高速公路隧道洞頂危巖穩定性及防治分析

黃傳勝，胡德玉，任開富，劉火，于文霞

（1.東華理工大學 土木與建筑工程學院，江西 南昌 330013；2.貴州路橋集團有限公司，貴州 貴陽 550001；3.江西省地質局地理信息工程大隊，江西 南昌 330000）

0 前言

山區高速公路由于線路布置等原因，難免會遇到隧道進出口危巖落石等災害。根據現場調查，該危巖體位于隧道出口端隧道洞頂正上方，方量約22000m3，屬特大型危巖體。在大規模的隧道爆破、開挖等活動下，會對危巖體造成擾動，極有可能誘發其失穩，影響項目施工的進度。

近年來，許多學者在危巖穩定性及防治上開展了諸多研究。何建軍[1]采用靜力分析法計算極端工況下邊坡危巖的穩定性，針對不同高程的落石提出了工程治理措施。李勝等[2]利用k 近鄰算法與基于密度比S 的評價準則實現了優勢結構面與產狀赤平投影的快速分析。劉寶臣等[3-5]基于離散元模擬法分析了危巖的發育特征和破壞情況，指出對巖塊體積小的危巖采用靜態爆破進行清理，體積較大危巖選用錨桿支護進行加固。文興祥[6]利用Rockfall 軟件模擬典型危巖體落石運動特征，提出“凹腔嵌補+錨固”“清除+攔截”和主動防護網3類治理措施。

1 工程概況

1.1 項目概況

道真至武隆高速公路項目是貴州省“678”高速公路網中“第三縱”道真至新寨的首段，項目起于渝黔交界的子母巖，經棗子坪、丘家灣與道真至甕安高速公路道真支線順接，全線位于道真自治縣境內，該隧道為一分離式特長隧道，全長7530m，貴州境內全長5280m，重慶境內2250m。

1.2 水文及地質

項目區屬長江流域-烏江水系-芙蓉江支流-梅江二級支流。場區地形高差大，地表溝谷切割較深，溝谷內常有地表水分布，多為季節性溪流，流量受大氣降雨控制。

項目區地處黔北高原北部，為大婁山延伸段向四川盆地過渡的斜坡地帶。主要山脈呈南北走向。其地理特點是低緯度、高海拔、深切割，多中低山丘陵。地貌類型復雜多樣，以山地、丘陵、河谷、峽谷、山間壩地和槽谷為主。

1.3 洞頂危巖概況

該隧道出口段洞頂危巖體（“錯落體”位于東經107°44'54.40″、北緯29°5'18.41″）地屬貴州省道真縣洛龍鎮，危巖體位于隧道出口端隧道右幅YK42+425～YK42+455 段洞頂正上方，與隧道洞門水平距離約140m，垂直高差約100m，危巖體長約30m，寬約25m，高約29m，總體積約21750m3，面貌如圖1、圖2所示。

圖1 隧道洞頂危巖體照片

圖2 隧道洞頂危巖體近景照片

危巖及基圍巖位于黃因（困）背斜SN 翼之（YK42+580～YK42+640）次級平緩褶皺構造上，危巖體為中厚層-厚層狀含燧石條帶中風化灰巖，產狀為23°∠28°（視傾角18°），危巖體后準穩定基（圍）巖為二迭系下統棲霞組（P1q1)第一段中厚層至厚層狀中風化灰巖，產狀20°∠15°（視傾角9°）。危巖體傾錯賦存YK42+640 段新近崩積體頂部，場地堆積體呈上薄下厚，厚度約1.8～10m，堆積體以塊石為主、粒徑1～3m，塊石母巖為中厚層石灰巖、巖質堅硬，塊石間鑲嵌粘土充填。危巖體地質縱斷面如圖3 所示。

圖3 危巖體地質縱斷面圖

2 危巖體穩定性分析

該危巖位于隧道出口洞頂上方，危巖所在山體地勢高陡，構造作用劇烈，在隧道施工的擾動下，出現掉塊現象，嚴重威脅到隧道施工的正常進行。因此對危巖的穩定性及加固進行研究是保障隧道施工人員安全的關鍵一環，同時及早預防治理能有效減少災害造成的損失。

2.1 定性分析

據文獻[7-8]，危巖的穩定性受多種因素影響，包括巖體所處的地形坡度、主控結構面、降雨、人類相關活動。

將影響危巖穩定性的因素逐一分析，該隧道洞頂上方危巖體地形陡峭，坡度在50°以上。主控結構面順坡向，傾角小于坡角，斷續充填泥質、巖屑，同時由于降雨及隧道爆破、開挖對堆積體也會產生一定擾動，加速了上部危巖體產生順坡向位移的趨勢，判別此危巖體的破壞方式為滑移式，危巖會隨著堆積體的滑動而產生整體下滑。綜合評價子母巖隧道洞頂上方危巖穩定性不良。

2.2 定量分析

①評價標準

根據《滑坡防治工程勘查規范》（GB/T 32864-2016），各類危巖可建立下列評價標準，如表1所示。

表1 危巖評價標準

②計算方法

根據《公路路基設計規范》（JTGD30-2015）第3.7.5 條規定，規模較大的碎裂結構巖質邊坡和土質邊坡采用簡化Bishop（畢肖普）法計算。此次計算采用的巖土參數為危巖勘察報告中的建議值，巖體容重取24.5kN/m3，碎石土取20kN/m3，粘聚力為60kPa，內摩擦角為11°。

