尖坡嶺隧道地質(zhì)災(zāi)害成因探討及處理措施

韓雪冬

中電建建筑集團(tuán)有限公司

尖坡嶺隧道地質(zhì)災(zāi)害成因探討及處理措施

韓雪冬

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介紹渝懷鐵路尖坡嶺隧道進(jìn)口段邊坡滑移、坍方冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災(zāi)害發(fā)生的詳細(xì)過程和處理方案及施工過程，簡要分析了成因，對(duì)淺埋偏壓隧道的設(shè)計(jì)和施工有一定的警示和借鑒作用。

隧道；淺埋；偏壓；邊坡滑移；坍方冒頂

1 概述

1.1 地形、地質(zhì)及水文情況

渝懷鐵路尖坡嶺隧道進(jìn)口位于貴州省銅仁市小江河左岸，傍山修建，偏壓嚴(yán)重，山體為低山斜坡地貌，洞口坡面下陡上緩，最小埋深2米。隧道邊坡墾為梯田，并有一條農(nóng)灌溝從隧道頂部與線路方向斜交通過。洞口段覆蓋第四系碎石土坡積層和崩塌堆積層(Q4dl+col)，厚度為22米左右，表層為零星砂粘土，植被不發(fā)育。洞身下伏基巖為早寒武系頁巖(∈1p)，風(fēng)化嚴(yán)重，經(jīng)歷多次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，巖體極其破碎，薄層狀，厚5～25cm，粉砂質(zhì)，鈣質(zhì)膠結(jié)，巖層產(chǎn)狀平緩，局部稍有扭曲，張開節(jié)理發(fā)育，三組節(jié)理(節(jié)N44°W/84°SW﹑節(jié)N55°E/77°NW﹑節(jié)N49°E/4°NW)將巖體切割成塊狀，極易楔形掉塊和坍塌。全隧地下水較發(fā)育，地下水為第四系孔隙水及基巖裂隙水，受大氣降水補(bǔ)給，全隧道涌水量為1300m3/d。

1.2 設(shè)計(jì)支護(hù)情況

尖坡嶺隧道進(jìn)口線路左側(cè)DK522+604～+630段采用三排φ75鋼管樁地表注漿加固，共41根，注漿孔深度為擋墻或明洞基礎(chǔ)下2.0m。DK522+630～+651段右拱部及邊墻外2m采用φ42鋼花管進(jìn)行地表注漿加固，@=1.0m梅花形布置。DK522+610～+665段隧底以下1～4m設(shè)φ42小導(dǎo)管注漿加固地層，@=0.8m梅花形布置，最外排注漿孔與垂線成30°。

2 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生過程

該隧道于2001年5月26日開工，于2001年6月23日完成DK522+604～+630段鋼管樁加固及地表排水和防護(hù)，6月20日～25日施工DK522+630～+651地表小導(dǎo)管注漿加固地層。2001年6月25日，隧道進(jìn)口DK522+645～+680段原始地表在無任何跡象的情況下坡體開裂坍滑，坡面上形成3條較大的裂縫和錯(cuò)臺(tái)，錯(cuò)臺(tái)高度最高為0.8m，最大縫寬為0.3m，裂縫最長達(dá)66m。

邊坡滑移發(fā)生后，施工單位采用了以下五條措施確保施工安全：①加強(qiáng)邊仰坡加固；②洞內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)；③分部開挖﹑控制進(jìn)尺﹑預(yù)留核心土；④及時(shí)施工仰拱成環(huán)；⑤緊跟襯砌，以盡最大努力保護(hù)邊坡及洞室穩(wěn)定。2001年9月3日開始明洞土石方的開挖，開挖前對(duì)邊仰坡進(jìn)行錨網(wǎng)噴加固，支護(hù)參數(shù)為：φ22砂漿錨桿，L=1.5m或3.0m，@=1.0m(梅花形布置)；鋼筋網(wǎng)，φ8@=25cm；噴射C20混凝土，δ=10cm。同時(shí)為確保隧道掛齒進(jìn)洞，對(duì)洞臉部分加強(qiáng)支護(hù)，支護(hù)參數(shù)為：Φ42超前小導(dǎo)管，在隧道拱部開挖輪廓線外20cm﹑50cm﹑100cm處設(shè)置3環(huán)，每環(huán)40根，L=5.0m，@=0.3m，用水泥：砂：水=1：1：3的水泥砂漿注漿固結(jié)圍巖；φ22砂漿錨桿，在超前小導(dǎo)管外設(shè)置3排，L=4.5m，@=1.0m(梅花形布置)；鋼筋網(wǎng)，φ8@=25cm；噴射C20混凝土，δ=10cm。DK522+610～+620段明洞采用明挖法施工，DK522+620～+630段明洞采用先挖豎井灌注托梁拱圈混凝土后暗挖通過下部。

