濕陷性黃土公路隧道塌方淺析

【摘 要】本文針對濕陷性黃土隧道的地質特點，研究了濕陷性黃土地質條件下處理隧道塌方的要點，分析了塌方的形成機理，并給出了塌方的處理措施，提出了相應的施工要點，并得出了處理濕陷性黃土隧道塌方的一些建議。

【關鍵詞】濕陷性黃土；公路隧道；塌方；施工方法

０．引言

西部大開發戰略決策的實施，促進了西部地區高等級公路的發展，穿越黃土地區的公路隧道將越來越多。黃土是第四系堆積的陸相沉積物，其特點是具有大孔隙、有垂直節理和管狀孔道，天然含水量時強度較高，能維持很高的垂直邊坡，但遇水時土顆粒崩解，表現為較強的濕陷性。由于黃土分布的廣泛性和典型的工程特性，歷來受到工程界和學術界的重視。黃土公路隧道的修建起步較晚，基本借鑒了鐵路隧道在此方面已有的科研成果。這些建設經驗的總結，基本體現了我國對黃土隧道的認識水平。公路隧道由于大跨徑、大斷面和扁坦狀以及防水等級較高，加之黃土強度較低，開挖擾動后變形大以及黃土的水敏感性等特點以及由此引起的施工地質災害的特殊性。已建和目前在建的黃土公路隧道都發生了不同程度的施工地質災害，而研究公路隧道施工災害預防將在公路隧道建設工程經濟及安全生產方面產生極大效益。

本文就濕陷性黃土地區的隧道塌方，給出了相應的施工方法和處理對策。

1.工程概況

該黃土隧道穿越部分濕陷性黃土地段，且埋深較淺，為雙向行駛分離式雙車道隧道。隧道凈空9.25m，限高5m，最大開挖跨度11.9m，最大開挖厚度10.25m，左線長度360m，右線長度393m。隧道按新奧法設計施工，襯砌設計為曲墻復合式襯砌。隧道穿越黃土地段時，極易發生塌陷。

2.塌方形成機理

洞頂掉塊、塌方及冒頂病害規模一般較大，且具突發性。主要發生在隧道進出口洞段或圍巖條件(地層巖性或水文地質條件)發生突變的地段(土石交界面、泥巖夾心或地下水富集地段)。

塌方是隧道圍巖的自承能力不足的結果，因此，對于黃土隧道，塌方主要由黃土的類型及其物理力學性質、結構、構造以及滲流場狀態決定。

黃土垂直節理發育，彼此在水平方向的連接力較弱。干燥時，黃土的強度較高，襯砌受力較小，遇水后顆粒聯結力削弱，黃土強度隨之降低，此時極易引起襯砌受力不均勻，并且由于隧道表層黃土厚度分布多不均勻，從而在黃土梁篩區隧道易形成偏心壓力，成為偏壓隧道，造成塌方等地質災害。開挖后黃土隧道在應力重分布過程中必然產生拱頂沉降和拱腳收斂，當沉降過大，收斂不同時就發生掉塊、塌方、坍洞、冒頂等災害。

3.塌方處理方案

坍方處理按照“小坍方，先支后清”、“大坍方，先棚后穿”、“治坍先治水”的原則。

由于是黃土隧道坍方，在前方坍方不明的情況下，若采用清方處理會導致圍巖繼續失穩，用注漿加固則需準備時間。分析后確定處理方案為:選用超前管棚和超前小導管加固坍體。

3.1 管棚、小導管超前預支護

沿拱部設計輪廓線外環向設置超前小導管， 注漿順序為從兩側拱腳到拱頂，保證開挖輪廓線外的環狀固結坍體有一定強度和密實度。

3.2 塌方空腔處理方案

確定坍方空腔處理方法的基本原則是:不清渣，對坍穴不擾動，人為將坍體坡面低于開挖輪廓線的地段回填至開挖輪廓線以上一定高度，為暗挖創造條件。但是考慮到坍穴仍有隨時掉塊的可能，施作時施工人員、機械設備沒有安全保障，結構還必須確保穩定，確定采用“護殼暗挖法”通過坍體，即:穩定坡腳，封閉坍體，對坍體渣面低于設計拱頂標高的地段進行回填，并在坍體上做混凝土防護層，然后采用超前小管棚暗挖通過坍體。

