黃土隧道洞口段飽和滑坡體處理

張 沖

(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300308)

1 概述

黃土廣泛分布在我國西北地區(qū)，由于其特殊的工程特性和節(jié)理構(gòu)造，給該地區(qū)的鐵路工程建設(shè)帶來了很大困難[1-4]。近年來，我國已在西北黃土地區(qū)修建了大量黃土隧道，積累了較為豐富的富水黃土隧道施工經(jīng)驗(yàn)：來弘鵬等認(rèn)為注漿預(yù)加固對提高黃土地層強(qiáng)度、降低圍巖的透水性效果明顯[5]；劉鵬飛等研究了帷幕注漿在高含水率黃土隧道中的加固作用[6-7]；王小林等采用數(shù)值模擬的方法研究了隧道穿越飽和黃土?xí)r的合理注漿半徑[8]；吳昊等分析了水泥-水玻璃注漿在富水黃土隧道圍巖中的加固效果[9]。目前，對富水黃土隧道修建技術(shù)的研究多集中在暗洞段，對洞口不穩(wěn)定段的綜合處理措施研究較少。以某新建鐵路劉坪隧道出口為例，分析其施工過程中洞口段飽和滑坡體的成因，并給出了成功穿越該段落所采取的工程措施。

2 工程概況

該鐵路為國家I級鐵路，設(shè)計速度為120 km/h，隧道全長3 375.3 m，為單洞雙線隧道，最大埋深148 m。隧址區(qū)屬于陜北黃土高原梁峁區(qū)，沖溝發(fā)育，大部分地區(qū)覆蓋厚層黃土，偶見基巖裸露。該區(qū)域在大地構(gòu)造上屬陜甘寧臺坳東南翼部，是一個基底硬化程度高、比較標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定地塊；經(jīng)歷多旋回構(gòu)造發(fā)展，最終形成了具有多次坳陷疊加的中生代盆地；隧址區(qū)地下水主要為基巖裂隙水及第四系潛水，主要接受大氣降水補(bǔ)給，其水位、水量隨季節(jié)性變化明顯。

隧道出口整體地形見圖1，洞身結(jié)構(gòu)位于土石界面處，上部為第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)新黃土(褐黃色，中密，稍濕)和中更新統(tǒng)黏質(zhì)老黃土(棕褐色、棕紅色，硬塑-堅硬)；下伏三疊系上統(tǒng)砂巖(灰白色、青灰色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，強(qiáng)-弱風(fēng)化)和泥巖(青灰色、灰綠色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，強(qiáng)風(fēng)化-弱風(fēng)化)。

圖1 劉坪隧道出口地形

出口段巖體破碎，圍巖分級為Ⅴ級，主要設(shè)計措施如下：

(1)隧道出口里程為DK332+900，明暗分界里程為DK332+887，采用偏壓式明洞門，明洞長13 m。

(2)暗洞施工前，在拱部120°范圍先施作一環(huán)φ108 mm超前長管棚，環(huán)向間距為3根/m，長40 m。

(3)DK332+796～DK332+847段采用φ89 mm熱軋無縫鋼管超前支護(hù)，每10 m一環(huán)，每節(jié)管長5 m，環(huán)向間距為3根/m，縱向搭接長度不小于3 m。

(4)襯砌形式為黃土Ⅴb型復(fù)合式襯砌，采用三臺階大拱腳臨時仰拱法進(jìn)行開挖。

3 現(xiàn)場施工情況

劉坪隧道出口于2015年9月7日開始導(dǎo)向墻施工，開挖過程中，發(fā)現(xiàn)土體含水量較高，DK332+890處右側(cè)邊坡不斷有水滲出，且邊坡出現(xiàn)少量溜塌。9月12日，完成導(dǎo)向墻混凝土澆筑。

9月22日，管棚開始鉆孔施工(風(fēng)鉆鉆孔)。鉆孔過程中發(fā)現(xiàn)洞身拱部土體含水量較高，前9 m孔內(nèi)土、泥塊尚可勉強(qiáng)吹出，孔深大于9 m后，孔內(nèi)泥土無法吹出。故改用螺旋鉆桿鉆孔，但土體黏性較大，渣土黏結(jié)、包裹鉆桿，成孔效率較低。同時，附近孔內(nèi)不斷有泥漿噴出，見圖2。

