成洞面开挖时，仰坡面下部开始出现小裂缝，发现问题后，业主和监理十分重视，在隧道左侧施工了两排竖向φ108注浆钢管，作为加固地表的抢险措施，以防止地表裂纹扩展，在左侧竖向φ108钢管施工后，发现裂缝无向左继续扩展趋势，便采用此方法对仰坡下部加固，实施方案如图1。
　　对仰坡下侧加固，意在预加固基脚，稳定边坡，这在路基边坡防护中常采用，如设挡墙加固，但对于隧道边坡是否适用，只能边做边观测。
　　仰坡加固后，施工单位开始采用上下导坑施工，先对左洞上台阶进行开挖及支护。在左洞上台阶施工贯通后，仪器监测表明洞顶下沉严重，约下沉了10cm左右，同时上台阶型钢支撑向内变形，洞外仰坡开裂发展如图，原竖向钢管加固未起到应有的作用，洞口中隔墙顶部外侧边缘50cm左右开裂破坏，反映其受力集中，其上仰坡土体有前滑趋势，事态变得愈发严重。
3 隧道仰坡开裂原因分析及建议
　　为何钢管加固措施效果不明显，如何防止隧道洞口仰坡继续开裂？这是一个必须解决的问题。通过现场调查分析，我们发现隧道仰坡开裂是由各种因素综合造成的，主要体现在地质、施工方案、施工管理三个方面。
3.1 隧道地质方面
　　隧道洞口区域地质变化大，地表覆盖层为碎石土，较松散，土壤颗粒间结合力差是仰坡开裂的地质因素。
3.2 施工方案方面
　　隧道主洞设计建议采用三导洞施工，但是其施工组织复杂，施工单位为方便施工，变更为上下台阶法施工，这也是裂缝产生和发展的一个主要原因。在地质情况较差的情况下，采用上下台阶法施工就必须确保上台阶断面的初期支护落脚稳固，而这一点施工单位没有重视，基脚不稳，时间长了，初期支护变形加大，必然导致围岩松弛松散，反映到洞口仰坡面上就是裂缝发展。
3.3施工质量控制方面
　　隧道施工质量未受到严格控制，中导洞的中隔墙顶回填不密实，存在空洞，混凝土施工质量也不是很理想，管棚支护注浆量很少，基本上对围岩没有起到加固作用，同时上导洞初期支护型钢落脚基础不稳，没有做进一步处理，导致下沉和位移严重。
3.4.施工建议
　　根据以上寻找的原因，我们要求此隧道以后施工中必须严格按照设计步骤执行，已经采用台阶法的施工部分增设临时仰拱，以防止继续下沉变形，尽快填实中隔墙顶及初期支护型钢后面的空洞，同时提出了及早施做二衬、施做明洞、仰坡裂缝用水泥砂浆进行封闭，增设排水沟，防止仰坡表面进一步恶化等一系列建议供参考。
4 隧道仰坡开裂模拟分析
　　笔者认为岩土工程问题是无法精确分析求解的，但可以从定性分析和定量观测两个方面着手研究。定性分析是根据已有的情况模拟分析，从总体上确定问题的性质，以便制定方案，定量观测则是验证定性分析的准确程度，它包含两个方面，一是观测问题现状，为定性分析提供基础资料，二是在处置方案实施后，观测方案效果。
　　根据仰坡开裂的现状，对目前仰坡的稳定性判断存在两种认识，一种是认为土体出现变形导致滑坡趋势，发展可能较深，一种认为是土体变形导致表面反射裂缝。对于开裂仰坡处理，也存在几种方案，一种是继续打竖向钢管注浆加固，显然采用φ108钢管是浪费，应改用φ42钢管或取消钢管直接主浆加固整个仰坡，二是采用水平钢管注浆加固，采用φ108钢管在开裂仰坡的中部钻进施工，形成一个腰梁性质的约束，避免仰坡开裂发展，以确保其下隧道的结构安全。
　　为了从理论上比较两种方案的效果，笔者采用有限元对两种方案进行了分析，取得了比较结果，并据此制定了处理方案。
4.1仰坡开裂纵向模拟
　　一般来说，平面有限元用来数值隧道横断面，如何模拟隧道纵断面，这需要一个转化问题，笔者将隧道到开挖后初期支护对围岩的弹性支撑作用转化为另一种不同的平面材料代替，通过调整平面材料的参数，使隧道拱部下沉达到10cm左右，由此查看仰坡土体应力情况，达到定量分析的目的。
　　仰坡开裂纵向模拟分三部进行，一是成洞面及仰坡开挖，二是洞口浅埋段开挖，三是洞身深埋段开挖。在隧道拱顶下沉情况下各阶段土体屈服区显示如下图2~图5，第三阶段主应力图如图4。

