1 前言
隧道工程是在山區高速公路建設中的關鍵工程，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域就遇到了問題，隧道的仰坡開裂嚴重，且初期處置無效，這不能不引起設計人員的重視，對問題的產生、發展及處理的方法進行剖析。
2 隧道仰坡開裂介紹
某隧道為一座300m長的連拱隧道，隧道設計為夾心式曲墻結構形式，洞門為端墻式，隧道地質設計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，下半斷面為強風化硅化砂質板巖，巖體被切割呈塊石狀，裂隙發育。設計對施工方案提出要求，要求采用側壁導坑進行施工，實際施工中，施工單位采用上下臺階法開挖施工。
由于此隧道所處標段主要工程為路基土石方工程，施工單位沒有對隧道足夠重視，同時也缺乏連拱隧道的相關施工經驗，對隧道地質估計不足。隧道成洞面開挖時，仰坡面下部開始出現小裂縫，發現問題后，業主和監理十分重視，在隧道左側施工了兩排豎向φ108注漿鋼管，作為加固地表的搶險措施，以防止地表裂紋擴展，在左側豎向φ108鋼管施工后，發現裂縫無向左繼續擴展趨勢，便采用此方法對仰坡下部加固，實施方案如圖1。
對仰坡下側加固，意在預加固基腳，穩定邊坡，這在路基邊坡防護中常采用，如設擋墻加固，但對于隧道邊坡是否適用，只能邊做邊觀測。
仰坡加固后，施工單位開始采用上下導坑施工，先對左洞上臺階進行開挖及支護。在左洞上臺階施工貫通后，儀器監測表明洞頂下沉嚴重，約下沉了10cm左右，同時上臺階型鋼支撐向內變形，洞外仰坡開裂發展如圖，原豎向鋼管加固未起到應有的作用，洞口中隔墻頂部外側邊緣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，事態變得愈發嚴重。
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開裂？這是一個必須解決的問題。通過現場調查分析，我們發現隧道仰坡開裂是由各種因素綜合造成的，主要體現在地質、施工方案、施工管理三個方面。
3.1 隧道地質方面
隧道洞口區域地質變化大，地表覆蓋層為碎石土，較松散，土壤顆粒間結合力差是仰坡開裂的地質因素。
3.2 施工方案方面
隧道主洞設計建議采用三導洞施工，但是其施工組織復雜，施工單位為方便施工，變更為上下臺階法施工，這也是裂縫產生和發展的一個主要原因。在地質情況較差的情況下，采用上下臺階法施工就必須確保上臺階斷面的初期支護落腳穩固，而這一點施工單位沒有重視，基腳不穩，時間長了，初期支護變形加大，必然導致圍巖松弛松散，反映到洞口仰坡面上就是裂縫發展。
3.3施工質量控制方面
隧道施工質量未受到嚴格控制，中導洞的中隔墻頂回填不密實，存在空洞，混凝土施工質量也不是很理想，管棚支護注漿量很少，基本上對圍巖沒有起到加固作用，同時上導洞初期支護型鋼落腳基礎不穩，沒有做進一步處理，導致下沉和位移嚴重。
3.4.施工建議
根據以上尋找的原因，我們要求此隧道以后施工中必須嚴格按照設計步驟執行，已經采用臺階法的施工部分增設臨時仰拱，以防止繼續下沉變形，盡快填實中隔墻頂及初期支護型鋼后面的空洞，同時提出了及早施做二襯、施做明洞、仰坡裂縫用水泥砂漿進行封閉，增設排水溝，防止仰坡表面進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兩個方面著手研究。定性分析是根據已有的情況模擬分析，從總體上確定問題的性質，以便制定方案，定量觀測則是驗證定性分析的準確程度，它包含兩個方面，一是觀測問題現狀，為定性分析提供基礎資料，二是在處置方案實施后，觀測方案效果。
根據仰坡開裂的現狀，對目前仰坡的穩定性判斷存在兩種認識，一種是認為土體出現變形導致滑坡趨勢，發展可能較深，一種認為是土體變形導致表面反射裂縫。對于開裂仰坡處理，也存在幾種方案，一種是繼續打豎向鋼管注漿加固，顯然采用φ108鋼管是浪費，應改用φ42鋼管或取消鋼管直接主漿加固整個仰坡，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施工，形成一個腰梁性質的約束，避免仰坡開裂發展，以確保其下隧道的結構安全。
