濕陷性黃土隧道淺埋段圍巖變形處理

胡少雷 徐永建 牛彥平

（中建七局第四建筑有限公司，陜西 西安 710000）

1 工程概括

該文以我國(guó)四川的某隧道為例，該隧道進(jìn)口位于某山坡的東坡角段以及三級(jí)河流的過(guò)渡區(qū)域。隧道部分巖土的上坡段接近于黃土堆及區(qū)域，下半部分呈現(xiàn)出Ⅳ級(jí)的自重濕陷區(qū)域，隧道周?chē)膰鷰r穩(wěn)定性非常差。該隧道的出口段位于黃土梁區(qū)域的地區(qū)，地勢(shì)非常陡峻，出口區(qū)域的巖石組成成分為嚴(yán)重的濕陷性黃土，呈現(xiàn)出Ⅳ級(jí)地自重濕陷區(qū)域，該地區(qū)的圍巖穩(wěn)定性非常差。該文就以該隧道工程為例，研究并應(yīng)用了濕陷性黃土隧道圍巖變形治理技術(shù)。

2 濕陷性黃土的工程特性

濕陷性黃土壤的性質(zhì)較為特殊及土壤內(nèi)部的組成結(jié)構(gòu)較為疏松，孔隙發(fā)育較強(qiáng)。濕陷性黃土壤在沒(méi)有經(jīng)過(guò)水分浸濕時(shí)，其內(nèi)部的強(qiáng)度較高，一般情況下不具有壓縮性，但是當(dāng)受水分浸濕并且承受外界的一定壓力時(shí)，濕陷性黃土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)會(huì)迅速地發(fā)生變形破壞，從而產(chǎn)生較大的外界壓力，使土壤下沉，強(qiáng)度也會(huì)迅速降低。因此建設(shè)部門(mén)在濕陷性黃土區(qū)域內(nèi)進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，要根據(jù)建筑物的實(shí)際情況以及當(dāng)?shù)貐^(qū)域的外界環(huán)境，采取地基處理為主的綜合建筑措施，避免地基坍陷對(duì)建筑工程產(chǎn)生危害。

在濕陷性黃土的整體結(jié)構(gòu)中，粗粉和沙粒主要充當(dāng)骨架，濕陷性黃土本身包括較少的沙粒，大多數(shù)沙粒無(wú)法直接接觸，直接接觸的基本上是粗粉顆粒。在該情況下，細(xì)粉末顆粒通常被用作黃土表面的填充材料，特別是在大顆粒與膠體位置的接觸點(diǎn)處時(shí)，土壤中所含有的物理及化學(xué)物質(zhì)及其他黏土顆粒都會(huì)集中在較大顆粒的接觸點(diǎn)上。由于在外界條件的作用下，水泥自身會(huì)發(fā)生固化和結(jié)晶現(xiàn)象，因此隨著時(shí)間的推移，水泥的牢固程度也會(huì)增加，濕陷性黃土的強(qiáng)度也得到了提高。并且當(dāng)水泥暴露于水時(shí)，水泥會(huì)軟化，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)水泥消失。最終導(dǎo)致土壤的強(qiáng)度降低，最終發(fā)生公路塌陷。目前，我國(guó)大部分發(fā)生下陷的土壤或公路的大多數(shù)濕陷性黃土顆粒大多為淤泥。

3 圍巖變形情況及原因分析

3.1 隧道圍巖變形情況

在隧道進(jìn)出口的工程實(shí)施時(shí)，在開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行到20 m～30 m時(shí)，發(fā)現(xiàn)隧道的進(jìn)出口的坡面上張階段及隧道拱部出現(xiàn)了局部的裂縫現(xiàn)象，隧道洞頂?shù)谋砻嬉渤霈F(xiàn)部分裂縫現(xiàn)象，并且隨著隧道內(nèi)部的開(kāi)挖，裂縫現(xiàn)象也在逐漸增加。隨著工程的逐漸進(jìn)行，筆者發(fā)現(xiàn)洞穴內(nèi)部裂縫的發(fā)育在逐漸加快，并且根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)隧道仰坡面的裂縫現(xiàn)象有逐漸向洞口方向偏移的跡象，隧道進(jìn)口也出現(xiàn)了多種裂縫現(xiàn)象，隨著隧道頂部的下沉，沒(méi)有呈現(xiàn)出減緩的趨勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn)隧道的頂拱下沉量大而收縮量小。

