淺埋黃土隧道施工地質(zhì)災(zāi)害處治技術(shù)研究

王二剛

（山西長興路橋工程有限公司，山西 長治 046000）

0 引言

近年來，隨著國家公路網(wǎng)的不斷完善及國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國高速公路隧道建設(shè)規(guī)模越來越大。我國黃土分布面積達(dá)44萬km2，是全球最大的黃土分布區(qū)，然而由于黃土體孔隙較多，節(jié)理裂隙較發(fā)育，其具有強(qiáng)度低、遇水軟化、易被水沖蝕等工程特性[1-2]；且黃土隧道施工極易引起周邊圍巖發(fā)生位移產(chǎn)生一定的松動(dòng)圈，松動(dòng)圈大小決定了隧道施工是否引起塌方冒頂或滑坡等災(zāi)難性事故[3-4]；黃土由于其獨(dú)特的性質(zhì)，遇水后其物理力學(xué)性能極易降低，故黃土隧道選址不當(dāng)極易引起周邊山體地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生[5]。為此，研究淺埋黃土隧道施工地質(zhì)災(zāi)害處治技術(shù)，對(duì)于提高黃土隧道施工效率、保證施工安全具有非常重要的意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者們針對(duì)黃土隧道地質(zhì)災(zāi)害開展了大量深入而詳細(xì)的研究工作，也取得了一系列的研究成果。李晉文[6]分析了黃土隧道洞口段的災(zāi)害類型及成因，研究了其控制技術(shù)；鄭勇生[7]等人研究了淺埋大跨黃土隧道地裂縫的成因，并提出了相應(yīng)的處治措施及建議。本文依托山西忻保高速沙塔隧道，全面分析其施工地質(zhì)災(zāi)害特性，提出災(zāi)害處治措施，從而為類似工程施工、設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 地質(zhì)災(zāi)害概況

1.1 工程概況

沙塔隧道位于山西省忻州市岢嵐縣境內(nèi)，屬于忻州至保德高速公路L21標(biāo)段重點(diǎn)控制性工程。隧道為分離式長隧道，左幅隧道暗洞起訖樁號(hào)：ZK152+595—ZK153+035，長 440 m，最大埋深 70 m；右幅隧道暗洞起訖樁號(hào)：YK152+558—YK153+135，長577 m，最大埋深72 m；隧道采用新奧法設(shè)計(jì)，單向雙車道，施工工法為上下臺(tái)階法開挖，隨挖隨撐。

圖1 沙塔隧道洞口地形情況

1.2 工程地質(zhì)

沙塔隧道場區(qū)工程地質(zhì)圍巖主要以（Q3m）堅(jiān)硬亞黏土（低液限黏土）、（Q2l）堅(jiān)硬亞黏土夾卵礫石（低液限黏土）和（上第三系上新統(tǒng)N2b）堅(jiān)硬亞黏土為主，呈松散及塊狀結(jié)構(gòu)，洞體埋深較小，圍巖穩(wěn)定性較差，勘探深度內(nèi)未見地下水。隧道選址位于鄂爾多斯斷塊的東部，地層總體表現(xiàn)為單斜構(gòu)造，據(jù)物探測量成果，隧址區(qū)未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造簡單。