危巖體穩定性計算采用Bishop（畢肖普）法計算下滑力，合計下滑力En 計算公式為：

式中，En為第n個條塊的剩余下滑力（kN/m）；K為安全系數ωi；ωi為第i 塊重量（kN）；αi為第i個條塊所在折線段滑面的傾角（°）；φi為第i個條塊滑面上的內摩擦角（°）；Li為第i個條塊分段的弧長度（m）；Ci為第i 個條塊填土粘結力（kPa）。

結合現場實際情況，本次計算塊段劃分共計7 塊，塊厚度取值取單位厚度1m，塊段劃分如圖4所示。

圖4 穩定性計算塊段劃分圖

③計算結果

根據計算公式及塊段劃分，計算過程如表2、表3所示。

表2 子母巖隧道洞頂危巖Bishop（畢肖普）法計算（k取0.985）

表3 子母巖隧道洞頂危巖Bishop（畢肖普）法計算（k取1.09）

結合表中數據，通過畢肖普法結合反推法進行計算，當假定穩定性系數為0.985 時，危巖體下滑力 En=-405.14kN/m。當假定穩定性系數為1.09 時，危巖體下滑力為En=1.13kN/m，此時危巖體下滑力近似等于0，此時土體屬于臨界穩定狀態，說明該特大型危巖體的穩定性系數為1.09。根據危巖穩定性評價標準，如圖2 所示，滑塌式危巖體穩定性系數必須在1.3 以上才能保證穩定性滿足要求。由此可知，在自然狀態下該危巖體處于欠穩定狀態，而暴雨和隧道施工均為觸發危巖體發生崩落的活躍因素，為了確保危巖體穩定，需對危巖體進行加固處理。

3 危巖體防治措施

3.1 防治措施

綜合前人研究成果及危巖的常見防治措施可知，危巖的破壞方式主要有墜落式、滑移式、傾倒式，通過對該隧道洞頂上方危巖的穩定性分析，可知此危巖體的破壞方式為滑移式，危巖會隨著堆積體的滑動而產生整體下滑。結合現場環境確定如下治理方案，主動防護加固網→清理小型危石→澆筑護坡擋墻→十字獨立錨索錨固→綠化坡面。治理加固斷面圖如圖5所示。

①主動防護加固網

從穩定基巖體設置12 根A20 錨固鋼絲繩，作用于危巖體上，SNS主動防護網布設位于危巖體外側坡面上，防護網總長45m，寬25m，支撐繩采用A20 鋼絲繩，在支撐繩構成的每個4.5m×4.5m網格內鋪設4m×4m 的DO/08/300 型鋼繩網，形成SNS 主動防護網進行臨時加固。每張鋼繩網與四周支撐繩間用縫合繩縫合聯結并進行預張拉，該張拉工藝能使系統對放面施以一定的法向預緊壓力，從面提高表層危巖體的穩定性。

②清理小型危石

清理小型危石時，首先破碎并清理掉塊莖小于1m 的危石，然后用錨繩固定塊莖較大危石后采用靜力爆破的方式進行破碎，避免產生對該特大型危巖的擾動，安全性高。

③澆筑護坡擋墻

臨時加固后從危巖底外側地基增設3排微形鋼管樁（69根，單根長12m），在鋼管樁頂設護坡擋墻斜撐至危巖，斜撐可根據危巖實際情況作適當調整，然后分層澆筑護坡擋墻混凝土，護坡施工時按2m 間距梅花形布置10cm 直徑泄水孔。

④十字獨立錨索加固

錨索采用HRB300 鋼筋，C30 混凝土，長度25m，4.5m×4.5m 間距布置，在現場實際施工時，需要保證足夠的錨固長度，使錨固段錨固到基巖中，因此可根據危巖實際厚度合理調整錨索長度，每索設計張拉力750kN，共17 束十字獨立錨索。

⑤綠化坡面

加固完畢后對被破壞的整個坡面通過噴播草種(含灌木籽)進行綠化處理，恢復原生態。

3.2 防治效果分析

根據規范要求，要想保證危巖穩定性要求，穩定性系數最小須達到1.3，現按1.3 穩定系數取值，計算結果如表4 所示。

表4 隧道洞頂危巖Bishop（畢肖普）法計算（K取1.3）

由表中計算結果可知，當圍巖穩定系數在1.3時，合計下滑力為814.22kN，所需抗滑力必須大于下滑力，才能保證危巖體不會發生滑移，使下方隧道施工的安全得到保障。根據危巖加固措施，12 根A20 錨固鋼絲繩，每根鋼絲繩施加力按100kN 計算，共計抗滑力1200kN，護坡擋墻共設3 排微型鋼管樁，每根鋼管樁按15kN 計算，共計抗滑力1035kN，共設十字獨立錨索17 束，每索施加預應力600kN，共計抗滑力10200kN，抗滑力總和為12435kN，穩定性系數=12435/814.22=15.27，遠遠大于規范要求的1.3。計算表明，對于采用主動防護網+護坡擋墻+十字獨立錨索錨固的加固措施，可以有效提高危巖的穩定性，防治效果良好。

4 結論

該隧道洞頂上方危巖總體積約21750m3。根據穩定性分析，危巖所在山體地勢高陡，構造作用劇烈，穩定性較差。判斷該特大型危巖體破壞方式為滑移式，危巖會隨著堆積體的滑動而產生整體下滑。

通過畢肖普法對危巖體穩定性進行定量計算，并對其穩定性做出合理評價，自然狀態下該危巖體處于欠穩定狀態，暴雨和隧道施工極有可能會造成該危巖體發生破壞。

對該特大型危巖采用主動防護加固網+護坡擋墻+十字獨立錨索錨固的加固措施，復核計算表明危巖體的穩定性得到顯著提高，防治效果良好。