某特殊土隧道塌方原因淺析

李江輝

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司太原設(shè)計院，山西太原　030013)

Analysis of the causes of a special soil tunnel collapse

LI Jianghui

某特殊土隧道塌方原因淺析

李江輝

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司太原設(shè)計院，山西太原030013)

Analysis of the causes of a special soil tunnel collapse

LI Jianghui

摘要介紹某鐵路黃土和膨脹土隧道塌方情況，對地形地貌、地層巖性、氣象條件等進行分析，給出塌方原因，總結(jié)了該地區(qū)砂質(zhì)黃土和膨脹土的特點。

關(guān)鍵詞黃土膨脹土隧道塌方原因淺析

1工程概況

某鐵路隧道位于山西省婁煩縣，全長1 800 m，為時速120 km的單洞雙線隧道。除進口段100 m隧道穿過砂質(zhì)黃土地層內(nèi)，其余段落均位于第三系膨脹土地層。

隧道地處黃土高原，地貌類型為典型的黃土梁、峁，溝谷發(fā)育且多呈“V”字形，隧道塌方段地表位于一“V”字形黃土沖溝，沖溝兩側(cè)岸坡陡峻，地勢左高右低，隧道略有偏壓。該沖溝為多年雨水侵蝕而成，沖溝區(qū)域裂隙縱橫，支離破碎，土層松散，遍布黃土“陷穴”。

全隧道均為Ⅴ級圍巖。隧道大部穿過地層為第三系膨脹土，具有弱—中等膨脹性，硬塑，由細膩的膠體顆粒組成，斷口光滑，結(jié)構(gòu)致密，呈菱形狀，土內(nèi)分布有裂隙，斜交剪切裂隙較發(fā)育，裂隙水分布及滲出不穩(wěn)定，無統(tǒng)一的地下水位。在膨脹土之上，覆蓋厚度不均的第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土，稍濕，稍密—密實，具有Ⅱ級自重濕陷性，濕陷最大深度為13 m(如圖1)。

圖1　滑塌段縱斷面示意

隧道全斷面噴混凝土厚25 cm，設(shè)置φ8 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm；邊墻設(shè)置φ22砂漿錨桿，錨桿長4.0m，間距為1.0 m×1.0 m；全斷面設(shè)1榀/0.6 m的I20b型鋼鋼架，每處拱腳設(shè)置2根φ42 mm鎖腳錨管，長3.5 m，以防止拱腳下沉引起初期支護開裂；拱部120°設(shè)置φ42 mm小導(dǎo)管超前注水泥漿加固地層，小導(dǎo)管長4.5 m，縱向搭接1.5 m，環(huán)向間距為40 cm，每3.0 m一環(huán)。二次襯砌采用鋼筋混凝土模筑襯砌，拱墻厚50 cm，仰拱厚50 cm。

2塌方情況

2011年7月28日～29日，施工區(qū)域普降大雨，氣象資料反映強降雨達49.3 mm，雨水沿裂隙快速下滲，濕陷性黃土被水浸濕后，結(jié)構(gòu)迅速破壞而發(fā)生顯著的附加下沉，在水的作用下，地表土體自重加大，黃土浸濕后抗剪強度迅速降低。

2011年7月31日凌晨，DK75+240～DK75+260段短時間初期支護變形加速，噴射混凝土開始脫落，鋼架扭曲變形嚴重，緊急采用臨時支撐措施進行搶救。因無進一步施做臨時支撐及二次襯砌的時間，管理人員只能迅速組織洞內(nèi)作業(yè)人員撤離危險區(qū)域，在人員撤離的過程中，土體隨即滑塌，無人員傷亡，施工機具設(shè)備被掩埋，山體滑塌及隧道洞內(nèi)坍塌線路里程為DK75+261～DK75+140范圍。

2011年7月31日凌晨，小河溝隧道DK75+193～DK75+262.7段山體發(fā)生坍陷、滑移，坍陷深度達5 m以上。經(jīng)現(xiàn)場統(tǒng)計量測，地表開裂可見裂縫達45道，裂縫寬度從2 mm～2 m不等，深度在1 cm～10 m。其中線路左側(cè)約31 m處玉米地斷裂最大，裂縫寬度達2 m多。

DK75+180～DK75+247段山體由線路左側(cè)向右前方(DK75+247～DK75+252)坍陷滑移，同時DK75+252～DK75+265段山體(向右后方(DK75+247～DK75+252)坍陷。坍陷后山體形成大量斷裂、陷坑，滑移體呈持續(xù)沉降變化(如圖2)。

圖2　隧道塌方段山體滑塌示意

3原因分析

3.1　特殊的地形地貌條件

小河溝隧道地處黃土高原，地貌類型為典型的黃土梁、峁，溝谷發(fā)育且多呈“V”字形，隧道塌方段地表位于一“V”字形黃土沖溝，沖溝兩側(cè)岸坡高且陡，地勢左高右低。該沖溝為多年雨水侵蝕而成，沖溝區(qū)域裂隙縱橫，支離破碎，土層松散，遍布黃土“陷穴”，地形特殊。

3.2　特殊巖土因素

小河溝隧道地層巖性主要為砂質(zhì)黃土及膨脹土，這兩種土都屬特殊土且均為水敏性土，具有特殊的工程地質(zhì)性質(zhì)。其共同點是都對水具有敏感性，是水敏性土；不同點是濕陷性黃土遇水濕陷，而膨脹土遇水膨脹。但水的存在會使這兩種圍巖的強度大大降低，從而影響圍巖的穩(wěn)定性。

