濕陷性黃土隧道富水進洞滑塌分析與處理技術

李洪江

摘 要：安全進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鍵。結合固原至海原公路工程炸山嘴隧道進洞段出現的兩次滑塌事故，通過系統分析工程地質、水文、氣象和工程措施等因素，詳細闡述了濕陷性黃土地區富水地段因隧道進洞導致滑塌的處理措施及施工技術，并提出了濕陷性黃土隧道富水地段安全進洞的施工技術見解，可以為后續類似工程的安全施工提供借鑒。

關鍵詞：黃土隧道 進洞 富水地段 滑塌 處理措施 施工體會

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

目前，我國正在按既定目標進行著大規模的基礎設施建設，在大規模的建設中，交通工程的建設是重中之重，穿越黃土的公路、鐵路也隨之增多[1]。黃土有著很強的結構性和水敏性，這使得其廣受工程師和學者的關注。當隧道通過黃土地區時，黃土本身的軟弱特點極易引起巨大變形，加之隧道進洞段埋深較淺，圍巖自穩能力較差，如果受水影響其濕陷性將引起邊仰坡的滑動，甚至垮塌[2]。數據表明，大量的黃土隧道在施工中都發生了坍塌的事故，而且目前在黃土隧道設計與施工中還處于經驗階段[3]，因此，如何正確防止及處理黃土隧道滑塌，保證黃土隧道進洞安全進洞顯得尤為重要。

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

1 工程概況

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

根據固原市原州區固原氣象臺站多年氣象資料統計，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。

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

隧址區為六盤山北脈，地貌單元屬侵蝕剝蝕中低山區，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。

地下水主要受地質構造、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，且隧道標高低于穩定水位，因此，在隧道施工時可能有地下水涌出。隧址區位于中溫帶干旱區大陸性季風氣候，降雨量少蒸發強烈，其涌水量應該不大。但是在雨季，特別是連續降雨時段，因持續降水，隧道內可能會出現涌水現象，特別在隧道進出口和隧道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清水營組（E3q）泥巖、砂質泥巖，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 隧道進洞過程

2.1 原設計施工情況分析

炸山嘴隧道首先施工左洞，洞口仰坡設計坡率為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，布設沉降觀測點，以備開挖時同步進行觀測，然后進行仰坡開挖，施做砂漿錨桿及噴錨。仰坡開挖至洞頂標高位置時（下挖高度8 m），洞頂出現一滲水夾層，隨后出現明顯滲水，施工過程中出現局部滑塌，滑塌深度4 m。

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

2.2 第一次滑塌處理方案及效果分析

事故發生后，施工單位聯合業主迅速成立了隧道專家組，經過現場勘察，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，以確保仰坡的穩定。

施工期間項目部同步開始變形監控量測工作，加強了對洞口地表沉降進行觀測。現場根據處理方案恢復施工，先后完成了右洞出口段邊仰坡施工、導向墻及大管棚施工。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了10.33 mm和9.31 mm的日沉降值突變，導致左洞平臺和右洞開挖邊界處出現細小裂縫，同時伴隨仰坡破面滲水的出現。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行了緊急封閉處理。

次日凌晨，隧道左洞左側ZK25+976～ZK26+004明洞范圍邊坡發生突然滑塌，主要滑塌范圍為右洞中心至左洞左側邊仰坡位置，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，裂縫寬度最大達到10 cm，最大深度2.6 m，但無錯臺。左洞中央隔離帶產生一條縱向滑移面，該滑移面內肉眼可觀測到有泥質充填，并且表面光滑，已可觀測到有滑動形成的錯裂縫。待滑移穩定后，右洞出現明顯滲水，每天滲水量約7方。經實地測量，最終滑移開口線距導向墻位置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

經現場專家會議詳細討論后，為了保證坡體的穩定，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（須設洞口核心反壓體），右線實施護拱（5 m）后按原設計進洞。

（2）左線滑塌體分臺階進行碾壓或強夯處理。

（3）左右線滑塌體小里程端未滑塌部分陡立壁面進行削坡（緩坡）處理。

（4）對左線滑塌體前后進行地表注漿固結。

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

（6）采用加強型襯砌（大格柵+型鋼拱），以明洞暗進的方式進洞。

（7）施作洞門鋼筋混凝土端墻。

同時因滑塌時當地降雨頻繁，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行了覆蓋。在清除滑塌體表面錨桿、鋼筋網及雜物后，對滑塌體進行強夯碾壓處理。碾壓完畢后對左洞明洞段回填10%水泥土處理，進行分層碾壓，碾壓厚度不大于30 cm，回填土與開挖結合部位采用臺階法處理，如此分層回填直至設計高度。對滑塌體開口線陡坎位置進行邊坡處理，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15寬平臺，開挖1級坡時對坡面進網噴防護。然后對左洞劃塌體進行地表注漿處理，注漿孔采用梅花型布置。然后施做左洞導向墻，施工前在洞頂平臺布置沉降觀測點，進行沉降觀測，導向墻向小里程傾斜，坡度為1∶0.1，長度2 m，厚度1 m，采用C30混凝土。導向墻內設4榀型鋼加強；右線導向墻未破壞，大管棚也已施作，按原設計進行。導向墻施做完成后，采用單側壁導坑法進行施工。

采用上述處理措施后，施工過程中監測數據顯示，左右洞地表沉降均趨于穩定，洞口周邊亦未發現明顯裂縫。表明炸山嘴隧道滑塌事故達到了處理的預期效果，恢復了正常施工。

3 結論與建議

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

（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，防止因突發降雨，造成洞室涌水現象，對施工安全產生巨大威脅。

（2）黃土隧道邊仰坡本身自穩能力較差，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，極易產生滑塌。因此，對高邊坡進行網噴加固，使其形成一個相對穩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行加固。

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

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

（5）重視監控量測，隧道進洞時需提前布置監測點，一旦數據發生異常應及時分析原因并暫停施工，防止安全事故發生。

（6）施工過程中，應根據現場實際情況結合監控量測數據對設計參數和施工方案不斷進行優化調整，做到動態設計，可及時有效地遏制險情的進一步擴大。

（7）出現坍塌情況時，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及時進行削坡處理，并采用網噴防護。

參考文獻

[1] 吉武軍.黃土隧道工程問題調查分析[J].巖土力學，2009（30）：87-90.

[2] 邵生俊，楊春鳴，焦陽陽，等.濕陷性黃土隧道的工程性質估計[J].巖土工程學報，2013（9）：748-751.

[3] 姜通虎，霍三勝，葉飛，等.淺埋軟弱破碎圍巖隧道進洞施工技術研究[J].現代隧道技術，2011，48（3）：117-122.

[4] 王曉州，丁維利，趙永明，等.大斷面濕陷性黃土隧道施工技術[A].客運專線工程技術學術研討會[C].2008.

[5] 吉武軍.黃土隧道工程問題調查分析[J].巖土力學. 2009（S2）：387-390.