淺埋黃土隧道施工地質災害處治技術研究

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，隨著國家公路網的不斷完善及國民經濟的迅速發展，我國高速公路隧道建設規模越來越大。我國黃土分布面積達44萬km2，是全球最大的黃土分布區，然而由于黃土體孔隙較多，節理裂隙較發育，其具有強度低、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生位移產生一定的松動圈，松動圈大小決定了隧道施工是否引起塌方冒頂或滑坡等災難性事故[3-4]；黃土由于其獨特的性質，遇水后其物理力學性能極易降低，故黃土隧道選址不當極易引起周邊山體地質災害發生[5]。為此，研究淺埋黃土隧道施工地質災害處治技術，對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，國內外學者們針對黃土隧道地質災害開展了大量深入而詳細的研究工作，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害類型及成因，研究了其控制技術；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災害特性，提出災害處治措施，從而為類似工程施工、設計提供數據支撐。

1 地質災害概況

1.1 工程概況

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

圖1 沙塔隧道洞口地形情況

1.2 工程地質

沙塔隧道場區工程地質圍巖主要以（Q3m）堅硬亞黏土（低液限黏土）、（Q2l）堅硬亞黏土夾卵礫石（低液限黏土）和（上第三系上新統N2b）堅硬亞黏土為主，呈松散及塊狀結構，洞體埋深較小，圍巖穩定性較差，勘探深度內未見地下水。隧道選址位于鄂爾多斯斷塊的東部，地層總體表現為單斜構造，據物探測量成果，隧址區未發現斷裂構造，地質構造簡單。

1.3 地質災害情況

自2009年6月沙塔隧道開始進洞施工，由于隧道地質條件較差，隧道施工進度相對緩慢，2009年9月隧道右線掘進95 m，左線掘進35 m；隧道開挖過程中，襯砌變形及洞口邊坡測點沉降數值較大，2009年9月29日邊坡巡視過程中發現左右線中間山體表面出現3條裂縫，裂縫寬度最大值約1 cm，長度最長約8 m，監測單位將現場情況匯報至業主單位及施工單位，現場停止施工；2009年10月1日發生降雨后，對山體表面進行巡視后，山體表面裂縫數值增至5條，裂縫長度寬度持續增加。2010年10月3日對現場地質災害進行再次調查，發現隧道左右線間山體共產生6條裂縫，其裂縫長度最大值達 65 m，寬度最大值達23 cm。自 2009年 9月29日在山體地表共分布9排45個沉降觀測點，監測數據表明地表有持續變形趨勢，沉降量最大值位于裂縫1附近，期間變化量達到31.5 cm，已嚴重影響隧道整體穩定性及安全性，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 隧道地表裂縫現場實況圖

2 施工地質災害成因及處治措施

2.1 施工地質災害形成機理

從隧道周邊工程地質可知，隧道地質以黃土軟黏土為主，根據隧道洞內襯砌結構監測數據可知，在隧道淺埋段掘進過程中，襯砌拱頂沉降累計變化較大，截止2009年10月3日，隧道左右線拱頂沉降累計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值最大值發生在里程YK153+099，達到-97.0 mm，該位置仰拱已經施做完畢，變化趨向穩定。日變化量最大值發生在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值最大值發生在里程ZK153+007，達到-88.6 mm，該位置仰拱未有施做，由于上臺階掌子面停工，故其日變化量很小。

結合現場監測數據，通過理論分析可知，該隧道施工地質災害的形成機理主要有兩方面：

a）隧道周邊圍巖地質條件較差，主要以Ⅵ級圍巖為主，同時隧道右線選址在埡口位置，隧道右線上臺階開挖施工引起周邊土體應力松弛，發生位移，隧道周邊形成較大的松動圈，隨著下臺階及仰拱的開挖，松動圈擴展至左線線間山體底部。

b）由于前期隧道開挖引起山體產生一定深度的裂縫，隨著后期的降雨，雨水進入裂縫后，導致山體黃土力學性能急劇降低，從而引起山體裂縫數量、寬度和長度持續增加。

2.2 施工地質災害處治原則

為避免災害進一步擴大和加劇，通過分析現場災害發生機理及原因，結合現場施工條件及物資配備情況，制定施工地質災害處治原則如下：

a）加強監測力度，時刻關注黃土隧道圍巖體變形，做好監測預警工作。

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

c）在隧道洞口、地表、邊仰坡處盡快做好排水系統，并保持排水系統通暢；對于隧道地表處存在的陷穴、落水洞、裂縫、坑洞等，應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 施工地質災害處治措施

根據現場監測數據，結合上述施工地質災害處治原則，制定本項目具體處治措施，其基本流程為：隧道地表清理—山體卸載—分層回填—碾壓夯實—施做地表隔水層。

2.3.1 地表清理

在本項目地質災害處治前，首先針對隧道地表反壓回填范圍內的地表進行清理，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階狀，其每級臺階高度不大于1.5 m，寬度不大于2 m；最后，利用振動壓路機對清理后的地表進行碾壓，同時保持周邊排水邊溝通暢。

2.3.2 山體卸載

對于偏壓較重的一側山體，應盡快開展山體卸載工作，其整個過程應采用分層卸載法，每層應不大于0.8 m，并采用臺階法逐層進行卸載，其具體結構情況如圖6所示；而對于部分斷面，可將山體卸載與回填反壓相結合，其具體情況如圖7所示；但在回填過程中，應將回填材料摻拌10%的水泥，并用拌和機進行攪拌。在回填材料運輸途中應用防水布進行覆蓋，保證其含水量處于最佳含水量。

圖6 隧道山體卸載結構示意圖

圖7 隧道山體卸載及回填反壓示意圖

2.3.3 碾壓夯實

由于本項目施工場地較小，為保證回填反壓的效果，在回填料的分層鋪設過程中應采用人工配合機械進行攤鋪。其次利用重型壓路機進行碾壓，并在施工過程中應進行壓實度檢測，保證其壓實度達到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，應及時施做黏土隔水層，其施工過程應采用“分段分層法”，隔水層每層厚度應不大于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，應采用砂漿進行封閉。最后在隔水層上部進行植草綠化，避免地表降水引起隔水層及圍巖體的沖刷流失。

3 結論

本文依托山西忻保高速沙塔隧道的工程實例，結合其工程特性，深入分析其淺埋黃土隧道段地質災害成因，并有針對性地提出其處治措施，在其研究過程中得出如下幾點結論：

a）淺埋黃土隧道段左右線間山體共產生6條裂縫，其裂縫長度最大值達65 m，寬度最大值達23 cm，且監測數據表明地表有持續變形趨勢，已嚴重影響隧道整體穩定性及安全性。

b）本項目施工地質災害的形成機理主要為圍巖地質條件較差，隧道右線上臺階開挖施工引起周邊土體應力松弛，形成較大的松動圈；其次由于隧道開挖產生山體裂縫，地表降水進入裂縫后，導致山體黃土力學性能急劇降低。

c）根據現場實際情況，結合現場監測數據，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—施做地表隔水層”的綜合處治措施可取得較好的處治效果。