圖2 劉坪隧道出口大管棚施工現(xiàn)場

10月1日，管棚施工完成，10月2日，發(fā)現(xiàn)DK332+847附近洞頂?shù)孛娉霈F(xiàn)寬約5～10 mm的地表裂縫(見圖3)。裂縫走向大致垂直線路，總長度約26 m，裂縫處隧道埋深16 m，地表沉降3～5 mm，導(dǎo)向墻沉降約40 mm。根據(jù)10月3日～10月15日的現(xiàn)場沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，洞口段地表未再發(fā)現(xiàn)明顯沉降跡象。

圖3 隧道洞頂上方地表裂縫

10月20日，開始暗洞施工，11月10日，上臺階開挖完成10.8 m。開挖揭示，上臺階地層為砂質(zhì)、黏質(zhì)新黃土交錯，層狀結(jié)構(gòu)，含水量高達(dá)25%(超過砂質(zhì)新黃土液限)；開挖過程中，工作面連續(xù)出現(xiàn)開裂、脫落現(xiàn)象，DK332+885處拱頂累計沉降量為32.3 mm，地表裂縫局部擴(kuò)展。線路右側(cè)拱腳處有清水不斷滲出，洞內(nèi)中、下臺階地層呈軟塑狀(見圖4)。

圖4 洞口段開挖揭示地質(zhì)情況

4 原因分析

根據(jù)洞口段施工過程中出現(xiàn)的不良地質(zhì)現(xiàn)象和探明的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造，通過現(xiàn)場鉆孔補(bǔ)勘和水文地質(zhì)調(diào)查，判斷洞口段存在滑坡體，長約150 m，寬約200 m，厚5～15 m，滑動方向與線路約呈20°夾角，出口段平面、縱斷面見圖5和圖6。

圖5 劉坪隧道出口平面

洞口段滑坡體成因分析如下：

(1)劉坪隧道穿越牡丹川及其支流的分水嶺，地下水較為豐富，且洞口段主要為砂質(zhì)黃土和黏質(zhì)黃土，局部存在囊狀地下水，管棚施工易導(dǎo)致泥漿外流。

(2)施工揭示，地層中有“反翹”和“交錯”分布，山體有古活動跡象，富水軟弱地層和下伏基巖面為可能滑動面[10-11]；地質(zhì)補(bǔ)勘揭示，隧道出口DK332+770.6～DK332+900段地下水位較高，砂質(zhì)黃土、黏質(zhì)黃土地層含水量高(飽和或接近飽和)，為潛在軟弱地層。綜合分析表明，隧道洞口段位于不穩(wěn)定斜坡上。

(3)開工后，洞口臨時便道的引入、邊仰坡刷坡及導(dǎo)向墻的施工破壞了原地形坡腳(局部垂直臨空面高達(dá)6 m)；大管棚及暗洞施工導(dǎo)致地下水流失，又加快了洞頂山體下挫(地表出現(xiàn)裂縫，山體出現(xiàn)滑動跡象)。

綜上，洞口滑坡體對工程施工和后期運(yùn)營安全構(gòu)成潛在威脅，應(yīng)進(jìn)行綜合治理。

圖6 劉坪隧道出口段縱斷面

5 處理思路及措施

5.1 處理思路

(1)應(yīng)采取穩(wěn)定仰坡坡腳及減少地下水流失的措施，防止滑坡體進(jìn)一步發(fā)展；同時封閉地表裂縫，防止地下水滲入。(2)施工過程中，宜采取超前加固的措施來保證工作面穩(wěn)定及減少地下水流失，以保證施工安全。(3)為確保后期運(yùn)營安全，洞口坡腳處需采取永久防護(hù)措施，洞內(nèi)需采取基底加固措施，以滿足承載力要求。

5.2 洞外處理措施

(1)對線路兩側(cè)已開挖的臨空面進(jìn)行反壓回填，以防止黃土滑坡體滑移，造成工程地質(zhì)災(zāi)害。

(2)洞頂裂縫外10 m處設(shè)置截水天溝，同時，采用“水泥+膨潤土”封閉洞頂裂縫，施工期間，應(yīng)在表層鋪設(shè)防水帆布，避免雨水下滲至裂縫內(nèi)[12-13]。

