天大高速公路第三合同段K13+280～K13+360段为左右分离路基,左幅路基为黑石崖隧道段,右幅路基为填方路基段。黑石崖隧道是单幅左洞隧道,长度446m,最大埋深44.14m,为典型浅埋偏压隧道。黑石崖和大梁山隧道均为山岭石质隧道。隧址区地貌单元为构造剥蚀基岩中山区,围岩由右所堡组(Ar1y)全-强风化紫苏斜长麻粒岩夹有薄层紫苏(榴石)黑云斜长片麻岩组成。施工期间未见地下水。
通过调阅黑石崖隧道的施工图设计文件,隧道在浅埋偏压段设计中采用了施作护拱及地表导管加固的工程措施。具体为：ZK13+325～ZK13+365、ZK13+450～ZK13+480段,地表设置小导管并灌注水泥浆,导管注浆范围为一倍洞身跨径；ZK13+343～ZK13+355、ZK13+462～ZK13+470段,地表设置护拱,确保偏压段隧道掘进安全,进而保证黑石崖山体及隧道的结构安全。
黑石崖隧道施工至ZK13+315附近时发生冒顶塌方(该隧道采用大桩号往小桩号侧施工的施工顺序),在检查塌方段山体时,发现该处左侧山体出现开裂下滑,最大下滑差约为0.6m,整个下滑面呈圆弧状(图1)。
图1 山顶最大下滑处裂缝
黑石崖隧道左线进口段发生变形滑塌后,通过现场情况仔细调查,发现滑塌体变形范围处在坡角为40°左右的基岩斜坡上,斜坡坡向与岩层产状呈顺向坡关系,其在平面上呈半圆形,对应里程桩号为左线的ZK13+270～ZK13+355；斜坡上形成的三条裂缝刚好为滑体周界,滑体南北向宽约85m,东西长约30m,后缘裂缝呈弧形,长约55m,已形成明显陡立状错台,高0.5～0.8m,宽0.08～0.2m,错台痕迹显示其主滑方向为270°,北侧两条裂缝平行沿山梁向坡下展布,长13m和40m,宽0.05～0.12m；滑体前缘为隧道洞身,由于隧道开挖,洞顶已形成两处冒顶,形状为漏斗状,深5～10m,直径分别为5m和8m,在冒顶地表西侧(坡脚附近)并未发现大规模向坡下滑移的迹象。洞内的二衬已开裂,主要集中在ZK13+260和ZK13+320里程附近,ZK13+260和ZK13+320里程处在开挖施工过程曾塌方冒顶。ZK13+320里程附近的裂缝已成环,缝宽2～4mm。ZK13+260里程处的裂缝还没有成环,缝宽虽小但肉眼可见。
图2 山体裂缝情况
根据现场调查情况,分析该段隧道变形滑塌的原因如下：
天大高速黑石崖隧道隧址区位于基岩中山区,地形起伏较大,气候温凉,年平均降水量仅410.0mm,平均蒸发量达1785.7mm,区内光照较为充足,昼夜温差较为悬殊,岩体受昼夜温差影响风化剥蚀作用较为强烈,而受降雨等侵蚀作用相对较弱,隧址处随处可见山体表面层因风化形成的堆物或强风化壳,尤其是在隧道进出口的端洞口,山坡表面的风化壳与残积堆积物在短期剧烈降水条件下易发生滑动。
通过地质钻探揭示,滑塌体主要由全～强风化状浅粒岩夹变粒岩组成,变粒结构,片麻状构造为主,片麻理之间长石含量较高,极易风化蚀变,成为岩层间潜在软弱面。斜坡岩体产状为282°∠38°,与斜坡坡向一致,为不利组合。滑塌体及其周边岩体节理裂隙极发育,发育的两组节理将大部分岩体切割为碎块状。斜坡在受到下伏隧道开挖放炮影响下,岩体结构进一步破坏,在隧洞软弱处形成冒顶或塌方,形成大的空洞,造成超挖,逐而影响地表斜坡原始力学平衡状况,使斜坡向洞顶方向滑移,造成地表变形滑塌。
《建筑边坡工程技术规范》GB 50330—2013
《岩土锚杆(索)技术规程》CECS 22 2005
《水工预应力锚固设计规范》SL 212-2012
