濕陷性黃土隧道富水進(jìn)洞滑塌分析與處理技術(shù)

李洪江

摘 要：安全進(jìn)洞是隧道施工的重點，對于濕陷性黃土隧道尤為重要，如何防止進(jìn)洞過程中的濕陷性黃土在富水條件下的滑塌，以及滑塌后的處理是該類工程的關(guān)鍵。結(jié)合固原至海原公路工程炸山嘴隧道進(jìn)洞段出現(xiàn)的兩次滑塌事故，通過系統(tǒng)分析工程地質(zhì)、水文、氣象和工程措施等因素，詳細(xì)闡述了濕陷性黃土地區(qū)富水地段因隧道進(jìn)洞導(dǎo)致滑塌的處理措施及施工技術(shù)，并提出了濕陷性黃土隧道富水地段安全進(jìn)洞的施工技術(shù)見解，可以為后續(xù)類似工程的安全施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：黃土隧道 進(jìn)洞 富水地段 滑塌 處理措施 施工體會

中圖分類號：U45 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（c）-0037-03

目前，我國正在按既定目標(biāo)進(jìn)行著大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，在大規(guī)模的建設(shè)中，交通工程的建設(shè)是重中之重，穿越黃土的公路、鐵路也隨之增多[1]。黃土有著很強的結(jié)構(gòu)性和水敏性，這使得其廣受工程師和學(xué)者的關(guān)注。當(dāng)隧道通過黃土地區(qū)時，黃土本身的軟弱特點極易引起巨大變形，加之隧道進(jìn)洞段埋深較淺，圍巖自穩(wěn)能力較差，如果受水影響其濕陷性將引起邊仰坡的滑動，甚至垮塌[2]。數(shù)據(jù)表明，大量的黃土隧道在施工中都發(fā)生了坍塌的事故，而且目前在黃土隧道設(shè)計與施工中還處于經(jīng)驗階段[3]，因此，如何正確防止及處理黃土隧道滑塌，保證黃土隧道進(jìn)洞安全進(jìn)洞顯得尤為重要。

該文結(jié)合寧夏固原至西吉公路炸山嘴隧道的洞口段施工中出現(xiàn)的滑塌事故，對濕陷性黃土隧道富水段進(jìn)洞滑塌事故和處理技術(shù)進(jìn)行了分析。

1 工程概況

國道309線固原至西吉公路工程設(shè)計為一級公路，設(shè)計行車時速80 km/h，炸山嘴隧道（雙洞四車道）為分離式長隧道，隧道進(jìn)口位于固原市原州區(qū)中河鄉(xiāng)廟灣村，出口位于西吉縣偏城鄉(xiāng)偏城村附近。炸山嘴隧道設(shè)計的基本情況見表1。

根據(jù)固原市原州區(qū)固原氣象臺站多年氣象資料統(tǒng)計，其多年平均降水量389.7 mm。降水多集中在7、8、9三個月份，年蒸發(fā)量平均1 550 mm。年平均氣溫5.5 ℃左右，最低氣溫（1月）-30.4 ℃；最高氣溫（7月）34.5 ℃。每年11月至次年3月為冰凍期，最大凍土深度1.21 m。

隧址區(qū)為清水河水系，清水河是寧夏境內(nèi)直入黃河的第一大支流，發(fā)源于固原縣開城鄉(xiāng)黑刺溝腦，在中寧縣泉眼山匯入黃河，全長320 km，境內(nèi)流域面積1 351.1 km2，河源海拔2 489 m，河口1 190 m，河道平均比降1.49‰。流域內(nèi)多年平均降水量335 mm。隧址區(qū)進(jìn)口附近為大路溝河的源頭，為季節(jié)性河溝，豐水季節(jié)有細(xì)小流水，勘察期間未見地表水。出口3 km以外為店子洼河，該河為季節(jié)性河流，勘察期間有少量流水，水量為86.2～150 m3/d。

隧址區(qū)為六盤山北脈，地貌單元屬侵蝕剝蝕中低山區(qū)，山脊高程在2 000～2 200 m左右，相對高差100～200 m，山脈呈南北走向，地勢總體趨向呈北西高、南東低。洞身地形中部高，兩出口地段地形較低，地形起伏較大，海拔高程2 000.50～2 180.00 m，相對高差約180 m。

地下水主要受地質(zhì)構(gòu)造、地貌、巖性、氣候和古地理等條件的控制和影響，可分為第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水。出口左側(cè)有泉水出露，流量為1.6～3.3 m3/d，所有鉆孔中均有地下水，且隧道標(biāo)高低于穩(wěn)定水位，因此，在隧道施工時可能有地下水涌出。隧址區(qū)位于中溫帶干旱區(qū)大陸性季風(fēng)氣候，降雨量少蒸發(fā)強烈，其涌水量應(yīng)該不大。但是在雨季，特別是連續(xù)降雨時段，因持續(xù)降水，隧道內(nèi)可能會出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，特別在隧道進(jìn)出口和隧道ZK25+220～500、YK25+223～503段可能會呈股狀流出。