3.3 坍體開挖

坍方體的施工始終堅持“穩坍體、管超前、小進尺、多循環、少擾動、快封閉、勤測量、速反饋”的原則。坍塌體開挖方法為環形開挖預留核心土法。

3.4 置換拱架

鋼架拆換在洞內變形停止后實施，鋼拱架拆換每次拆換1榀，且拆換在盡可能短的時間內進行，拆除后及時架設新拱架和噴混凝土。

3.5 仰拱施工和二襯

當上臺階開挖、支護進尺達15m以上時，進行仰拱施作，盡快使襯砌支護形成閉合圈。仰拱施工完成后隨即完成斷面二次襯砌。

3.6 地表坍塌處理

二襯混凝土達到強度后，對塌穴進行夯填。

4.預防塌方措施

4.1施工要點

初期支護在隧道開挖后及時施作，初期噴注砼嚴格按設計要求施工，鋼筋網片使用前應消除銹斑。每榀拱架之間必須連接牢固，錨桿、鋼拱架、鋼筋網必須焊接于一整體。鋼拱架同開挖線之間空隙，必須用混凝土墊塊墊實，并用噴射混凝土充填密實。為確保初期支護的最大可靠承載力，施工時必須確保鋼拱架及噴錨網用噴射混凝土全部覆蓋且密貼圍巖。

在開挖及支護時應該力求輪廓線準確，封閉迅速以控制超挖。對于已超挖的部位應用同等級的混凝土回填密實，嚴禁空洞存在。否則可能因空洞處的圍巖進一步剝落而延及附近圍巖，從而產生大的崩塌甚至導致支護變形。

妥善處理好滲入洞內的地下水和各種施工用水是濕陷性黃土隧道施工得以順利進行的關鍵環節。

①地下水的處理:圍巖裂隙水滲入洞內將浸泡洞內的黃土路面，影響施工車輛運行，從而影響正常的施工作業。因此，應在邊墻開挖及支護后于洞的兩側及時修筑臨時漿砌水溝，及時排出圍巖裂隙水。

②施工用水的管理:要妥善管理好洞內的各種施工用水，嚴防因施工用水浸泡洞內路面而影響施工。

4.2 監控量測要點

圍巖及初期支護的監控量測是新奧法設計施工的重要組成部分，也是完善設計和施工的重要手段。只有通過對圍巖開挖和開挖支厚片石且潛護的過程進行施工監測，才能及時掌握圍巖及初期支護各階段的支護穩定的動態規律，隨時對圍巖的穩定性以及施工措施的可靠性進行判斷，為及時合理地改進開挖方法，調整支護，指導施工提供可靠依據。

5.處理濕陷性黃土隧道的建議

（1）施工中采用預留核心土的弧形開挖法可以縮短開挖時間，為初期支護作業提供工作平臺，有利于改善掌子面受力狀況，增加圍巖的自穩能力。

（2）二襯緊跟是預防坍方的重要環節，可達到開挖一段鞏固一段的目的。

（3）施工中對圍巖的地質變化觀察不可忽視，特別是出現滲水的土體極有可能坍方，應采取強支護手段和引排水措施。

（4）采用超前管棚或小導管處理黃土隧道坍方是行之有效的辦法。施工中應遵循“先排水、弱爆破、短開挖、強支護、快襯砌、勤量測、少擾動”的原則。

（5）施工中對地表下沉的觀測、坍方地段拱頂下沉的觀測以及正常的拱頂下沉和水平位移觀側，能預測、檢驗圍巖的穩定，便于采取有效防范措施。量測信息反饋在預防和處理坍方施工中是不可缺少的，它起著重要的指導作用。

（6）在黃土質砂黏土及新黃土淺埋地層，如洞口段、溝谷段、偏壓段應采用超短臺階開挖，隨挖隨支，襯砌緊跟，盡量縮短襯砌與開挖距離，減少圍巖暴露時間，必要時設超前支護，以安全通過為主要目的。

（7）黃土隧道施工時應及時發現一些隱患，如地表對線路有影響的陷穴、陷坑應及時回填，對地形偏壓、人工回填土層等時應謹慎施工，洞內施工時應加強施工支護或進行超前支護。

（8）加強施工用水管理，保持洞內排水暢通。如水池遠離線路，以防止其成為坍塌的誘因。洞內用水管理有序，排水應暢通，嚴防軟化地基導致坍塌。

（9）對已產生塌方的隧道，對塌方段襯砌背后空洞必須回填密實，襯砌厚度必須按設計要求施作，以防止留有隱患。

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