图 2（第一阶段）

图 3（第二阶段）

图 5（主应力图）

图 4（第三阶段）

　　由上图可知，在浅埋区段开挖施工后，当隧道初期支护拱顶变形下沉较严重时，在仰坡表面会出现大范围的单向受拉区域，其中自下而上的一段较长范围的土体出现屈服，笔者认为这与实际观测较为吻合，土体屈服的表现就是仰坡开裂，开裂发展自下而上与隧道的挖进进度一致。由此可以确定仰坡开裂为土体变形的反射裂缝，在隧道拱顶面以下纵向开裂预测基本可以否定。
4.2竖向钢管加固仰坡分析

图 6（第二阶段）

图 7（第三阶段）

图8（主应力图）

　　在纵向模拟仰坡开裂的基础上，笔者在第一阶段模拟了3排竖向土体钢管加固措施，各阶段土体屈服区显示如下图6~图7，第三阶段主应力图如图8
　　由上图可知虽然设置了竖向钢管加固，在仰坡表面仍会出现大范围的单向受拉区域，其中自下而上的一段较长范围的土体出现屈服，其中钢管设置位置土体由屈服转变为双向受拉，影响区域较小，无法阻止裂缝在仰坡上部发展。
4.3水平向钢管加固仰坡分析
　　在纵向模拟仰坡开裂的基础上，笔者在第一阶段水平向模拟了2排土体钢管加固措施，各阶段土体屈服区显示如下图9~图10，第三阶段主应力图如图11

图 9（第二阶段）

图 10（第三阶段）

图 11（主应力图）

　　由上图可知水平钢管加固的设置，没有改变仰坡表面会出现大范围的单向受拉区域的现状，并且由于其水平钢管的传力作用，局部使受拉区域范围扩大，但是地表由于钢管的约束作用，较长范围的土体出现屈服区域不见了，对裂缝的发展起到了控制作用。
　　为进一步研究水平钢管加固的效果，笔者又模拟了3排土体钢管加固，各阶段土体屈服区显示如下图12~图13，第三阶段主应力图如图14

图 12（第二阶段）

图 13（第三阶段）

图14（主应力图）

　　由应力图可知3排土体钢管加固措施明显好于2排土体加固效果（以上模拟分析未考虑注浆对土体强度改变的影响）。
5 隧道仰坡开裂处置方案建议
　　根据数值模拟分析结果，由此制定了仰坡加固措施，采用φ108水平钢管分区段注浆加固仰坡，各排加固钢管间采用普通砂浆锚杆和喷射混凝土固定浅层地表。
　　按照此方案施工后，现场表明仰坡开裂得到了控制，隧道右洞开挖仰坡没有新的裂纹出现，保障隧道建设的顺利进行。
6 结束语
　　工程中遇到岩土问题不可怕，关键是处理措施的经济性和合理性需要综合论证，笔者认为在确定诸如仰坡开裂之类的涉及岩土问题处理方案时，应遵循“定性分析、定量观测”的原则，从大的方案上把握分析，才能制定合理可行的方案，从细微的观察着手，才能确保工程质量。
　　具体到隧道开裂仰坡处置，由于注浆工程量无法实际控制，施工单位取得最大经济效益，对于地表垂直注浆就比较喜欢，笔者建议不妨采用水平钢管兼注浆方案进行综合比较。