1.3 地質(zhì)災(zāi)害情況

自2009年6月沙塔隧道開始進(jìn)洞施工，由于隧道地質(zhì)條件較差，隧道施工進(jìn)度相對(duì)緩慢，2009年9月隧道右線掘進(jìn)95 m，左線掘進(jìn)35 m；隧道開挖過程中，襯砌變形及洞口邊坡測點(diǎn)沉降數(shù)值較大，2009年9月29日邊坡巡視過程中發(fā)現(xiàn)左右線中間山體表面出現(xiàn)3條裂縫，裂縫寬度最大值約1 cm，長度最長約8 m，監(jiān)測單位將現(xiàn)場情況匯報(bào)至業(yè)主單位及施工單位，現(xiàn)場停止施工；2009年10月1日發(fā)生降雨后，對(duì)山體表面進(jìn)行巡視后，山體表面裂縫數(shù)值增至5條，裂縫長度寬度持續(xù)增加。2010年10月3日對(duì)現(xiàn)場地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行再次調(diào)查，發(fā)現(xiàn)隧道左右線間山體共產(chǎn)生6條裂縫，其裂縫長度最大值達(dá) 65 m，寬度最大值達(dá)23 cm。自 2009年 9月29日在山體地表共分布9排45個(gè)沉降觀測點(diǎn)，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明地表有持續(xù)變形趨勢(shì)，沉降量最大值位于裂縫1附近，期間變化量達(dá)到31.5 cm，已嚴(yán)重影響隧道整體穩(wěn)定性及安全性，其具體情況見圖2、圖3所示。

圖2 隧道地表裂縫平面分布圖

圖3 隧道地表裂縫現(xiàn)場實(shí)況圖

2 施工地質(zhì)災(zāi)害成因及處治措施

2.1 施工地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理

從隧道周邊工程地質(zhì)可知，隧道地質(zhì)以黃土軟黏土為主，根據(jù)隧道洞內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，在隧道淺埋段掘進(jìn)過程中，襯砌拱頂沉降累計(jì)變化較大，截止2009年10月3日，隧道左右線拱頂沉降累計(jì)變化量分布情況如圖4、圖5所示。

圖4 沙塔隧道右線拱頂下沉示意圖

圖5 沙塔隧道左線拱頂下沉示意圖

從圖4中可以看出，沙塔隧道右線拱頂下沉累計(jì)值最大值發(fā)生在里程YK153+099，達(dá)到-97.0 mm，該位置仰拱已經(jīng)施做完畢，變化趨向穩(wěn)定。日變化量最大值發(fā)生在YK153+059，日變化量為-7.5 mm。從圖5中可以看出，沙塔隧道左線拱頂下沉累計(jì)值最大值發(fā)生在里程ZK153+007，達(dá)到-88.6 mm，該位置仰拱未有施做，由于上臺(tái)階掌子面停工，故其日變化量很小。

結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過理論分析可知，該隧道施工地質(zhì)災(zāi)害的形成機(jī)理主要有兩方面：

a）隧道周邊圍巖地質(zhì)條件較差，主要以Ⅵ級(jí)圍巖為主，同時(shí)隧道右線選址在埡口位置，隧道右線上臺(tái)階開挖施工引起周邊土體應(yīng)力松弛，發(fā)生位移，隧道周邊形成較大的松動(dòng)圈，隨著下臺(tái)階及仰拱的開挖，松動(dòng)圈擴(kuò)展至左線線間山體底部。

b）由于前期隧道開挖引起山體產(chǎn)生一定深度的裂縫，隨著后期的降雨，雨水進(jìn)入裂縫后，導(dǎo)致山體黃土力學(xué)性能急劇降低，從而引起山體裂縫數(shù)量、寬度和長度持續(xù)增加。

2.2 施工地質(zhì)災(zāi)害處治原則

為避免災(zāi)害進(jìn)一步擴(kuò)大和加劇，通過分析現(xiàn)場災(zāi)害發(fā)生機(jī)理及原因，結(jié)合現(xiàn)場施工條件及物資配備情況，制定施工地質(zhì)災(zāi)害處治原則如下：

a）加強(qiáng)監(jiān)測力度，時(shí)刻關(guān)注黃土隧道圍巖體變形，做好監(jiān)測預(yù)警工作。

b）立即停止黃土隧道的開挖，在確保隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)安全的情況下，盡快完成明洞施工及明洞反壓；同時(shí)，及時(shí)施作隧道二次襯砌及仰拱，盡快封閉成環(huán)。

c）在隧道洞口、地表、邊仰坡處盡快做好排水系統(tǒng)，并保持排水系統(tǒng)通暢；對(duì)于隧道地表處存在的陷穴、落水洞、裂縫、坑洞等，應(yīng)立即用黏性土回填密閉，防止雨水下滲沖刷黃土隧道圍巖體。

