宜万铁路石院子隧道坍塌病害原因分析及整治

曾宪明

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

一座长不足600 m的隧道,在地质地形极为复杂的宜万铁路绝对是小巫见大巫,但就是这座隧道却成为了宜万线的“重点工程”！组织了多次专家会审、会商,花费巨资才整治处理完成,病害整治费用远高于隧道修建造价。一座长度短、地质简单的碎屑岩隧道为何成为宜万线的一个难点工程。本文试图就隧道所处的地形地质条件及隧道坍塌的原因进行分析研究,以期对以后的类似工程有所借鉴。

1 工程概况

石院子隧道位于宜昌长阳县榔坪镇,为双线隧道,起迄里程DK84+920～DK85+516,全长596 m。隧道南侧依山,北侧下临正在施工的沪蓉高速公路,铁路与高速公路相距约62～103 m、相对高差16～18m(如图1所示)。石院子隧道为典型的傍山隧道,最大埋深45 m。

图1 石院子铁路与高速公路关系示意(单位:m)

隧道设计采用超前小导管2 m/环及超前锚杆2.4 m/环预支护、格栅钢架0.5～0.8 m/榀布置,二衬为C25混凝土及C30钢筋混凝土结构;隧道进口段为深路堑路基,堑坡高约10 m,设挡墙 +窗式浆砌片石支挡防护,其中DK84+920～DK84+945段右侧设计6根长20～24 m的预加固锚固桩。

隧道施工始于2005年6月,采用短台阶方法由出口向进口单向掘进,隧道进口段路堑尚未开挖。高速公路先于铁路隧道开挖施工,路堑边坡按1∶0.75～1∶1.75的坡率、8 m一级留4 m边坡平台进行开挖,边坡最高约52 m。下侧的318国道于20世纪70年代修建,竣工通车约35年,国道路基边坡高约3～5 m,边坡基本稳定。

2 工程地质特征

2.1 地貌、地形特征

石院子隧道所处斜坡的自然坡度为5°～30°,植被较发育,多辟为旱地,民房较密集;山坡南北向冲沟发育,冲沟陡坎及山脊基岩裸露,沟内块石堆积。缓坡后部由碳酸盐岩组成较陡斜坡,从后缘到榔坪河由陡变缓,基岩断续出露。

2.2 地层岩性及地质构造特征

地表覆盖层为粉质黏土夹少量碎、块石,褐黄色,硬塑,厚0～8 m。线路左侧山坡覆盖层较薄,线路右侧山坡较厚;沿线路方向宜昌方向较厚,万州方向较薄。基岩为志留系砂页岩地层。

工程区处在东西向构造——长阳背斜北翼的单斜构造部位,线路走向与构造线基本一致,与318国道、沪蓉高速公路基本平行(见图2)。

图2 石院子隧道区构造

在线路左侧约280 m处为志留系页岩与奥陶系灰岩分界线,呈整合接触;沿山脊地表坡面见有较大面积的基岩岩体出露,岩性为砂质页岩。高速公路路堑开挖揭示隧道工程及以下斜坡除表层为覆土外,大部为基岩。

岩体节理裂隙发育,主要发育两组节理,第①组节理,节理面产状分别为90°∠76°(J1)、间距4条/5 m、延伸长度5 m,第②组节理,200°∠63°(J2)、间距4条/6 m、延伸长度3 m。受节理面切割影响,岩体较破碎。

岩层产状355～45°∠21°～65°,受岩层次级褶皱影响,产状有褶曲的变化。

2.3 水文地质及气候条件

本区属亚热带湿润季风气候带,夏季湿热多雨,冬季多雾。年平均气温 18 ℃,年降雨1 244.7～1 504 mm,多集中在7～8月份。

地下水为第四系覆盖层孔隙水及基岩裂隙水,地下水的补给来源主要为大气降水。该工点范围内孔隙水及基岩裂隙水发育。岩体中发育的多组节理,闭合程度差,贯通性好,为储水和水的运移提供了条件。

3 施工地质概况

3.1 隧道开挖揭示地质情况

在施工过程中,重点对该段隧道围岩地质情况,按每20 m一次进行了现场核查。开挖揭示围岩地质为页岩,灰黄色,薄层,强风化为主,夹全—强风化层。局部产状扭曲,岩体破碎,无明显渗水。

