公路隧道洞口顺层边坡变形规律分析

胡仕明 杨伟红 李 涛 李昕堃

（1. 中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京 100083；2. 中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088）

0 引言

隧道洞口的岩体通常破碎、松散和风化，地质条件较差。洞口开挖会破坏岩土体原有的平衡，从而容易产生层理滑动、坍塌等现象[1-4]。同时，隧道进出口的埋深相对较浅，因此很难在隧道结构的上部形成承重拱[5]。隧道入口和出口通常是发生坍塌和开裂的区域，隧道开挖是滑坡的重要触发因素之一[6-7]。隧道开挖扰动可促进上部坡体内剪切带的形成和发展，严重时可导致边坡失稳，进而波及隧道衬砌结构。目前，关于浅埋暗挖隧道围岩变形机制的研究已取得了一些成果，但这些研究成果多适用于均质黏土或岩石，不能直接应用于土-岩石复合地层。

土-岩顺层边坡是失稳的重要地质因素，Yue 等[8]和Xu 等[9]依据现场的滑坡破坏特征分析，表明土-岩层面抗剪强度低，是潜在滑面。土-岩顺层边坡中上层土体、软弱结构面很容易失稳[10-13]，Lai 等[14]通过模型试验研究气象降雨对顺层边坡的影响，用土体内部应力、应变、位移、含水量等物理指标分析滑坡的特点。前述结合降雨、地质等条件的研究，为分析顺层边坡变形规律提供了借鉴，但目前关于结合隧道开挖扰动因素分析土-岩顺层边坡变形模式的研究尚显不足。

已有的几个研究项目强调了现场监测对研究围岩变形的重要性，并提出了确保隧道开挖期间安全施工的措施[15-18]。实践证明，现场监测是研究边坡变形的重要手段，同时可为滑坡预警和预防提供可靠依据。

本文以开云高速磨子坪隧道出口工程为例，采用长期现场监测的方法，研究洞口隧道开挖对其周围土-岩边坡变形的影响，分析开挖过程中边坡的变形规律，结构面对边坡变形特征和支护结构的影响，并对边坡加固措施的有效性进行了评估，以期为类似工程提供借鉴。

1 工程概述

1.1 工程概况

磨子坪隧道出口位于宝坪镇梅滩村梅子溪滩沟，地质情况复杂，开挖较为困难。洞口浅埋，有轻微偏压，洞口边坡按42°放坡，坡体外侧存在天然溪沟。出口段围岩等级为V 级，围岩为堆积土、强风化砂岩、砂质泥岩及中等风化砂岩。岩体破碎，岩质较软，洞顶以上围岩厚度小于 3 倍洞跨。围岩无自稳能力，易产生掉块、侧鼓、冒顶、坍塌现象，侧壁易失稳，地质纵剖面如如图1(a)。

图1 工程地质图

隧道右幅起止里程为K40+086.36-K43+952，总长3865.64 m。隧道为双车道道路，开挖跨度13.30 m，净高7.30 m。K43+945 开始暗挖，其中K43+920-K43+945 段隧道与软弱层面正交。坡面倾角15°，层面倾角11°，是顺向边坡。采用台阶法开挖，台阶长度10 m。横截面如图1(b)所示。

堆积土与强风化砂岩分界层面性质较差，隧道开挖出口时，由于覆盖层较薄，岩体处于土-石结合部，岩性变化明显，风化严重，极易发生平移滑坡。洞口开挖过程中层出现两次地表监测数据急剧变化，出现大量弧形裂缝，部位如图2 所示。

图2 右洞出口施工进洞照片

隧道进洞暗挖未见地下水渗漏，隧道施工期间附近未发生地震。因此，围岩松动破坏单纯是由于隧道开挖卸荷造成的，与地下水和地震活动无关。

1.2 监测点布置

利用光学方法在地表和洞内进行了位移监测，监测从隧道进洞开始，至二衬支护施做完成且变形稳定为止，监测期约3 个月。

根据隧道与边坡的位置关系，参考以往研究中隧道变形的关键位置，进行了测点布置（见图3）。地表及套拱监测点布置见图3（a），洞内拱顶及上下台阶监测点布置见图3（b）、图3（c）。洞内前三个监测断面里程与地表监测断面相对应。上台阶监测点位于土-岩交界处，下台阶监测点位于基岩中。

图3 洞口段测点布置

在远离边坡且通视条件良好的稳定区设置观测基点。每次量测时，用全站仪测出各监测点及后视点的三维坐标，读出各点的三维坐标。这样由每次监测数据与上次监测数据作差，即可得到监测点的变形。

2 监测数据分析

根据第一断面监测点位移时程曲线图（见图4），隧道进洞机械开挖后开始布置洞内监测点，进洞4天后掘进至第二断面，地表和洞内第一监测断面监测点均出现急剧变形，其中T1 沉降变化最大达到40 mm，DB1-2 沉降变化达到10 mm 以上，GD01 沉降变化达到20 mm 以上，其他测点在开挖时均出现一定程度的急剧沉降，上台阶收敛出现10 mm 以上突变，下台阶相对稳定。变形主要发生在隧道拱顶和右拱肩部位，套拱上方坡体变形太大出现裂缝错台，立即采取了停止开挖掘进措施，加固洞内支护，同时密集监测坡体变化。停工后坡体逐渐自稳。

图4 第一断面监测点位移时程曲线图

进洞第22 天再次开挖掘进至第三断面，第一断面监测点出现一定程度的变形突变，但比第一、二断面开挖变化小。后续开挖掘进，第一断面监测点变形趋于稳定。洞内变形呈套拱＞拱顶＞上台阶＞下台阶。

