某特殊土隧道塌方原因淺析

李江輝

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司太原設計院，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

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司太原設計院，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，總結了該地區砂質黃土和膨脹土的特點。

關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隧道穿過砂質黃土地層內，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，結構致密，呈菱形狀，土內分布有裂隙，斜交剪切裂隙較發育，裂隙水分布及滲出不穩定，無統一的地下水位。在膨脹土之上，覆蓋厚度不均的第四系上更新統砂質黃土，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，設置φ8 mm鋼筋網，網格間距20 cm×20 cm；邊墻設置φ22砂漿錨桿，錨桿長4.0m，間距為1.0 m×1.0 m；全斷面設1榀/0.6 m的I20b型鋼鋼架，每處拱腳設置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°設置φ42 mm小導管超前注水泥漿加固地層，小導管長4.5 m，縱向搭接1.5 m，環向間距為40 cm，每3.0 m一環。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，結構迅速破壞而發生顯著的附加下沉，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作業人員撤離危險區域，在人員撤離的過程中，土體隨即滑塌，無人員傷亡，施工機具設備被掩埋，山體滑塌及隧道洞內坍塌線路里程為DK75+261～DK75+140范圍。

2011年7月31日凌晨，小河溝隧道DK75+193～DK75+262.7段山體發生坍陷、滑移，坍陷深度達5 m以上。經現場統計量測，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性質。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，從而影響圍巖的穩定性。

(1)砂質黃土

砂質黃土在隧道頂部區域廣泛分布，本區的黃土為風積而成，堆積厚度大，現場調查發現，砂質黃土層上下比較均一，沒有水平層理，豎向節理發育，土體被切割為“長柱狀”，具有多孔性。室內土工試驗結果顯示，隧道區砂質黃土具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、結構性等因素影響。當黃土結構沒有破壞時，土體內顆粒間的固化連結力較強，黃土結構強度較大。如果一旦土體的結構遭到破壞，黃土結構強度就會明顯減小。濕陷性黃土受水浸濕后，自身重力變大，導致結構破壞從而發生附加下沉，強度也隨著迅速降低。黃土的抗剪強度和結構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系對于黃土的工程性質有著重要影響。因此，在黃土地區，常見于強降雨后由于濕陷性引起的崩塌、滑塌等現象。

(2)膨脹土

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

本隧道區膨脹土主要以下特性：

①隧道區膨脹土具有顯著的脹縮性，在形變上表現為吸水體積膨脹且產生向外的膨脹力，失水體積收縮且膨脹力消失但內部吸力增大。土體的膨脹力也隨著含水量的增減而產生變化，土中含水量的變化與降雨量等有關，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生破壞。

②隧道區膨脹土具有多裂隙性，普遍發育有微開—張開狀的“X” 節理，節理內無充填物。土體的連續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，兩者相互促進，互為因果，形成惡性循環，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，經歷干濕循環后其抗剪強度將隨著時間的延續而衰減，表現出強度衰減性。

④鉆探過程及隧道開挖過程發現，此區膨脹土具有超固結性，超固結性不僅使邊坡坡腳產生較大的剪力，而且還使得強度的應變軟化，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定都極為不利。

⑤隧道區膨脹土在地下水作用下易發生一定的崩解，隧道施工中時常發生掉塊現象。

膨脹土具有脹縮性、多裂隙性、超固結性，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，是導致土體滑移的關鍵因素。

3.3　降雨因素

隧道地處黃土高原地區，天氣干燥，干旱少雨，年均降雨量386 mm，年均蒸發量遠大于降雨量，土體常年干燥，黃土層天然含水率較低，并且裂隙發育。2011年7月28日～29日，施工區域普降大雨，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，導致土體沿軟弱結構面出現滑塌，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坍塌。

隧道塌方雖時有發生，但每次塌方都有其不同特點，應根據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年畢業于華北水利水電學院巖土工程專業，工程師，E-mail:83694319@qq.com。

收稿日期：2015-01-08