高含水率黃土公路隧道塌方涌泥處理方案

趙 棟

(陜西省交通規劃設計研究院有限公司，陜西 西安 721000)

洞室開挖解除了拱頂圍巖的豎向支撐，拱部圍巖將向下發生變形，越軟弱的的圍巖底部成梁作用和側向抗剪作用越弱，變形區范圍越大。由于各層圍巖性質的差異，開挖后空洞上方柱體圍巖的重力平衡由原來的均勻體轉變為孔洞上方圍巖失去支撐后的成梁作用與洞頂圍巖柱體四周剪力或摩阻力共同提供。軟弱的圍巖轉換過程持續時間較久，對洞頂影響范圍越大。對黃土隧道而言，自然沉積久遠且未經水擾動的黃土具有一定的粘結力，保留一定的成梁能力和抗剪強度，塌方常沿節理面或軟弱面產生，不致連鎖反應至地表。但當受地下水擾動時，黃土飽和將失去自穩能力，塌方可以發展至地表產生冒頂。其原因多為土柱下方無成梁可以阻止變形，變形的增加導致滑動面的形成而出現空腔，空腔導致四周腔壁失穩，該過程連鎖上行成為漏斗狀陷坑。在完全沒有自穩能力的黃土隧道段落，如果不進行圍巖預加固，單純采取普通的常規支護由于初支不密貼和剛度不足的問題，無法阻止土體位移，產生較大規模塌方的概率增加，影響了施工安全性的同時也增加了工程造價。本文以西安外環高速公路白鹿原隧道黃土隧道塌方處理實踐為例，介紹高含水率黃土隧道的的塌方處理方案。

1 隧道概況

西安外環高速公路白鹿原隧道采用雙向六車道高速公路標準設計，設計時速120 km/h，最大埋深135 m，隧道全長2 820 m，最大埋深133 m。該隧道共設置車行橫洞3處、人行橫洞8處。隧道進口左右線間距最小為37.0 m，出口左右線間距最小為34.3 m。

隧道洞身段位于黃土塬下部含水層內，該段塬面起伏變化較大，塬面自東南向西北傾斜，海拔680～780 m，東北側高出灞河240～320 m，西南側高出浐河150～200 m。隧址區揭露地層由老至新依次有新近系泥巖，中更新統黃土(Q2eol)和上更新統黃土(Q3eol)。隧道涌水量較大，左線達到13 494 m3/d，右線為13 477 m3/d。隧道所在塬面起伏變化較大，塬面自東南向西北傾斜，海拔680～780 m，東北側高出灞河240～320 m，西南側高出浐河150～200 m。隧道大部位于飽和黃土層內，為典型的高含水率黃土公路隧道。

2 塌方情況

自雨季以來隧址區域連續強降雨影響，塌方涌泥、冒頂段落圍巖長時間受大氣降雨補給，含水量增大，使圍巖全部泥化，完全失去自穩能力，開挖車行橫洞時發生了塌方。洞內出現了較大規模涌泥，塌方兩側涌出，擠進主洞，洞頂出現圓形冒頂，地表出現了較大陷坑，如圖1所示。

圖1 地表陷坑與洞內涌泥情況

2.1 塌方經過

隧道出口準備開始破除車行橫洞預留洞口初期支護，切割二襯混凝土，準備車行橫洞施工。9月28日凌晨，開始切割車行橫洞預留洞口拱架，拱架切割完成后，車行橫洞掌子面拱部范圍發生滑塌，土體滑移至主洞，距離約5 m，整體呈斜面狀。滑塌發生后，現場采取了噴射混凝土加泵送混凝土等措施進行封閉，隨后拉土反壓。

2.2 原設計情況

原設計該段主洞圍巖為V級圍巖，洞室埋深約60 m，洞室圍巖主要為新近系泥巖泥質膠結、Q3黃土及Q2黃土，遇水、暴露黃土遇水軟化。圍巖穩定性差，可能出現坍塌，地下水富集，開挖過程中可能出現突水、涌水現象。從開挖及塌方情況來看，現場情況基本與勘察資料一致。

該段原設計車行橫洞的支護參數為超前支護采用加強超前支護類型，環向間距40 cm。初期支護：鋼架采用I18工字鋼，加強段縱向間距60 cm，普通段縱向間距80 cm；Φ8單層鋼筋網，間距20 cm×20 cm；24 cm厚C25噴射混凝土，系統錨桿采用Φ22藥卷錨桿，長3.5 m，環向、縱向間距1 m；鎖腳采用Φ22錨桿，長度3 m。設計預留變形量10 cm。模筑C35混凝土襯砌厚40 cm。

主洞與車行橫洞交叉段的支護參數主要為超前支護采用Φ50 mm×4 mm超前小導管，長5 m，環向間距40 cm。初期支護：鋼架采用I25a工字鋼，縱向間距50 cm；Φ8雙層鋼筋網，間距20 cm×20 cm；31 cm厚C25噴射混凝土，系統錨桿采用Φ22藥卷錨桿，長4.5 m，環向、縱向間距1 m；鎖腳采用Φ50 mm×4 mm鋼管，長度5 m。設計預留變形量25 cm。模筑C35混凝土襯砌厚65 cm。

2.3 塌方原因

塌方段受連日降雨影響，洞周土體已趨飽和。加之隧道位于含水黃土層內，塬心地下水位較高，黃土塬附近秦嶺各峪口地下水補給來源較多，圍巖富水無自穩能力。經開挖擾動后，洞頂土體失去約束后向洞內蠕變使初支發生變形，松動圈的位移層層傳導增大初支結構受力。最終越過極限平衡狀態，在塌方瞬間由于沖擊作用產生更大空腔。空腔引發洞室上方土體連鎖反應直至地表。