左線ZK25+950～ZK26+004，右線YK25+908～YK25+972屬于隧道出口淺埋段，圍巖等級Ⅴ級偏弱，穿越地層為第四系新黃土和下第三系始新統(tǒng)清水營組（E3q）泥巖、砂質(zhì)泥巖，新黃土具自重濕陷性，巖體屬半成巖的極軟巖，巖性呈散體狀。

2 隧道進(jìn)洞過程

2.1 原設(shè)計施工情況分析

炸山嘴隧道首先施工左洞，洞口仰坡設(shè)計坡率為1∶0.75，且仰坡開挖土體表層為濕陷性黃土，且存在出水點，為保證土體穩(wěn)定，在施工隧道出口段邊仰坡時，將坡率減緩為1∶1，具體施工過程為：首先施做截水溝，截水溝至坡頂開挖線5.0 m，布設(shè)沉降觀測點，以備開挖時同步進(jìn)行觀測，然后進(jìn)行仰坡開挖，施做砂漿錨桿及噴錨。仰坡開挖至洞頂標(biāo)高位置時（下挖高度8 m），洞頂出現(xiàn)一滲水夾層，隨后出現(xiàn)明顯滲水，施工過程中出現(xiàn)局部滑塌，滑塌深度4 m。

根據(jù)現(xiàn)場滑坡的情況，對坡體坡率再次進(jìn)行減緩處理，坡率更改為1∶1.5，坡體分兩級開挖，增設(shè)2 m平臺，并嚴(yán)格按照逐級開挖逐級支護(hù)的要求及時進(jìn)行錨噴支護(hù)。隨后該地區(qū)出現(xiàn)連續(xù)5天降雨，坡體因滲水及連續(xù)降雨的影響，在仰坡施工至套拱頂1.5 m處時，坡體發(fā)生嚴(yán)重滑塌，滑動坡面開口線位于一級平臺位置，距設(shè)計套拱頂垂直高度9.0 m（軸線樁號ZK25+975），如圖1所示。事后對土樣進(jìn)行檢測，實測該滑動面土質(zhì)含水率為20%～23%。

2.2 第一次滑塌處理方案及效果分析

事故發(fā)生后，施工單位聯(lián)合業(yè)主迅速成立了隧道專家組，經(jīng)過現(xiàn)場勘察，確定如下處理方案。

（1）清除坍塌體，明洞延長14 m，暗洞洞口加強段長度不變，V級圍巖加強段減短14 m。

（2）仰坡面開挖坡比由1∶1放緩至1∶1.25，這樣既保證了坡體穩(wěn)定，又清除了坍塌體，同時又保證了坡頂原小路的安全。

（3）坡面采用鋼管樁加強，以確保仰坡的穩(wěn)定。

施工期間項目部同步開始變形監(jiān)控量測工作，加強了對洞口地表沉降進(jìn)行觀測?，F(xiàn)場根據(jù)處理方案恢復(fù)施工，先后完成了右洞出口段邊仰坡施工、導(dǎo)向墻及大管棚施工。然而在左洞出口段仰坡施工完成后，右洞地表和左洞地表測點分別出現(xiàn)了10.33 mm和9.31 mm的日沉降值突變，導(dǎo)致左洞平臺和右洞開挖邊界處出現(xiàn)細(xì)小裂縫，同時伴隨仰坡破面滲水的出現(xiàn)。隨后施工單位采用水泥漿液灌縫、表面砂漿封堵等措施對裂縫進(jìn)行了緊急封閉處理。

次日凌晨，隧道左洞左側(cè)ZK25+976～ZK26+004明洞范圍邊坡發(fā)生突然滑塌，主要滑塌范圍為右洞中心至左洞左側(cè)邊仰坡位置，右洞仰坡開挖線處已封閉處理的砂漿鼓起并開裂。距左洞開挖邊線13 m處裂縫擴大，裂縫寬度最大達(dá)到10 cm，最大深度2.6 m，但無錯臺。左洞中央隔離帶產(chǎn)生一條縱向滑移面，該滑移面內(nèi)肉眼可觀測到有泥質(zhì)充填，并且表面光滑，已可觀測到有滑動形成的錯裂縫。待滑移穩(wěn)定后，右洞出現(xiàn)明顯滲水，每天滲水量約7方。經(jīng)實地測量，最終滑移開口線距導(dǎo)向墻位置44 m，寬度90 m，深度26 m（至上述滑動面），塌體頂部距洞頂20 m。

