濕陷性黃土隧道地質(zhì)災(zāi)害處治技術(shù)研究

摘 ?要：黃土在中國分布廣泛，面積約60萬平方公里，占中國土地面積的6.3%。研究表明黃土具有遇水易塌陷性，因此其預(yù)注漿困難且錨固應(yīng)用不易成功。受各種因素影響，黃土易發(fā)生突水突泥，塌陷，初期支護變形以及襯砌結(jié)構(gòu)破裂等地質(zhì)災(zāi)害，以上問題的產(chǎn)生嚴(yán)重影響了施工進度及施工質(zhì)量安全。本文結(jié)合西梁隧道黃土地段施工，詳細(xì)介紹了施工中地質(zhì)災(zāi)害的治理方案，總結(jié)了黃土隧道施工的關(guān)鍵技術(shù)，為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：黃土隧道;地質(zhì)災(zāi)害;施工

中圖分類號：U445.4??文獻標(biāo)識碼：A????文章編號：2096-6903（2019）05-0000-00

1 工程背景

1.1工程概況

肖家洼煤礦鐵路專用線西梁隧道位于呂梁山西坡的黃土橫梁地區(qū)。隧道起訖里程為DK12+895～DK13+620，全長725 m。隧道最大埋深約54 m。整個隧道位于半徑R-300的曲線上，隧道位于1.0‰的下坡。

1.2工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

地層巖性為第四紀(jì)上更新統(tǒng)風(fēng)積（Q3eol）新黃土，土質(zhì)不均，局部半膠結(jié)，夾姜石及鈣質(zhì)結(jié)核層，粘土。

水文地質(zhì)特征：調(diào)查期間在勘探深度內(nèi)未發(fā)現(xiàn)地下水。由于雨的水量增加，洞穴體內(nèi)的土壤變軟，施工中有地下水。

2 黃土隧道施工常見地質(zhì)災(zāi)害

2.1地表變形的物理危害

表面裂縫的形成為大氣降水（地表水）的滲透提供了便利渠道。如果不及時進行工程處理，當(dāng)降雨或地表水沿裂縫滲入時，裂縫將不斷加深，膨脹和滲透，形成集中的裂縫發(fā)展區(qū)，這將引起地面沉降。水繼續(xù)滲入，在深黃土中發(fā)生深陷，土壤軟化，強度降低，導(dǎo)致裂縫滲透到地面并塌陷。在隧道襯砌與黃土之間形成飽和土層，影響隧道的安全運行。

2.2地表變形的化學(xué)危害

黃土的含鹽量很高，其主要是碳酸鹽，其次是硫酸鹽和氯化物。第三紀(jì)基巖含鹽量高。一方面，貫通裂縫為大量的水滲透提供了一條通道，另一方面，為水和土壤化學(xué)反應(yīng)提供了空間，因此在孔隙裂縫潛水期間，硫酸根離子會積聚在水中。

2.3黃土節(jié)理

在紅棕色或深棕色的古土黃土層中，經(jīng)常有不同方向的結(jié)構(gòu)性節(jié)理，一些主要節(jié)理呈X形，成對出現(xiàn)，并具有一定的連續(xù)性。開挖隧道時，土體很容易沿接縫處拉伸或剪切。如果這樣的地層位于隧道頂部，將很容易引起塌陷。如果位于側(cè)壁上，則通常會掉落。如果在施工過程中處理不當(dāng)，通常會造成大的坍塌。

2.4黃土沖溝地段

在黃土溝渠或邊坡地區(qū)修建隧道時，如果隧道平行于溝渠或邊坡較長距離延伸，且覆蓋范圍較薄或偏斜較大，則塌陷或滑坡較大。

2.5黃土溶洞與陷穴

黃土溶洞是在黃土地區(qū)常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象。如果在其上方建造了隧道，則存在地基下沉的危險。如果在其下方建有隧道，則通常存在冒頂?shù)奈ｋU。如果隧道建在其相鄰側(cè)，則可能會產(chǎn)生偏壓。

2.6水對黃土隧道施工的影響

無水情況下，黃土堅固且承壓高，因此施工可以順利進行。當(dāng)用水浸泡時，其會表現(xiàn)出不同程度的塌陷性，并且突然發(fā)生下沉現(xiàn)象，導(dǎo)致開挖后的圍巖迅速失去自身穩(wěn)定能力。如果支護措施滿足不了變化后的情況，極易造成坍塌。