3 塌方處理方案

3.1 緊急處理預案

塌方發生后采用緊急預案盡可能減少次生施工風險。為了穩固掌子面圍巖，便于地質災害處理，同時保證不發生次生災害，首先進行坡面防護與坍塌體加固，再進行車行橫洞封堵。

(1)設置監測點，待塌方體穩定后，再開始應急處置施工。

(2)反壓塌方體。安排隨車吊，運送預壓墩袋，將墩袋吊運至坍塌體坡腳位置，碼放兩層，固定坡腳。

(3)塌方體加固。對整個坡面進行掛網噴漿防護，同時設置泄水孔，將涌出來的泥固定。

(4)抽排積水。對塌方體積水進行抽排，防止長時間浸泡塌方體。

(5)車行橫洞封堵。待整個坡面掛網噴漿施工結束后，在車行橫洞口，采用人工裝填碎石砂袋，對車行橫洞口進行反壓回填處理。車行橫洞口反壓后，掛設鋼筋網片，設置泄水孔排水，再噴射混凝土，將車行橫洞口完全封閉。

(6)采用鍍鋅鐵絲石籠對塌方體涌泥進行支擋。

(7)對洞頂塌陷外周安裝圍擋。沿冒頂范圍四周安裝圍擋，將整個冒頂區域完全封閉。并設置足夠的警示標牌、爆閃燈等，禁止無關人員靠近。

(8)挖天溝截水。沿冒頂范圍四周，挖截水溝，確保塌陷體四周排水通暢。

(9)洞頂彩條布覆蓋。為防止滲水進一步進入圍巖，采用彩條布對塌陷體進行覆蓋處理。先在塌陷體上方拉鋼絲繩，組成防護網，再在防護網上面覆蓋彩條布，阻止雨水進入塌陷體。待天氣好轉，再進行塌陷體回填處理。

3.2 塌方治理方案

結合塌方實際情況，初步建議現場采用地表+洞內處理方式進行塌方處理。對洞內塌方體采用大管棚進行上半斷面帷幕注漿。同時對洞內情況進行檢測和監測。視變形情況進行處治。洞內的后期加固應在地表加固完成后方可實施。同時在地表對隧道周邊圍巖采用垂直高壓旋噴樁加固處理。采用地表高壓旋噴樁施工加固圍巖不僅可以起到防滲帷幕作用，同時固結塌方體，增大粘聚力和內摩擦角，提高土體強度，防止出現坍塌，可以限制地下水的滲流，降低動水壓力，為洞內進行加固處理提供安全的施工環境。地表高壓旋噴漿施工時樁徑可采用Φ600～800 mm，加固范圍內梅花形布置，樁間距根據樁徑和范圍靈活設置。目前高壓旋噴樁工法主要有RJP和MJS兩種，較先進的工法實現了地內壓力監測和孔內強制排漿，防止地表隆起并提升了注漿效果，施工時對地表及周邊影響較小，并最大限度的保證施工加固效果。通過地表高壓旋噴，可以極大的對洞周圍巖進行改良，從而提高圍巖自穩能力。

高壓旋噴樁采用三管法施工，其中水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥。樁身28 d齡期無側限抗壓強度不小于2.0 MPa，室內混合料試塊標準養護條件下28 d齡期的立方體抗壓強度不宜小于3.0 MPa。施工前先進行成樁實驗性施工，以確定適用于本黃土地層的水泥漿濃度、冒漿量、噴射壓力、旋噴提升速度等施工工藝參數，并根據相關規范確定質量評定和檢驗方法。為正式施工提供依據，試樁數量不得少于5根。最終要對加固效果和范圍進行檢驗。實施過程應加強洞內及地表監控量測，出現異常及時預警、及時處置。

地表垂直高壓旋噴僅在洞室隔水層上方10 m以下范圍內旋噴，底部成樁盡可能對洞室行車幕墻圍護，在施工能力和造價控制方面進行適當調整。鉆孔上方鉆孔利用冒漿填充，最后采用種植土進行孔鉆孔頂段回填處理，地表旋噴完后對塌陷區域進行二次處理，確保塌方上方土體不致匯水。具體的塌方處理方案應根據各方案步驟的處理效果進行動態設計，結合實際處治效果靈活調整。

4 結 語

黃土隧道塌方治理無論是施工難度和施工風險都較大。且黃土隧道的塌方原因較為復雜，涉及到設計理念、技術方法和管理手段等不同層面的問題。只有采取合理的隧道開挖及支護方法，才能防患于未然，將塌方事故風險降低到最低。在施工中對判定為失去自穩能力的高含水率隧道，不應一律套用柔性襯砌和圍巖變形時機支護理念，特別是對一些穿越重要段落的隧道，可以預加固、盾構或預制拼裝襯砌為備選方案進行各方面比選，復合式襯砌應結合圍巖預加固等手段充分控制變形及早控制圍巖位移，減少進尺長度加快初支剛度和施工速度，或提前形成加固圈，盡可能減少被動式的阻止黃土地層變形。對位于含水層的洞室應盡可能采取抬高路線或繞避方案。不可繞避的情況下采用盾構施工造價過高，一次模筑施工速度太慢，或許采取機械化開挖拼裝一體臺車從而快速拼裝預制管片也可能是解決高含水率黃土隧道施工難題的有效途徑之一。