3.2 高速公路开挖揭示地质情况

正在施工的高速公路路堑边坡高约52 m。路堑边坡开挖揭示的地层岩性为页岩,岩层层面清楚,以强风化为主,节理发育,岩体破碎。

3.3 国道边坡揭示地质情况

始建于20世纪70年代的318国道,沿线基岩多处出露,地层岩性为志留系砂页岩,以强风化—弱风化为主,产状基本一致,局部有变化,但变化不大。318国道下的榔坪河岸局部亦有基岩出露,多为弱风化岩层,产状与山坡出露地层基本一致。

3.4 井探揭示地质情况

在隧道进口右侧的6根锚固桩施工过程中,按探井要求连续进行了地质剖面实测。桩孔人工开挖实测地质剖面表明,地层连续,未见软弱夹层,孔口下10～15 m基本上为遇弱风化页岩;个别地段存在差异风化,主要为强风化页岩夹全风化层。实测桩底岩层产状为10°∠35°～32°∠40°。个别桩底渗水较严重,大部分桩底未见地下水。

综上所述,施工揭示既有边坡稳定,基岩裸露、产状连续、局部褶曲,地质情况明确,与勘察阶段的地质情况基本一致。

4 病害特征及分析

4.1 病害特征

2007年2月初,石院子隧道进口段山坡受高速公路路堑边坡切脚开挖诱发工程滑坡后,公路部门对公路边坡按1∶0.75～1∶1.75的坡率、8 m一级留4 m边坡平台进行了刷方减载,并设计有挡墙、锚喷、窗式浆片衬砌拱内植草,以及平台截水沟、排水沟等支挡防护和截排水措施。

2007年7月19日晚榔坪地区普降大雨,7月20日DK84+970～DK85+000段拱部局部开始掉块,初期支护变形开裂,DK84+965～DK85+008段已开挖、未衬砌洞身部分发生整体坍塌,坍方体埋塞洞身至DK85+017附近。

病害范围涉隧道轴长约190 m(DK84+920～DK85+110),横向宽约370 m,地表多条拉张裂缝明显,近呈弧形展布,细小的裂缝则更多。隧道坍塌后,在地表对应地段产生宽18 m左右、深1～3 m的坍陷坑,DK84+920～DK85+100段线路左侧山坡坡面产生多条宽张地表裂缝,主要集中在坍塌体左侧3～33 m范围内,走向基本平行线路;裂缝宽0.5～2 m,深1～4 m,延伸最长的约有60 m;最上一级公路刷方平台中也出现几道纵向裂缝(见图3)。

图3 石院子隧道进口坍塌段工程地质平面

隧道坍塌后,在洞内也出现裂缝,其中DK85+021.6～DK85+047.7段中心线右侧(沿线路方向)仰拱出现2条、左侧出现1条纵向裂缝(近平行线路),缝宽2～8 mm左右,延伸最长约26 m;DK85+023～DK85+052.4段左拱腰二衬混凝土表面出现2条纵向裂纹,裂缝最长的有29.4 m,宽度3～5 mm;DK85+044.26～DK85+075.1段右边墙脚二衬混凝土表面出现2～3条纵向裂纹,裂缝最长的有30.98 m,宽度2～8 mm。

4.2 洞内外变形监测

(1)地表变形监测

隧道坍塌后,在地表布设了观测网,对地表山体进行监控量测。由于公路刷坡施工等原因,监测点多次破坏。根据观测结果分析,累计变形最大约26.2 cm,基本上是在坍塌后的半个月内完成。之后位移变形量极小(见表1)。

表1 石院子进口地表变形测量记录 mm

从地表变形趋势看,各测量点都经历了变形由大变小并趋稳的过程。

(2)洞内变形监测

在隧洞内对DK85+010～DK85+110段进行了中线位移测量。从量测资料看,该段中线均有不同程度的位移;各点位移情况见表2。

表2 石院子隧道洞内中线位移记录 mm

从各点的累计位移曲线分析,10月2日后各测量点已无明显位移(如图4所示)。

图4 石院子隧道洞内位移曲线(DK85+030)

(3)洞内外变形监测结论

从洞内、外各测点观测资料分析,各测量点都经历了变形由大变小并趋稳的过程,表明山体整体已趋稳定。

4.3 稳定性分析评价

(1)基本分析

高速公路路堑开挖,以及隧道、锚固桩开挖揭示,隧道所处斜坡覆土厚度0～8 m,下部为基岩(志留系砂页岩);岩层倾向线路、岩层倾角25°～63°,且隧道洞身的左右侧岩层倾角陡、洞身附近岩层倾角相对缓。