2001年9月15日隧道掛齒進(jìn)洞，進(jìn)洞后采用臺(tái)階法施工，上部開挖采用人力環(huán)挖，預(yù)留核心土，每次進(jìn)尺0.5米；DK522+ 630～+750段采用I18a工字鋼架代替原設(shè)計(jì)格柵鋼架，間距由0.8m/榀改為0.5m/榀，其它初期支護(hù)按原設(shè)計(jì)施工。下部開挖采用分臺(tái)階左右側(cè)交替進(jìn)行，并及時(shí)架設(shè)邊墻C﹑D單元工字鋼架；每進(jìn)尺2～3米轉(zhuǎn)換為開挖仰拱，安設(shè)仰拱工字鋼架成環(huán)，灌注仰拱﹑填充混凝土；仰拱﹑填充混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，每3.0～4.5m及時(shí)灌注拱﹑墻混凝土。

2001年11月13日早上8時(shí)，隧道DK522+637～+640段拱部臨時(shí)支護(hù)已施作的網(wǎng)噴混凝土掉塊，工字鋼架發(fā)出清脆的聲音；8時(shí)20分，DK522+637～+639段左側(cè)4榀(每0.5m一榀)C單元(1.92m)﹑D單元(4.27m)工字鋼架開始變形，并迅速發(fā)展；8時(shí)30分，此4榀工字鋼架C單元﹑D單元向隧道中線側(cè)傾斜，左側(cè)邊墻出現(xiàn)了小坍方，從而引起DK522+636～+657段拱部﹑邊墻于8時(shí)35分突然坍塌。坍體堵塞了已開挖的洞身，并在山坡上形成一個(gè)大的坍方漏斗，漏斗上口長約21m，最寬處達(dá)15m。

3 地質(zhì)災(zāi)害成因分析

3.1 邊坡滑移成因分析

邊坡滑移發(fā)生時(shí)雖已按施工設(shè)計(jì)圖基本完成地表排水及防護(hù)處理，完成了鋼管樁地表注漿加固措施，但洞口尚未開挖，對(duì)山體沒有任何擾動(dòng)。經(jīng)分析認(rèn)為，造成邊坡滑移的原因是：該處覆蓋第四系碎石土坡積層，厚達(dá)25m左右，且植被不發(fā)育，土體松散破碎，極不穩(wěn)定；在坡體坍滑發(fā)生之前的5﹑6月份間，該隧道所在地曾連續(xù)降雨，雨水豐富，地表水下滲；鋼管樁地表注漿施工后，形成了隔水墻，改變了原來地下水的排泄通路，在土體內(nèi)形成了新的軟弱面；加之此處地表坡度較陡，坡體不能自然穩(wěn)定，造成了此次邊坡滑移。從該隧道后來開挖揭示的情況，旱季時(shí)地下水較少，但雨季因雨水影響，地表水下滲，導(dǎo)致隧道基巖裂隙水很大。

3.2 坍方冒頂成因分析

根據(jù)現(xiàn)場踏勘，結(jié)合坍塌過程進(jìn)行分析認(rèn)為：雖然施工采取了以加密的I18a工字鋼架取代格柵鋼架等支護(hù)措施，但因該隧道進(jìn)口處于淺埋偏壓地段，地面橫坡較陡，圍巖為含水飽和狀碎石角礫土，破碎松散，滲水嚴(yán)重，且因前次的邊坡滑移，土體內(nèi)存在著軟弱滑動(dòng)面，自穩(wěn)能力極差，加之側(cè)壓力過大，左邊墻工字鋼架失穩(wěn)坍塌，引起拱部坍塌并牽引右邊墻工字鋼架坍塌，形成了此次坍方冒頂。