《水工预应力锚固施工规范》 SL 46—94
《岩土锚杆喷射混凝土支护技术规范》GB 50086—2015
通过调阅原始地质勘探资料,并对边坡开裂情况进行全面踏勘和综合分析,对开裂边坡的稳定性及下滑推力进行了计算机仿真计算。经计算,原始滑动面前缘推力为1700kN/m,推力极大,一旦滑坡继续发展,会对黑石崖隧道造成不可估量的损失。在治理措施上,选择标本兼治的处理方案,将该问题一次性彻底解决,减少运营期运营风险及投入。一般山体滑坡处理采用清除土方,以减少坡面压力,但是该段滑坡位于隧道顶,且隧道埋深较浅,采用该方式不仅不能保证施工达到预期效果,而且还会对隧道本身结构安全产生二次影响,加剧隧道衬砌开裂,因此无法采用该处治方式。分析了该路段的各种因素,并对仿真模拟结果综合分析后,最后选择预应力框架锚索加固的处治方式。
具体处治方案(图3)：
(1)清理冒顶陷坑,采用C15片石混凝土回填。清理时要求清除浮土虚渣,出露坚实土体或岩层。
(2)在该段落边坡上下缘处分别进行4m×4m的预应力框架锚索施工,上缘为塌腔顶部,下缘为隧道洞体下。要求预应力锚索锚入下滑面以下长度不小于10m。
框架锚索采用压力分散型,纵横向间距为4m,锚索倾角25°。锚索应选用高强度、低松弛无粘结钢绞线,其性能应符合GB5224,并符合美国标准(ASTMA416—87a),其公称直径d=15.24mm,强度等级为1860MPa，钢绞线的基本材料应是碳素钢，每孔6束。
框架采用C30混凝土浇注,横梁、竖肋断面尺寸均为50cm×50cm,框架嵌入坡面30cm,露出坡面20cm。框架基础施工先铺垫5cm厚混凝土垫层,再进行钢筋捆扎,框架内采用浆砌片石封闭。
(3)对于裂缝两侧松散的土体,进行初步清理,将裂缝断面休整为T型或蘑菇型后采用二八灰土填筑密实,防止雨水沿滑动面下渗。
(4)同时加强滑坡后缘防排水措施,避免雨季时大量雨水渗透山体裂缝,使滑坡体处于地下水浸泡当中,改变了原有土体的C、φ值,从而影响了山体的稳定性。在裂缝外设置矩形截水沟,规格为0.4m×0.4m,有效地将边坡汇水引至滑坡外排放,保证坡面稳定性。
图3 滑塌处治方案图
预应力锚索应锚固于稳定的基岩中,施工时钻孔深度已达设计图要求的深度,而仍处于破碎带或断层等软弱岩层时,应对设计锚固端岩体进行固结灌浆改良、改变锚固端位置或加大孔深至稳定基岩等处理措施。
在钻孔过程中若因地质条件复杂、节理裂隙发育、岩石破碎而出现有塌孔现象,则需要进行孔壁固结灌浆处理或采取套管钻进。
钻孔完毕时,应彻底冲洗钻孔,以确保注浆体与孔壁的粘结强度。钻孔冲洗干净后才准许安装锚索。在安装锚索前应将钻孔孔口堵塞,以免碎屑、杂物进入孔口。
安装锚索前应重新检查钻孔,对塌孔、掉块应进行清理或处理,并应对预应力锚索进行详细检查,检查止浆袋位置、排气管位置及畅通情况,并核对锚索编号与钻孔孔号,对损坏的配件应进行修复和更换。
推送锚索时用力要均匀一致,防止在穿束过程中损伤锚索。
对于断层破碎带或节理裂隙发育的围岩,在安装锚索前,应按《岩土锚杆喷射混凝土支护技术规范》GB 50086—2015和《建筑边坡工程技术规范》GB 50330—2013的规定对钻孔进行灌浆处理,以免锚固段注浆体流失或强度降低。
预应力锚索的灌浆料使用纯水泥浆(或水泥砂浆),要求灌浆料的28d抗压强度大于等于40MPa,与围岩的黏结强度大于等于1MPa,灌浆料配比按规范要求的室内试验结果推荐并经监理工程师批准的配比进行。