(1)砂質(zhì)黃土

砂質(zhì)黃土在隧道頂部區(qū)域廣泛分布，本區(qū)的黃土為風(fēng)積而成，堆積厚度大，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，砂質(zhì)黃土層上下比較均一，沒有水平層理，豎向節(jié)理發(fā)育，土體被切割為“長柱狀”，具有多孔性。室內(nèi)土工試驗結(jié)果顯示，隧道區(qū)砂質(zhì)黃土具Ⅱ級自重濕陷性，最大濕陷深度13.0 m。

黃土的強度受黃土的濕度、結(jié)構(gòu)性等因素影響。當(dāng)黃土結(jié)構(gòu)沒有破壞時，土體內(nèi)顆粒間的固化連結(jié)力較強，黃土結(jié)構(gòu)強度較大。如果一旦土體的結(jié)構(gòu)遭到破壞，黃土結(jié)構(gòu)強度就會明顯減小。濕陷性黃土受水浸濕后，自身重力變大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞從而發(fā)生附加下沉，強度也隨著迅速降低。黃土的抗剪強度和結(jié)構(gòu)強度都隨含水率的增大而降低，含水率對于控制黃土的抗剪強度有著顯著的作用，天然含水率和黃土濕陷變形的關(guān)系對于黃土的工程性質(zhì)有著重要影響。因此，在黃土地區(qū)，常見于強降雨后由于濕陷性引起的崩塌、滑塌等現(xiàn)象。

(2)膨脹土

隧道洞身范圍內(nèi)地層以膨脹土為主，據(jù)勘察資料及施工開挖后取樣試驗顯示，本區(qū)膨脹土具膨脹性，膨脹潛勢為弱—中等，局部膨脹性強。

本隧道區(qū)膨脹土主要以下特性：

①隧道區(qū)膨脹土具有顯著的脹縮性，在形變上表現(xiàn)為吸水體積膨脹且產(chǎn)生向外的膨脹力，失水體積收縮且膨脹力消失但內(nèi)部吸力增大。土體的膨脹力也隨著含水量的增減而產(chǎn)生變化，土中含水量的變化與降雨量等有關(guān)，在此種情況下土的膨脹變形隨著吸水失水交替進行，膨脹土中的建筑物因此產(chǎn)生破壞。

②隧道區(qū)膨脹土具有多裂隙性，普遍發(fā)育有微開—張開狀的“X” 節(jié)理，節(jié)理內(nèi)無充填物。土體的連續(xù)性和完整性被裂隙破壞，土的強度也被降低，為土體的漸進破壞提供了條件，從而形成地表水的浸入通道。水的浸入加速了土體的軟化及裂隙生產(chǎn)，兩者相互促進，互為因果，形成惡性循環(huán)，從而大大降低了土體強度。

③膨脹土土體吸水后軟化，強度明顯降低，經(jīng)歷干濕循環(huán)后其抗剪強度將隨著時間的延續(xù)而衰減，表現(xiàn)出強度衰減性。

④鉆探過程及隧道開挖過程發(fā)現(xiàn)，此區(qū)膨脹土具有超固結(jié)性，超固結(jié)性不僅使邊坡坡腳產(chǎn)生較大的剪力，而且還使得強度的應(yīng)變軟化，隧道開挖易于引起膨脹土圍巖的卸荷作用，這對隧道的短期及長期穩(wěn)定都極為不利。

⑤隧道區(qū)膨脹土在地下水作用下易發(fā)生一定的崩解，隧道施工中時常發(fā)生掉塊現(xiàn)象。

膨脹土具有脹縮性、多裂隙性、超固結(jié)性，遇水軟化、崩解等特性，在短時間的強降雨后，多種作用破壞了土體的整體性，是導(dǎo)致土體滑移的關(guān)鍵因素。

3.3　降雨因素

隧道地處黃土高原地區(qū)，天氣干燥，干旱少雨，年均降雨量386 mm，年均蒸發(fā)量遠大于降雨量，土體常年干燥，黃土層天然含水率較低，并且裂隙發(fā)育。2011年7月28日～29日，施工區(qū)域普降大雨，短時間的強降雨達49.3 mm。

強降雨后雨水沿裂隙快速下滲，濕陷性黃土發(fā)生顯著的附加下沉，地表土體自重加大，抗剪強度迅速降低，導(dǎo)致土體沿軟弱結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)滑塌，地表的滑塌加劇隧道偏壓。另外，雨水下滲使得膨脹土膨脹、泥化，圍巖強度降低，造成初支變形。在雙重作用下，隧道初支 被破壞、失效，進而引起土體坍塌，造成隧道大面積塌方。

4結(jié)束語

綜上所述，特殊的地形地貌條件，濕陷性黃土、膨脹土等特殊土及短時間的強降雨，在這三重因素綜合作用下造成山體滑塌和洞內(nèi)坍塌。

隧道塌方雖時有發(fā)生，但每次塌方都有其不同特點，應(yīng)根據(jù)具體情況分析塌方原因，做出合理的處理措施。

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中圖分類號：U458.3

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)02-0062-03

作者簡介：李江輝(1982—)，男，2005年畢業(yè)于華北水利水電學(xué)院巖土工程專業(yè)，工程師，E-mail:83694319@qq.com。

收稿日期：2015-01-08