4 地質(zhì)災(zāi)害整治工程措施

4.1 坍方冒頂整治施工方案

經(jīng)設(shè)計(jì)﹑監(jiān)理﹑施工三方會(huì)商，形成坍方冒頂整治施工方案如下：

① 洞口端洞內(nèi)坍穴附近用漿砌片石做1米厚或噴20cm厚混凝土止?jié){墻(只能施作靠洞門端)；

② 從地表對(duì)坍穴進(jìn)行分層回填夯實(shí)，回填高度暫按靠山側(cè)坍穴壁高度的一半計(jì)，并保證坍穴內(nèi)的施工安全；

③ 坍穴內(nèi)地表注漿加固開挖輪廓線外的周邊圍巖；

④ 地表分層夯實(shí)回填坍穴至原地面，采用粘土厚0.5米進(jìn)行封頂夯實(shí)；

⑤ 洞內(nèi)重新采用φ42小導(dǎo)管支護(hù)：拱部﹑邊墻支護(hù)采用φ42小導(dǎo)管超前支護(hù)，并加強(qiáng)邊墻拱部的錨網(wǎng)噴支護(hù)，噴混凝土厚度20cm，鋼架采用I18a工字鋼架，0.5米一榀，全環(huán)布置；

⑥ 徑向錨桿改為徑向小導(dǎo)管注漿施作。

⑦ 開挖并清除洞內(nèi)坍體，及時(shí)施作鋼筋混凝土襯砌；

⑧ 隧道開挖采用短臺(tái)階開挖，上臺(tái)階設(shè)臨時(shí)仰拱加強(qiáng)。

4.2 坍方冒頂治理施工過程

2001年12月18日，尖坡嶺隧道進(jìn)口恢復(fù)施工，進(jìn)行DK522+ 636～+657段坍方治理。

一﹑坍穴回填及地表加固(DK522+636～+657段)

首先洞口端洞內(nèi)坍穴采用C20噴射混凝土作止?jié){墻，噴射混凝土厚20cm，待噴射混凝土止?jié){墻終凝后，從地表對(duì)坍穴進(jìn)行分層夯實(shí)回填，回填高度為靠山側(cè)坍穴壁高度的一半，分層厚度0.3m一層，人工夯實(shí)，分層填筑的同時(shí)，潑撒水泥砂漿液，水泥砂漿液配合比為水泥：砂：水=1：1：3。在坍穴內(nèi)側(cè)采用φ100鋼管樁注漿加固靠山側(cè)邊坡圍巖。鋼管樁在靠山側(cè)施工兩排，布置在左邊墻外0.5m和1.5m，橫向間距為1.0m，深度為15.2m(邊墻基礎(chǔ)以下2m)，以抵抗強(qiáng)大的側(cè)壓力；φ100鋼管樁采用潛孔鉆機(jī)鉆孔，盡量干鉆，并保證了鉆孔深度﹑孔口堵塞長度和堵塞質(zhì)量，注漿壓力不小于1.0Mpa；水泥砂漿液配合比為水泥：砂：水=1：1：3。

坍塌順序說明：

1，側(cè)壓力過大，左側(cè)C﹑D單元變形；

2，D單元倒塌；

3，拱部A﹑B單元坍塌；

4，受拱部A﹑B單元牽引，右側(cè)C﹑D單元倒塌和上部土體滑坍。

施工φ100鋼管樁的同時(shí)，采用φ42小導(dǎo)管地表注漿加固開挖輪廓線外的周邊圍巖，小導(dǎo)管長4.5～9.0m，縱橫向間距0.8m梅花形布置，以進(jìn)一步固結(jié)圍巖，達(dá)到地層加固的作用。φ42小導(dǎo)管采用風(fēng)鉆頂進(jìn)，用電動(dòng)注漿機(jī)壓注水泥漿液，注漿壓力根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)而定，但不小于0.5Mpa。水泥砂漿液配合比為水泥：砂：水=1：1：3；坍穴內(nèi)地表注漿施工完后，分層夯實(shí)回填坍穴至原地面，地表采用厚0.5m粘土進(jìn)行封頂并夯實(shí)，防止地表水下滲。

二﹑洞內(nèi)開挖及襯砌施工(DK522+636～+657段)