2.3 施工地質(zhì)災(zāi)害處治措施

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合上述施工地質(zhì)災(zāi)害處治原則，制定本項(xiàng)目具體處治措施，其基本流程為：隧道地表清理—山體卸載—分層回填—碾壓夯實(shí)—施做地表隔水層。

2.3.1 地表清理

在本項(xiàng)目地質(zhì)災(zāi)害處治前，首先針對(duì)隧道地表反壓回填范圍內(nèi)的地表進(jìn)行清理，具體厚度視地表植被、雜填土而定；其次，將清理后的地表修成臺(tái)階狀，其每級(jí)臺(tái)階高度不大于1.5 m，寬度不大于2 m；最后，利用振動(dòng)壓路機(jī)對(duì)清理后的地表進(jìn)行碾壓，同時(shí)保持周邊排水邊溝通暢。

2.3.2 山體卸載

對(duì)于偏壓較重的一側(cè)山體，應(yīng)盡快開展山體卸載工作，其整個(gè)過程應(yīng)采用分層卸載法，每層應(yīng)不大于0.8 m，并采用臺(tái)階法逐層進(jìn)行卸載，其具體結(jié)構(gòu)情況如圖6所示；而對(duì)于部分?jǐn)嗝?，可將山體卸載與回填反壓相結(jié)合，其具體情況如圖7所示；但在回填過程中，應(yīng)將回填材料摻拌10%的水泥，并用拌和機(jī)進(jìn)行攪拌。在回填材料運(yùn)輸途中應(yīng)用防水布進(jìn)行覆蓋，保證其含水量處于最佳含水量。

圖6 隧道山體卸載結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 隧道山體卸載及回填反壓示意圖

2.3.3 碾壓夯實(shí)

由于本項(xiàng)目施工場地較小，為保證回填反壓的效果，在回填料的分層鋪設(shè)過程中應(yīng)采用人工配合機(jī)械進(jìn)行攤鋪。其次利用重型壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，并在施工過程中應(yīng)進(jìn)行壓實(shí)度檢測，保證其壓實(shí)度達(dá)到95%及以上。

2.3.4 施做地表隔水層

在山體卸載及反壓回填完成后，應(yīng)及時(shí)施做黏土隔水層，其施工過程應(yīng)采用“分段分層法”，隔水層每層厚度應(yīng)不大于0.6 m，搭接長度不小于0.25 m。在隔水層與隧道邊仰坡接觸處，應(yīng)采用砂漿進(jìn)行封閉。最后在隔水層上部進(jìn)行植草綠化，避免地表降水引起隔水層及圍巖體的沖刷流失。

3 結(jié)論

本文依托山西忻保高速沙塔隧道的工程實(shí)例，結(jié)合其工程特性，深入分析其淺埋黃土隧道段地質(zhì)災(zāi)害成因，并有針對(duì)性地提出其處治措施，在其研究過程中得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：

a）淺埋黃土隧道段左右線間山體共產(chǎn)生6條裂縫，其裂縫長度最大值達(dá)65 m，寬度最大值達(dá)23 cm，且監(jiān)測數(shù)據(jù)表明地表有持續(xù)變形趨勢(shì)，已嚴(yán)重影響隧道整體穩(wěn)定性及安全性。

b）本項(xiàng)目施工地質(zhì)災(zāi)害的形成機(jī)理主要為圍巖地質(zhì)條件較差，隧道右線上臺(tái)階開挖施工引起周邊土體應(yīng)力松弛，形成較大的松動(dòng)圈；其次由于隧道開挖產(chǎn)生山體裂縫，地表降水進(jìn)入裂縫后，導(dǎo)致山體黃土力學(xué)性能急劇降低。

c）根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合考慮各影響因素，采用“隧道地表清理—山體卸載—分層回填—碾壓夯實(shí)—施做地表隔水層”的綜合處治措施可取得較好的處治效果。