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      某特殊土隧道塌方原因淺析

      2015-03-16 11:34:44李江輝
      鐵道勘察 2015年2期
      關(guān)鍵詞:砂質(zhì)沖溝塌方

      李江輝

      (中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司太原設(shè)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(shè)計咨詢集團有限公司太原設(shè)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(jié)了該地區(qū)砂質(zhì)黃土和膨脹土的特點。

      關(guān)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(zhì)黃土地層內(nèi),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(fā)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(cè)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(qū)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(jié)構(gòu)致密,呈菱形狀,土內(nèi)分布有裂隙,斜交剪切裂隙較發(fā)育,裂隙水分布及滲出不穩(wěn)定,無統(tǒng)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(tǒng)砂質(zhì)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(shè)置φ8 mm鋼筋網(wǎng),網(wǎng)格間距20 cm×20 cm;邊墻設(shè)置φ22砂漿錨桿,錨桿長4.0m,間距為1.0 m×1.0 m;全斷面設(shè)1榀/0.6 m的I20b型鋼鋼架,每處拱腳設(shè)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(shè)置φ42 mm小導(dǎo)管超前注水泥漿加固地層,小導(dǎo)管長4.5 m,縱向搭接1.5 m,環(huán)向間距為40 cm,每3.0 m一環(huán)。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(qū)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(jié)構(gòu)迅速破壞而發(fā)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(nèi)作業(yè)人員撤離危險區(qū)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(shè)備被掩埋,山體滑塌及隧道洞內(nèi)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(fā)生坍陷、滑移,坍陷深度達5 m以上。經(jīng)現(xiàn)場統(tǒng)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(cè)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(cè)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(xù)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(fā)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(cè)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(qū)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(zhì)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(zhì)性質(zhì)。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(wěn)定性。

      (1)砂質(zhì)黃土

      砂質(zhì)黃土在隧道頂部區(qū)域廣泛分布,本區(qū)的黃土為風(fēng)積而成,堆積厚度大,現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),砂質(zhì)黃土層上下比較均一,沒有水平層理,豎向節(jié)理發(fā)育,土體被切割為“長柱狀”,具有多孔性。室內(nèi)土工試驗結(jié)果顯示,隧道區(qū)砂質(zhì)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(jié)構(gòu)性等因素影響。當(dāng)黃土結(jié)構(gòu)沒有破壞時,土體內(nèi)顆粒間的固化連結(jié)力較強,黃土結(jié)構(gòu)強度較大。如果一旦土體的結(jié)構(gòu)遭到破壞,黃土結(jié)構(gòu)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(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞從而發(fā)生附加下沉,強度也隨著迅速降低。黃土的抗剪強度和結(jié)構(gòu)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(guān)系對于黃土的工程性質(zhì)有著重要影響。因此,在黃土地區(qū),常見于強降雨后由于濕陷性引起的崩塌、滑塌等現(xiàn)象。

      (2)膨脹土

      隧道洞身范圍內(nèi)地層以膨脹土為主,據(jù)勘察資料及施工開挖后取樣試驗顯示,本區(qū)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(qū)膨脹土主要以下特性:

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

      ②隧道區(qū)膨脹土具有多裂隙性,普遍發(fā)育有微開—張開狀的“X” 節(jié)理,節(jié)理內(nèi)無充填物。土體的連續(xù)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(chǎn),兩者相互促進,互為因果,形成惡性循環(huán),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(jīng)歷干濕循環(huán)后其抗剪強度將隨著時間的延續(xù)而衰減,表現(xiàn)出強度衰減性。

      ④鉆探過程及隧道開挖過程發(fā)現(xiàn),此區(qū)膨脹土具有超固結(jié)性,超固結(jié)性不僅使邊坡坡腳產(chǎn)生較大的剪力,而且還使得強度的應(yīng)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(wěn)定都極為不利。

      ⑤隧道區(qū)膨脹土在地下水作用下易發(fā)生一定的崩解,隧道施工中時常發(fā)生掉塊現(xiàn)象。

      膨脹土具有脹縮性、多裂隙性、超固結(jié)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(dǎo)致土體滑移的關(guān)鍵因素。

      3.3 降雨因素

      隧道地處黃土高原地區(qū),天氣干燥,干旱少雨,年均降雨量386 mm,年均蒸發(fā)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(fā)育。2011年7月28日~29日,施工區(qū)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(fā)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(dǎo)致土體沿軟弱結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)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(jié)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(nèi)坍塌。

      隧道塌方雖時有發(fā)生,但每次塌方都有其不同特點,應(yīng)根據(jù)具體情況分析塌方原因,做出合理的處理措施。

      參考文獻

      [1]周海,李翔,孫元春.某隧道DK87+443處塌方原因分析及治理[J].鐵道勘察,2014(3):59-62

      [2]楊和平,曲永新,鄭健龍,等.中國西部公路建設(shè)中膨脹土工程地質(zhì)問題的初步研究[J].長沙交通學(xué)院學(xué)報,2003(1):19-24

      [3]儲文靜,付新平,蔡云廷.山西呂梁地區(qū)三趾馬紅土的工程地質(zhì)特性及其工程環(huán)境效應(yīng)研究[J].鐵道勘察,2014(5):35-38

      [4]趙勇,李國良,喻渝.黃土隧道工程[M].北京:中國鐵道出版社,2011

      [5]伍興全.安康盆地膨脹土工程地質(zhì)特征及滑坡防治措施研究[D].武漢:中國地質(zhì)大學(xué),2004

      [6]潘宗俊.膨脹土公路路塹邊坡工程性狀研究[D].西安:長安大學(xué),2006

      [7]徐偉.西漢高速公路膨脹土路塹邊坡加固技術(shù)研究[D].西安:長安大學(xué),2006

      [8]鄭鵬.南友路膨脹土塹坡穩(wěn)定性分析與處治技術(shù)研究[D].長沙:長沙理工大學(xué),2005

      [9]鄭明新.滑坡防治工程效果的后評價研究[D].南京:河海大學(xué),2005

      [10]李斌.特殊土地區(qū)公路[M].成都:人民交通出版社,1992

      中圖分類號:U458.3

      文獻標(biāo)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(yè)于華北水利水電學(xué)院巖土工程專業(yè),工程師,E-mail:83694319@qq.com。

      收稿日期:2015-01-08

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