施工期間隧道排水不良，隧道內(nèi)的道路會變得泥濘，難以行駛。無論是無軌運輸還是鐵路運輸，都會給道路維護，機械的使用和維護，隧道底部或倒拱施工帶來極大損害。

3 地質(zhì)災(zāi)害及處理方案

3.1突水突泥處理

3.1.1災(zāi)害情況

隧道下行線進口正洞施工開挖至某里程，拱頂出現(xiàn)直徑約15 cm的小洞，從小洞內(nèi)向外涌流泥沙，在還沒有來得及進行處理的情況下，洞口迅速擴大，泥沙涌流速度也越來越快，短短2 h時間，泥沙向洞口方向涌流了80 m（見圖1）。相應(yīng)里程處的地表也出現(xiàn)了一個直徑15 m、深8 m的漏斗狀陷坑（隧道埋深48m），且在40 m×60 m范圍內(nèi)出現(xiàn)多道環(huán)向裂縫。

3.1.2處理方案

（1）地表處理。人工配合挖掘機對地面洞穴進行逐層回填，逐層夯實，使填筑高度高于塌陷區(qū)周圍的原地面。回填至表層附近1 m處，首先鋪設(shè)一層防水土工布，然后使用一層厚度為50 cm的3：7灰土封閉夯實;在洞穴頂部的環(huán)形表面外部開挖環(huán)形攔截溝，以防止表面雨水從裂縫中滲出。

（2）清運淤泥。為了防止掌子面方向的泥沙繼續(xù)外流，分階段用沙袋設(shè)擋泥墻，在墻中放排水管將水排到一定程度，打開擋泥墻進行清理。每次清理長度5～15m。

清理至距掌子面20 m左右時，沿坍塌的自然坡面用砂袋碼放封閉，垂直于堆積坡面施工ф42打孔小導(dǎo)管，1.5 m×1.5 m梅花形布置，利用小導(dǎo)管掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片，最后用15 cm厚噴射混凝土封閉表面，待噴射砼達(dá)到一定強度后對小導(dǎo)管進行注漿處理，固結(jié)堆積體。

（3）超前支護。沿開挖輪廓線，穿過初期支護噴射混凝土施工長度10m的ф42注漿小導(dǎo)管。

（4）洞身開挖。開挖采用短臺階法，主要是人工開挖，預(yù)留核心土。每個環(huán)的長度為0.5m，以確保施工安全。當(dāng)在有水的集中區(qū)域進行開挖時，設(shè)置一條φ42×4mm，4.5m長的徑向管，注混合水泥和水玻璃雙液漿止水。

（5）初期支護。懸掛20 cm×20 cm的φ6鋼筋網(wǎng)，噴射10cm厚的C20混凝土。然后使用I20a工字鋼，間距由原來的50cm調(diào)整為40 cm。相鄰兩榀工字鋼通過Φ22螺紋鋼筋連接，環(huán)間距為80 cm。連接桿的內(nèi)部焊接。拱腳的開挖寬度由原來的1m再增加25 cm，在拱墻結(jié)合部使用了L=3m，φ42×4 mm鎖腳注漿小導(dǎo)管，每榀工字鋼拱腳處設(shè)置4根。50 cm厚的C25模制混凝土用于形成牢固的強支護。跳槽施作仰拱砼，支護形式同拱墻部。

（6）二次襯砌。在初期支護完成沉降后，及時施作50 cm厚的鋼筋混凝土二次襯砌。二次襯砌與掌子面距離控制在30 m之內(nèi)。

3.2初期支護坍塌處理

3.2.1施工情況

隧道上行線進口正洞施工開挖至某里程，拱部出現(xiàn)砂層并伴隨滲水現(xiàn)象，施工過程中按照設(shè)計采用ф42注漿小導(dǎo)管進行超前支護，初期支護為ф20鋼格柵及25 cm厚C20噴射混凝土。繼續(xù)按照原設(shè)計施工了20m，掌子面滲水量逐漸變大，且近掌子面方向的35m初期支護表面也出現(xiàn)滲水，初期支護開始變形。為了抑制初期支護變形，在變形的初期支護下方采用枕木垛及工字鋼門架進行支撐。幾天后，35m的初期支護突然塌陷，掌子面突水突泥向洞口方向涌流260 m，初期支護塌陷段的相應(yīng)里程處地表也出現(xiàn)一個直徑35 m、深20 m的漏斗狀陷坑（隧道埋深114 m），且在60 m×90 m范圍內(nèi)出現(xiàn)多道環(huán)向裂縫。

3.2.2處理方案

（1）超前支護。沿開挖輪廓施作長度為10～15m的大型管棚，其環(huán)間距為40cm，仰角為3～5°。將3根Φ12鋼筋，并以三角形排列。1：1用水泥漿固結(jié)土壤，并在管道內(nèi)填充砂漿;管棚的管徑為φ42×4 mm注漿小導(dǎo)管超前支護。將雙液水泥漿與水泥和水玻璃混合（超前支護布置見圖2）。