(3)根據(jù)黃土滑坡體的滑向及規(guī)模，劉坪隧道出口左右兩側(cè)設(shè)置19根防護(hù)樁(2 m×3 m方樁，樁長24～30 m)[14]，樁間距5 m，樁身采用C35鋼筋混凝土。防護(hù)樁平面布置見圖5。

5.3 洞內(nèi)處理措施

(1)采用25 cm厚C25早強(qiáng)噴射混凝土臨時封閉DK332+876.2工作面，以穩(wěn)定工作面及減少地下水流失。

(2)對DK332+887～DK332+876.2已開挖段，采用φ42鋼花管豎向注漿(采用φ42 mm、厚3.5 mm、長5 m的熱軋無縫鋼管)，橫向間距為80 cm，縱向間距為120 cm，具體注漿參數(shù)通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定。

(3)DK332+876.2～DK332+848.2段采用超前帷幕注漿[15]。注漿材料：水泥-水玻璃雙液漿(仰拱底部為普通水泥漿)；注漿壓力為0.5～1 MPa，單孔有效擴(kuò)散半徑按1.8 m考慮，通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定合理的注漿參數(shù)。

因洞口φ108大管棚(凈間距16 cm)已施作，為避免破壞管棚，隧道拱部注漿孔從洞外導(dǎo)向墻上方打設(shè)，注漿孔橫斷面布置見圖7，注漿孔縱剖面見圖8，注漿加固孔終孔交圈情況見圖9。

圖7 注漿孔橫斷面布置(單位：m)

圖8 注漿孔縱剖面(單位：m)

圖9 注漿加固孔終孔交圈

注漿完成后，通過打設(shè)檢查孔、測定土體含水率、觀察工作面漿脈情況等方式對注漿效果進(jìn)行評價。檢驗(yàn)結(jié)果表明，檢查孔內(nèi)無滲水，水泥顆粒明顯，注漿前土體實(shí)測含水率為23%～25%，注漿后土體含水率為13%～16%(含水率降低約10%)，注漿后工作面漿脈分布見圖10。

圖10 注漿后工作面漿脈分布

(4)DK332+876.2～DK332+823.2段采用黃土Ⅴb型復(fù)合式襯砌、三臺階大拱腳臨時仰拱法施工。DK332+887～DK332+848.2段二襯主筋由φ22 mm調(diào)整為φ25 mm；分布鋼筋由φ14 mm調(diào)整為φ16 mm。

(5)在DK332+887～DK332+823.2段基底鄰近土石界面處，采用φ89 mm鋼管樁進(jìn)行加固，壁厚5 mm，間距為0.6 m×0.6 m，梅花形布置，端頭伸入土石界面距離不小于0.5 m；注漿料為硫鋁酸鹽水泥漿。

6 監(jiān)控量測

后續(xù)施工過程中加強(qiáng)了監(jiān)控量測工作。以典型斷面DK332+880為例，其地表沉降、拱頂下沉、洞周收斂變形曲線見圖11；由圖11可知，暗洞后續(xù)施工期間，各項(xiàng)監(jiān)測變形值均較小且收斂迅速；地表沉降、拱頂下沉及洞周收斂最終變形值分別為56.4 mm，89.1 mm，14.1 mm，滿足設(shè)計要求。

圖11 DK332+880斷面監(jiān)測變形曲線

7 結(jié)束語

(1)隧道施工過程中，若隧道洞口土體含水量高(飽和或接近飽和)，洞內(nèi)地層有“反翹”和“交錯”現(xiàn)象，且隧底鄰近土石界面，則可判斷該地層可能存在滑動面。

(2)隧道穿越飽和黃土滑坡體，若滑坡體位移可控，則防護(hù)樁及坡腳反壓回填不失為一種解決此問題的思路。

(3)隧道洞內(nèi)帷幕注漿加固后，若工作面土體含有大量漿脈且分布層理清晰；后續(xù)施工過程中，工作面未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，未發(fā)生塌方、大變形等病害，則可初步判斷：帷幕注漿加固土體的效果較好。