2.3 第二次滑塌處理方案及效果分析

經(jīng)現(xiàn)場專家會議詳細(xì)討論后，為了保證坡體的穩(wěn)定，決定對滑塌體處理遵循先加固再處理的原則。整個處理方案按施工順序分7部分。

（1）左線滑塌體大里程端采用改良土回填作為反壓體（須設(shè)洞口核心反壓體），右線實施護(hù)拱（5 m）后按原設(shè)計進(jìn)洞。

（2）左線滑塌體分臺階進(jìn)行碾壓或強夯處理。

（3）左右線滑塌體小里程端未滑塌部分陡立壁面進(jìn)行削坡（緩坡）處理。

（4）對左線滑塌體前后進(jìn)行地表注漿固結(jié)。

（5）施工左線導(dǎo)向墻及超前長管棚，小里程10 m左右并輔以超前小導(dǎo)管，加強超前支護(hù)，大管棚結(jié)束采用小角度雙層超前小導(dǎo)管。

（6）采用加強型襯砌（大格柵+型鋼拱），以明洞暗進(jìn)的方式進(jìn)洞。

（7）施作洞門鋼筋混凝土端墻。

同時因滑塌時當(dāng)?shù)亟涤觐l繁，且降雨量較大，為防止降雨雨水沖刷及浸泡造成二次坍塌，需對坍塌斷面及坍塌體進(jìn)行了覆蓋。在清除滑塌體表面錨桿、鋼筋網(wǎng)及雜物后，對滑塌體進(jìn)行強夯碾壓處理。碾壓完畢后對左洞明洞段回填10%水泥土處理，進(jìn)行分層碾壓，碾壓厚度不大于30 cm，回填土與開挖結(jié)合部位采用臺階法處理，如此分層回填直至設(shè)計高度。對滑塌體開口線陡坎位置進(jìn)行邊坡處理，用挖掘機將坡面開挖成坡率為1∶2的邊坡，分兩級開挖，中間設(shè)15寬平臺，開挖1級坡時對坡面進(jìn)網(wǎng)噴防護(hù)。然后對左洞劃塌體進(jìn)行地表注漿處理，注漿孔采用梅花型布置。然后施做左洞導(dǎo)向墻，施工前在洞頂平臺布置沉降觀測點，進(jìn)行沉降觀測，導(dǎo)向墻向小里程傾斜，坡度為1∶0.1，長度2 m，厚度1 m，采用C30混凝土。導(dǎo)向墻內(nèi)設(shè)4榀型鋼加強；右線導(dǎo)向墻未破壞，大管棚也已施作，按原設(shè)計進(jìn)行。導(dǎo)向墻施做完成后，采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工。

采用上述處理措施后，施工過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，左右洞地表沉降均趨于穩(wěn)定，洞口周邊亦未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫。表明炸山嘴隧道滑塌事故達(dá)到了處理的預(yù)期效果，恢復(fù)了正常施工。

3 結(jié)論與建議

黃土隧道進(jìn)洞施工時，雖大多會采取一定的超前支護(hù)措施，但遇到降水頻繁或富水地層時仍有可能出現(xiàn)較大的初期支護(hù)沉降變形，甚至滑塌[4]。通過分析該工程發(fā)生的兩次滑塌事故，并及時實施相應(yīng)的處治措施，保證了工程的安全進(jìn)洞。從中可以總結(jié)出以下幾點。

（1）即使地勘顯示隧道涌水量較少，黃土隧道施工仍需高度重視潛在滑坡體裂縫的注漿封堵處理，同時配合完善排水系統(tǒng)，防止因突發(fā)降雨，造成洞室涌水現(xiàn)象，對施工安全產(chǎn)生巨大威脅。

（2）黃土隧道邊仰坡本身自穩(wěn)能力較差，加之洞口施工，不可避免地會形成陡坎斜坡面，破壞自然坡角，形成潛在滑移面，極易產(chǎn)生滑塌。因此，對高邊坡進(jìn)行網(wǎng)噴加固，使其形成一個相對穩(wěn)定的整體是很有必要的，同時若條件允許可配合抗滑樁對洞口段進(jìn)行加固。

（3）在施工場地和條件允許的情況下，黃土隧道進(jìn)洞應(yīng)遵循“早進(jìn)洞晚出洞”的原則[5]，適當(dāng)延長明洞長度，起到鎖定洞口的作用，減小進(jìn)洞風(fēng)險。

（4）超前管棚注漿支護(hù)對于隧道進(jìn)口施工具有重要作用，但黃土隧道進(jìn)洞時管棚施工應(yīng)盡量避開雨天，防止管棚與土體間出現(xiàn)大量空洞，影響施工質(zhì)量。

（5）重視監(jiān)控量測，隧道進(jìn)洞時需提前布置監(jiān)測點，一旦數(shù)據(jù)發(fā)生異常應(yīng)及時分析原因并暫停施工，防止安全事故發(fā)生。

（6）施工過程中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況結(jié)合監(jiān)控量測數(shù)據(jù)對設(shè)計參數(shù)和施工方案不斷進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，做到動態(tài)設(shè)計，可及時有效地遏制險情的進(jìn)一步擴大。

（7）出現(xiàn)坍塌情況時，對滑塌體采用就地夯實并回填改良土體的方式較清除坍塌體更為合理有效。同時對未滑塌部分陡壁應(yīng)及時進(jìn)行削坡處理，并采用網(wǎng)噴防護(hù)。

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