根据第二断面监测点位移时程曲线图（见图5），进洞4 天后开挖至第二断面，位于隧道右拱肩的监测点DB2-3、DB2-4、DB2-5 变形较大，突然沉降10 mm，洞内测点也出现相应的突变。第二断面隧道右拱肩部位坡体出现错台裂缝，延伸至套拱上方。停止掘进加固第二断面初衬支护，拱顶缓慢沉降后稳定，其他测点也逐渐稳定下来，总体比第一断面洞内变形小。进洞22 天后开挖至第三断面期间，第二断面监测数据出现小幅度突然下降，后续开挖过程中变形趋于稳定。洞内变形呈拱顶＞上台阶＞下台阶。

图5 第二断面监测点位移时程曲线图

根据第三断面监测点位移时程曲线图，隧道开挖至第二断面时，第三断面地表监测点无变形突变。进洞22 天开挖第三断面时，DB3-2、DB3-3 变形剧烈，达到20 mm，发生在隧道右拱肩，其他地表点变化相对较小（见图6）。地表第三断面地表出现大量弧形裂缝，产生裂缝区域如图2 所示。而洞内的监测点拱顶沉降20 mm 左右，上下台阶收敛变化不剧烈。经技术人员现场开会讨论，认为上覆土层存在变形位移，而基岩变形不大，处于稳定状态，可以继续掘进。后续开挖对地表与洞内测点变形虽有影响，但明显比前两个断面小，且更快稳定。洞内变形呈拱顶＞上台阶＞下台阶。

图6 第三断面监测点位移时程曲线图

第四断面隧道与层面相交，第五断面隧道已经处于基岩当中，对比可以观察到土-岩段隧道开挖的特点。根据第四、五断面监测点位移时程曲线图（见图7），进洞26 天开挖至第四断面。期间，GD04 在开挖后迅速沉降近20 mm，上台阶与下台阶收敛也有10 mm 的变化，整体变形呈拱顶＞上台阶＞下台阶。至进洞33 天第五断面开挖，可以观察到GD05 没有发生明显沉降，变形缓慢且趋于稳定，且SL05 与ZSL05 收敛变形一致，整体比前几个断面位移更快趋于稳定。

3 开挖时洞口边坡变形规律总结

根据监测数据，开挖前洞口边坡整体稳定，开挖后逐渐形成位移累积。在一-四断面范围内，隧道处在堆积土、强风化砂岩顺层边坡中，断面开挖时地表沉降、拱顶沉降和洞周收敛会不同程度急剧变化，地表沉降更明显。但后续开挖时影响越来越小，例如第三断面地表沉降，在后续开挖时并未出现小幅波动，直至稳定。土-岩段拱顶沉降与上台阶收敛变化较大，下台阶收敛变化小。开挖至第五断面，隧道进入基岩，洞内监测点变形大小相近，且比前四断面洞内监测点位移小很多。隧道与土-岩界面相交时，隧道开挖扰动影响边坡稳定性，导致上层土体位移，进而危及支护结构（见图7）。

图7 第四、五断面监测点位移时程曲线图

依据地表累积沉降随时间变化图，可以发现隧道拱顶与右拱肩部位的相应监测点变形较大。作横向断面位移沉槽（见图8），可以发现右拱肩和拱顶位移更大，坡面出现的弧形裂缝与监测数据是对应的。轴线部位在开挖时急剧变形，前缘和后缘在开挖过程中缓慢滑移，处理不当极有可能发生隧道轴部坍塌灾害。这与《公路隧道设计规范》中围岩应力分布理论模型一致，变形主要发生在隧道上方，但由于上层土很薄，承重拱效应差，上层土在卸荷时急剧沉降，并且带动拱肩土体位移。

图8 地表累积沉降沉槽

综上总结出浅埋隧道开挖工况下顺层边坡变形模式：上层土体在隧道开挖扰动影响下极易产生大位移变形，隧道拱肩与拱顶部位变形较大，严重时危害支护结构；上台阶土体、软弱结构面位移显著大于基岩，有发育顺层滑坡风险；随着开挖总进尺越大，支护结构逐渐完善，隧道、边坡整体稳定性逐渐提高。因此建议对土-岩顺层边坡洞口上层土体采取注浆、土钉支护措施，提升土体的稳定性；洞口段施工加强观测，变化较大时及时采取停工、加固支护措施，减少扰动，降低土体位移效果明显；同时可以采取拱顶与拱肩加强支护，调整支护结构使变形均匀统一。

4 结论

（1）浅埋公路隧道开挖边坡变形过程可分为三个阶段，即快速变形阶段、缓慢变形阶段和稳定阶段。所在断面开挖时，坡体变形急剧增大，是最危险的时期；随着掌子面远离，后续开挖对坡体影响有限，进入缓慢变形阶段；待支护结构逐渐完整，初衬长度增大，仰拱施做闭合成环时，坡体变形趋于稳定。

（2）当上层土体较薄，不能形成有效承重拱抵抗上层土体变形，上层土在卸荷时急剧沉降，并且带动拱肩土体位移，导致隧道拱肩与拱顶部位变形较大，严重时有滑坡风险，危及支护结构；隧道完全进入基岩后隧道及边坡稳定性有所提升，但仍需持续监测。

（3）当边坡变形及变化速率较大时应及时采取停工措施，根据现场实际情况可采取坡体注浆、坡面喷护等加固措施，必要时对隧道拱肩与拱顶部位采取加强支护措施，加强变形监测，待变形稳定后再继续施工。