（2）洞身開挖。采用短臺階開挖法，拱部按照雙側(cè)壁導(dǎo)坑法分成5個開挖單元進行施工，每個開挖單元中間設(shè)置中隔墻，主要采用人工開挖，每榀進尺為0.5m，以確保施工安全。在開挖區(qū)域，設(shè)置了直徑為φ42×4 mm，長度為4.5 m的雙液注漿管，并采用玻璃液和水泥雙液漿止水。

（3）初期支護。懸掛20 cm×20 cm的φ6鋼筋網(wǎng)，噴射10 cm厚的C20混凝土。然后，使用間距為50 cm的I20a工字鋼進行支撐。相鄰兩榀工字鋼鋼通過Φ22螺紋鋼筋連接，環(huán)間距為80 cm。連接桿的內(nèi)部焊接。拱腳的開挖寬度由原來的1 m再增加25 cm。在拱墻的連接處，采用L=3 m，φ42×4mm鎖腳錨桿，每榀工字鋼拱腳處設(shè)置4根。施作60 cm厚的C25模注混凝土用于形成牢固的強支護。

（4）二次襯砌。初期支護的沉降完成后，施作60 cm厚C25鋼筋混凝土二次襯砌，二次襯砌與掌子面之間的距離控制在30 m之內(nèi)。

（5）排水設(shè)施。每5 m設(shè)置一道環(huán)形排水管，以使環(huán)形排水管與洞穴中的排水溝和縱向排水管連通。將圓形排水管封閉在污水的密集區(qū)域，每1 m-2 m設(shè)置一道。

4黃土隧道施工注意事項

（1）開挖黃土圍巖后，暴露時間過長，圍巖內(nèi)部風(fēng)化，松弛更快，發(fā)生滑坡。因此，應(yīng)采用復(fù)合襯砌。開挖后，將噴射混凝土，錨桿，鋼筋網(wǎng)和鋼拱架形成初期支護。如有必要，可以使用超前錨桿和管棚加固圍巖。

（2）在施工過程中，“重地質(zhì)、超前報、管超前，短開挖，少擾動，短進尺，架緊貼，強支撐，早期噴錨，定期勘察，維修設(shè)計，調(diào)自承”的原則，施工工序緊湊，精心組織施工。

（3）初期支護基本穩(wěn)定后，及時進行二次襯砌。如果可能，應(yīng)盡可能縮短仰拱，二次襯砌與掌子面之間的步距。

（4）在含有地下水的黃土層中建造時，應(yīng)在洞穴中修筑良好的排水設(shè)施。當(dāng)水量很大時，可采用井點降水等方法來降低地下隧道襯砌底部的地下水位，以改善施工條件并加快施工速度。在干黃土層和無水黃土層中施工時，應(yīng)對施工用水進行管理，以免廢水流出。

5結(jié)語

黃土隧道建設(shè)進入正常生產(chǎn)階段，其所遇到的地質(zhì)問題通常會千差萬別。因此必須區(qū)分不同情況并處理特定問題。只要了解不良地質(zhì)的性質(zhì)和規(guī)模以及在隧道中的位置，使各個環(huán)節(jié)緊密配合，在任何情況下都可以采用積極有效的處理措施來避免地質(zhì)災(zāi)害。實現(xiàn)將不良地質(zhì)造成的破壞降低到最低程度，并彌補不良地質(zhì)造成的破壞。

參考文獻

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收稿日期：2019-08-05

作者簡介：王永欣（1982—），男，吉林長嶺人，本科，工程師，研究方向：隧道施工技術(shù)管理。

Research on treatment technology?of geological disaster?in collapsible loess tunnel

WANG Yongxin

（China Railway 16th Bureau Group Fourth Engineering Co.Ltd.，Beijing ?101400）

Abstract：Loess is widely distributed in China， covering an area of 600000 square kilometers， accounting for 6.3% of China's land area. The research shows that loess is prone to collapse when encountering water， so its pre grouting is difficult and anchoring application is not easy to succeed. Affected by various factors， loess is prone to water and mud inrush， collapse， initial support deformation and lining structure fracture and other geological disasters. The above problems seriously affect the construction progress and construction quality and safety. Combined with the construction of the loess section of Xiliang tunnel， this paper introduces the treatment scheme of geological disasters in detail， summarizes the key technologies of loess tunnel construction， and provides reference for similar projects.

Key words：Loess tunnel;geologic hazard;construction