3.2 圍巖變形的施工方法

在實(shí)際施工時(shí)，相關(guān)人員主要采取了邊界主程序進(jìn)行了前期的施工模擬力學(xué)計(jì)算分析。研究分析表明，在不考慮圍巖的流變特征的情況下，采取前期制定的土壤開(kāi)挖方式是安全可靠的。而實(shí)際施工條件表明，對(duì)于V 級(jí)的軟弱圍巖條件下的施工，需要解決的核心問(wèn)題是施工初期的工程結(jié)構(gòu)安全。在實(shí)際的施工過(guò)程中要保證地基具有足夠的承載力，在進(jìn)行隧道開(kāi)挖過(guò)程中，要及時(shí)形成初期的閉合，以防止上臺(tái)架拱架的懸空。

3.3 施工順序

初步進(jìn)行雙臺(tái)階的開(kāi)挖，高度控制在6 m 左右，寬度（若將預(yù)留的沉降量算起）控制在13 m 左右。在實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程中，采取人工配合機(jī)械的開(kāi)挖方式進(jìn)行。

3.4 圍巖變形原因分析

造成圍巖發(fā)生變形的最主要原因是當(dāng)?shù)刈灾貪裣菪酝寥赖慕Y(jié)構(gòu)力差，穩(wěn)定性較弱，并且其土壤內(nèi)部的孔隙程度較差，在受到壓力后容易發(fā)生變形及破壞。在該情況下，濕陷性黃土發(fā)生松軟后，其壓縮量及壓縮系數(shù)較標(biāo)準(zhǔn)值較高。在洞穴隧道開(kāi)挖過(guò)程中破壞了其原本的穩(wěn)定性，從而形成隱性的滑動(dòng)面。上臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)程中其地基承載力不足，上半面的隧道支護(hù)壓力增加，就有可能發(fā)生變形及沉降，進(jìn)而誘發(fā)下表面的裂縫發(fā)育。隨著隧道掌子面的開(kāi)挖施工進(jìn)行，裂縫程度也在不斷的增加，洞內(nèi)整體向洞口發(fā)生滑移，如果處理不好的話，就有可能發(fā)生沉降的事故。

4 圍巖沉降變形的處理方案

隧道洞內(nèi)初期可能會(huì)發(fā)生較大的支護(hù)變形，隧道表面的裂縫發(fā)育現(xiàn)象，洞內(nèi)初期的支護(hù)加固過(guò)程中，要確保已經(jīng)開(kāi)挖的部分安全穩(wěn)定。如果開(kāi)挖初期不能保證其施工的穩(wěn)定性，在開(kāi)挖后期有可能加速圍巖的變形，從而導(dǎo)致后期土壤出現(xiàn)更大下沉。根據(jù)該工程的前期勘測(cè)情況，研究出了以下處理措施。針對(duì)于隧道上臺(tái)階施工，采用臨時(shí)仰拱作為支撐，采取地表處理技術(shù)，筆者保證隧道內(nèi)部已經(jīng)開(kāi)挖施工過(guò)程的穩(wěn)定，待開(kāi)挖穩(wěn)定后采取洞內(nèi)二次襯砌（如圖1 所示）[1]。

圖1 二次襯砌圍巖施工順序圖

4.1 隧道洞里鋼支撐臨時(shí)加固

針對(duì)于隧道上臺(tái)階已經(jīng)開(kāi)挖過(guò)的部分，進(jìn)行臨時(shí)仰拱架的支撐保護(hù)。鋼筋的選擇為120A 的工字鋼材料，臨時(shí)的支護(hù)架以及環(huán)形剛架之間的距離控制在0.5 m 左右，保證其與初期的支護(hù)鋼架對(duì)齊。由于環(huán)形鋼架與元初期支護(hù)之間可能會(huì)存在一定的裂縫，因此，要用木楔或其他材料將該裂縫堵實(shí)，堵實(shí)之后再噴加混凝土以增強(qiáng)支撐的效果。