锚固段和张拉段灌浆长度应符合设计图纸的规定,止浆装置位置满足设计要求。注浆采用排气法注浆,注浆管插至锚孔底,浆液由锚孔底注入,空气从止浆环排气孔排出。
注浆完成后,进行钢筋混凝土框架的放线、挖槽工序,开挖尺寸为50 cm(宽) ×50 cm(深) ,挖槽采用风镐进行。挖槽结束后,即可在槽内进行钢筋绑扎作业。框架梁主筋采用直径22mm的HRB335螺纹钢,架立筋及箍筋采用直径10mm的HPB235光圆钢筋。每榀框架之间设置2 cm 宽的伸缩缝,内填沥青木板条或塞入沥青麻絮。框架梁的竖肋与横梁的断面尺寸均为50 cm(宽) ×50 cm(厚),嵌入岩体30 cm 深。
框架梁采用C30混凝土浇注,框架格内空隙用浆砌片石填充,并与梁表面齐平,起封水作用。浇注前须将锚具中预埋的螺旋钢筋、锚垫板固定在锚梁钢筋上,预埋OVM锚垫板及预埋孔口薄壁钢管。每榀框架一次整体现浇完成；所用模板采用钢模板,钢筋拉杆对拉内加固与钢管锁定外加固相结合,确保模板稳定不变形。
锚索的张拉超载系数暂定为1.15,施工时可根据由岩锚试验成果验证调整。
张拉时先进行单股预紧,每股钢绞线预紧应进行两次以上,预紧实际伸长值应大于理论值,且两次预紧值之差应在10%之内,以使预应力锚索各股钢绞线受力均匀。预紧结束后再进行整束张拉,整束张拉共分四个量级进行,即张拉荷载分别按设计张拉力的50%～115%逐级依次进行,并且应控制最大张拉力不得超过预应力钢材强度标准值的75%。
在锚索张拉锁定以及补偿张拉工作结束后进行封孔灌浆。灌浆前应先由监理工程师对钢绞线外露长度、回缩值等数据进行测量,确认锚索应力已达到设计要求的锁定值后方可进行封孔灌浆。锚索注浆孔封孔7d后,对孔口段的离析沉缩部分进行补封注浆。在所有工序完成后,切去多余钢绞线,并用钢质保护罩保护锚具和外露的钢绞线,用密封胶密封锚板、垫板、密封垫圈、保护罩之间的所有缝隙,然后从保护罩的注油口注入黄油或黄油与石蜡的混合料,用堵头封口。保护罩上应有注油口、排气口、装、卸工艺孔。同时用C30小石子混凝土浇注保护罩和预留槽口,捣实、密封。
在对该段落山体的各项影响因素进行全面分析的基础上,我们最后选择了预应力框架锚索的方式进行滑坡处治。该方式具有安全性高、施工简单、成本低、对既有工程影响小的特点,不仅增加了开挖山体的稳定性,也避免大开挖滑坡卸载处理法对山体的大规模扰动,减小了对原地貌及地质构造的破坏及周边环境污染,防止出现严重的地质灾害。通过施工结束后的长期监控,取得了良好的处治效果,有效地降低了运营期管养成本,提高了黑石崖隧道运营的安全性,使之能够更好地发挥高速公路的作用,同时也对相同工程问题的解决起到借鉴作用。
参考文献
[1] 中华人民共和国交通运输部. JTG B01-2014公路工程技术标准[S]. 北京：人民交通出版社，2014.
[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB 50330-2013建筑边坡工程技术规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2014.
[3] 中国工程建设标准化协会. CECS 22：2005岩土锚杆(索)技术规程[S]. 北京：中国计划出版社，2005.
[4] 中华人民共和国水利部. SL 212-2012水工预应力锚固设计规范[S]. 北京：中国水利水电出版社，2012.
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