為了從理論上比較兩種方案的效果，筆者采用有限元對兩種方案進行了分析，取得了比較結果，并據此制定了處理方案。
4.1仰坡開裂縱向模擬
一般來說，平面有限元用來數值隧道橫斷面，如何模擬隧道縱斷面，這需要一個轉化問題，筆者將隧道到開挖后初期支護對圍巖的彈性支撐作用轉化為另一種不同的平面材料代替，通過調整平面材料的參數，使隧道拱部下沉達到10cm左右，由此查看仰坡土體應力情況，達到定量分析的目的。
仰坡開裂縱向模擬分三部進行，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顯示如下圖2~圖5，第三階段主應力圖如圖4。
|
圖 2（第一階段） |
圖 3（第二階段） |
|
圖 5（主應力圖） |
圖 4（第三階段） |
由上圖可知，在淺埋區段開挖施工后，當隧道初期支護拱頂變形下沉較嚴重時，在仰坡表面會出現大范圍的單向受拉區域，其中自下而上的一段較長范圍的土體出現屈服，筆者認為這與實際觀測較為吻合，土體屈服的表現就是仰坡開裂，開裂發展自下而上與隧道的挖進進度一致。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測基本可以否定。
4.2豎向鋼管加固仰坡分析
|
圖 6（第二階段） |
圖 7（第三階段） |
|
圖8（主應力圖） |
在縱向模擬仰坡開裂的基礎上，筆者在第一階段模擬了3排豎向土體鋼管加固措施，各階段土體屈服區顯示如下圖6~圖7，第三階段主應力圖如圖8
由上圖可知雖然設置了豎向鋼管加固，在仰坡表面仍會出現大范圍的單向受拉區域，其中自下而上的一段較長范圍的土體出現屈服，其中鋼管設置位置土體由屈服轉變為雙向受拉，影響區域較小，無法阻止裂縫在仰坡上部發展。
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，各階段土體屈服區顯示如下圖9~圖10，第三階段主應力圖如圖11
|
圖 9（第二階段） |
圖 10（第三階段） |
|
圖 11（主應力圖） |
由上圖可知水平鋼管加固的設置，沒有改變仰坡表面會出現大范圍的單向受拉區域的現狀，并且由于其水平鋼管的傳力作用，局部使受拉區域范圍擴大，但是地表由于鋼管的約束作用，較長范圍的土體出現屈服區域不見了，對裂縫的發展起到了控制作用。
為進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，各階段土體屈服區顯示如下圖12~圖13，第三階段主應力圖如圖14
|
圖 12（第二階段） |
圖 13（第三階段） |
|
圖14（主應力圖） |
由應力圖可知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土體強度改變的影響）。
5 隧道仰坡開裂處置方案建議
根據數值模擬分析結果，由此制定了仰坡加固措施，采用φ108水平鋼管分區段注漿加固仰坡，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，現場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，保障隧道建設的順利進行。
6 結束語
工程中遇到巖土問題不可怕，關鍵是處理措施的經濟性和合理性需要綜合論證，筆者認為在確定諸如仰坡開裂之類的涉及巖土問題處理方案時，應遵循“定性分析、定量觀測”的原則，從大的方案上把握分析，才能制定合理可行的方案，從細微的觀察著手，才能確保工程質量。
具體到隧道開裂仰坡處置，由于注漿工程量無法實際控制，施工單位取得最大經濟效益，對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行綜合比較。
1.中華人民共和國行業標準 .公路隧道設計規范（JTG D70-2004）.北京.人民交通出版社，2004
2.中華人民共和國行業標準 .混凝土結構設計規范（GB50010-2002）.北京.中國建筑工業出版社，2002
3.湖南省交通規劃勘察設計院. 懷化到新晃高速公路施工圖設計文件.2004.7