4.2 洞頂?shù)乇砑庸毯蜏p壓卸載處理

由于一般處理方法不適合在濕陷性的黃土地段使用，該文所分析的工程，主要采取挖出洞頂裂縫的土體，以此減少洞頂?shù)耐恋貕毫?，從而避免由于土地壓力過(guò)大而造成的隧道洞頂段滑坡。同時(shí)在灰土換填后澆筑C20 的普通混凝土，防止地表水滲透隧道周?chē)浇?，避免造成土壤坍陷事故的發(fā)生。一般情況下利用鋼筋錨樁進(jìn)行隧道地表的加固，澆筑混凝土也是經(jīng)常采取的方式之一，施工人員也會(huì)采取鋪設(shè)灰土防土層的方法來(lái)進(jìn)行地表的加固，避免隧道地表發(fā)生下沉和坍陷，有效地阻止了隧道表面裂縫的發(fā)育，防止地表水對(duì)隧道周?chē)鷩鷰r產(chǎn)生負(fù)面危害[2]。

5 隧道淺埋段為巖的變形控制

根據(jù)上文中所采用的措施，自實(shí)施以來(lái)相關(guān)部門(mén)也對(duì)隧道圍巖情況進(jìn)行了實(shí)時(shí)勘察，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明隧道上半部分的斷面的拱頂每天會(huì)下沉1 mm～2 mm。采取上述措施以來(lái)，發(fā)現(xiàn)隧道表面的裂縫基本上已經(jīng)停止了發(fā)育[3]。

6 下半斷面及仰拱施工

當(dāng)隧道實(shí)施上導(dǎo)坑基本形成穩(wěn)定后，隧道洞口向內(nèi)延申15 m以外的部分已經(jīng)拆除了臨時(shí)的支護(hù)和仰拱，并且進(jìn)而實(shí)行下導(dǎo)坑的開(kāi)挖和支護(hù)工作，施工完成后實(shí)現(xiàn)永久封閉。

7 監(jiān)控量測(cè)

在進(jìn)行隧道前埋段偉巖變形治理的過(guò)程中，相關(guān)人員也要對(duì)施工情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如圖2 所示。

主要監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目有隧道拱頂?shù)南鲁亮?、隧道周?chē)鷩鷰r的位移量、隧道附近區(qū)域地表的下沉量以及在隧道內(nèi)進(jìn)行支護(hù)的設(shè)備狀態(tài)及地質(zhì)勘測(cè)等。同時(shí)相關(guān)施工人員也要加強(qiáng)對(duì)隧道圍巖和支護(hù)狀態(tài)穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)，對(duì)其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)隧道周?chē)鷩鷰r的變形情況進(jìn)行及時(shí)地維護(hù)和解決。

圖2 層間壓力監(jiān)控測(cè)量測(cè)點(diǎn)布置圖

8 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究我國(guó)某工程的濕陷性黃土隧道圍巖變形處理措施，得到了以下可以供相關(guān)部門(mén)及人員參考的建議。首先在施工過(guò)程要嚴(yán)格按照相關(guān)的規(guī)章制度，施工順序要按照短進(jìn)尺的原則進(jìn)行，避免后期發(fā)生缺陷問(wèn)題，同時(shí)當(dāng)發(fā)現(xiàn)隧道周?chē)鷩鷰r變形破壞情況較大，再采取措施后沒(méi)有得到收斂時(shí)，需要采取臨時(shí)的支護(hù)和加固措施，從而有效控制圍巖變形。其次，施工過(guò)程中的地基的承載力要足夠，在隧道下臺(tái)階進(jìn)行開(kāi)挖過(guò)程是要形成初期閉合狀態(tài)，避免出現(xiàn)上臺(tái)階懸空現(xiàn)象。最后相關(guān)監(jiān)測(cè)人要提高對(duì)于監(jiān)測(cè)的重視程度，要實(shí)時(shí)記錄圍巖的變形類(lèi)型及變形情況。對(duì)其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息要進(jìn)行收集統(tǒng)計(jì)與分析，以此為后期的措施提供參考。