2002年1月5日開始坍方段洞內(nèi)土石方開挖及襯砌施工。

施工時(shí)采用分部開挖土石方，臨時(shí)仰拱加強(qiáng)。開挖前拱部采用φ42超前小導(dǎo)管注漿加強(qiáng)支護(hù)，拱部超前小導(dǎo)管長3.5m，環(huán)向間距為0.2m(原設(shè)計(jì)為0.4m)，縱向間距1.2m，按大小外插角交叉布置(大外插角30°～45°，小外插角3°左右)。

注漿完成后，人工環(huán)挖拱部土石方，預(yù)留核心土，每次進(jìn)尺0.5m，拱部徑向錨桿改為φ42小導(dǎo)管注漿，長3.0m，縱橫向間距均為1.0m梅花形布置；掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，規(guī)格環(huán)筋為φ10，縱筋為φ6，網(wǎng)格間距20cm×20cm，面積比為100%；及時(shí)架設(shè)拱部A﹑B單元工字鋼架，0.5m一榀，每側(cè)各打兩根鎖腳錨桿，長3.0m，并在拱腳處采用I18a工字鋼設(shè)置臨時(shí)仰拱，防止工字鋼架因側(cè)壓力過大變形；拱部噴射C20混凝土厚20cm，面積比為100%。

拱部每開挖3～4.5m左右后，轉(zhuǎn)換為開挖中部土石方。開挖前邊墻采用φ42超前小導(dǎo)管注漿，小導(dǎo)管長3.5m，外插角30°，縱向間距1.6m，環(huán)向間距1.0m；邊墻增設(shè)φ42徑向小導(dǎo)管并注漿，長3.0m，環(huán)縱向間距均為1.0m；增設(shè)掛網(wǎng)鋼筋，橫向采用φ10鋼筋，縱向采用φ6鋼筋，網(wǎng)格間距20cm×20cm，面積比為100%；及時(shí)安設(shè)邊墻C單元工字鋼架，與拱部A﹑B單元工字鋼架連接為整體，每側(cè)各打一根鎖腳錨桿，長3.0m，并在C﹑D單元接頭處安設(shè)I18a工字鋼臨時(shí)仰拱加強(qiáng)；邊墻噴射C20混凝土厚20cm，面積比為100%；轉(zhuǎn)換為開挖下部土石方時(shí)，初期支護(hù)與中部相同，及時(shí)安設(shè)D單元工字鋼架和仰拱工字鋼架，并連接成環(huán)；每開挖3～4.5m灌注仰拱﹑填充混凝土，緊跟襯砌。DK522+636～+657坍方段施工順序及步驟說明見表2。

5 結(jié)語

1，對(duì)于洞口段為淺埋偏壓且圍巖較為松散的隧道，在設(shè)計(jì)時(shí)要貫徹“早進(jìn)洞，晚出洞”的原則，以減少開挖對(duì)于圍巖的擾動(dòng)，降低滑坡及坍塌的風(fēng)險(xiǎn)性。

2，對(duì)于存在偏壓的隧道，設(shè)計(jì)時(shí)要加強(qiáng)對(duì)于偏壓側(cè)邊坡的地質(zhì)勘探，搞清楚是否存在滑坡的風(fēng)險(xiǎn)，并在設(shè)計(jì)時(shí)采取相應(yīng)的措施，比如采用抗滑樁等。

3，偏壓隧道邊墻圍巖順層滑動(dòng)牽引帶動(dòng)拱部坍塌是一種不容忽視的地質(zhì)災(zāi)害形式，現(xiàn)在土質(zhì)隧道在進(jìn)口段常采用大管棚的超前支護(hù)形式，這種形式對(duì)于拱部松散垮塌圍巖有較好的支撐作用，但是對(duì)于邊墻圍巖的順層滑動(dòng)作用不大。

4，淺埋偏壓隧道在施工時(shí)要貫徹“短進(jìn)尺﹑弱爆破﹑強(qiáng)支護(hù)﹑勤量測(cè)”的原則，寧可施工時(shí)慢一點(diǎn)﹑穩(wěn)一點(diǎn)，因?yàn)橐坏┨幚砘ㄙM(fèi)的時(shí)間和成本將帶來很大的損失。