液压系统是铰接式自卸车的重要组成部分。当自卸车连续工作时，液压系统损失的能量会转化成系统的热量，导致液压油温度升高。当液压油温度超过机械设备的最高允许温度时，会给自卸车的液压系统带来一系列的危害。过高的油温会造成油的粘度降低，导致油液泄漏量增加，降低系统的工作效率；同时也会加速液压元件的磨损，使橡胶密封件老化变质加速，严重降低液压系统的使用寿命。当在高温条件下液压油氧化变质，析出的胶状沉积物会阻塞阀的阻尼孔，容易析出空气产生压力冲击，影响系统正常稳定工作，甚至会影响行车安全[1-3]。

按最缓岩层倾角推算,隧道洞身至榔坪河间无顺层临空面,即不具备产生深层滑动的临空面条件(见图5)。

图5 Ⅰ-Ⅰ工程地质剖面

已防护高速公路边坡坡面混凝土及坡脚护面墙无开裂变形、外倾现象,公路路面无外鼓凸出现象,进一步说明山体斜坡未出现顺层面的滑动。

高速公路施工期间出现的塌滑属于“公路开挖切脚引起的沿土石界面的浅层滑坡”。

(2)赤平投影力学分析

根据现场调查,该地段岩层产状为340∠50°,主要节理发育两组,产状分别为:90∠76°(J1),4条/5 m,延长5 m;200∠63°(J2),4条/6 m,延伸长度3 m。公路路堑开挖坡面产状为:30∠45°(自然边坡坡度更缓)。赤平投影分析(见图6):①一组节理大角度斜倾向山体内,另一组节理虽外倾但倾角大于斜坡倾角,组合的楔体稳定;②层面倾角大于坡面倾角,山体稳定,不具备顺层滑动的条件,隧道工程存在顺层偏压问题。

图6 结构面赤平投影

4.4 综合分析及评价

(1)石院子隧道山体虽存在局部褶曲,但岩层产状连续,岩体较为完整,同时前缘没有连续的临空面,出现深层滑动的可能性小。

(2)山体表层存在厚约8 m的堆积体,工程活动切坡形成临空面造成浅层覆盖层滑动。

(3)线路走向与岩层走向一致,隧道左侧存在顺层偏压问题。

(4)2007年进入雨季以来,榔坪地区经历雨量大、雨程长的不利因素,尤其是2007年7～8月间连续暴雨(降雨量达209.4 mm),地表植被被破坏后,雨水更易下渗软化岩土体,造成岩土体强度降低,对石院子隧道坍方产生一定影响。

(5)隧道塌方诱发左侧山体变形,并牵连扩大变形范围。

综上,隧道属典型的浅埋、顺层、偏压软岩隧道。通过大量的补充勘察工作,可以确定造成隧道进口段围岩坍塌和变形的地质原因是:右侧相距62 m的公路大面积刷坡造成临空面,破坏了极软岩顺层山坡的稳定性,形成浅层工程滑坡,而且由于公路五级刷坡使地表失去植被覆盖,加大了地表水下渗,软化了围岩,降低了岩体和结构面的强度,使处于公路边坡左上方的浅埋傍山铁路隧道发生坍方,坍方又牵引附近岩体发生顺层滑移变形和地面开裂,致使隧道进口段破坏。从地质应力历史的角度分析,则可能是软质岩发生长期蠕变动力运动,产生长期蠕变动力作用的偏压所致。目前地表和洞内变形已趋于稳定,但若不及时治理,雨季后仍有加大变形和滑移的可能。

5 工程整治措施

由于铺轨工期紧迫,该工程滑塌后,成为了宜万线的“重点工程”。处理不及时、处理不到位,势必引发滑塌的进一步发展,影响按期铺轨。为此,设计在考虑治理滑塌的同时,对于其滑塌的趋势,需进行加固,以达到根治之目的。

5.1 整治加固基本原则

该隧道进口段页岩为极软岩,岩石强度低,遇水易软化,节理裂隙发育,岩体破碎,风化强烈,自然山坡多浅层塌滑体,坡面极不稳定,开挖不当易坍塌;加之顺层偏压因素,易产生层间滑移变形。因此,治理的基本原则应是:

(1)加强地表排水,防止地表水大量下渗;

(2)加固岩体,提高围岩整体性和强度;

(3)为约束顺层变形,抗滑桩应有足够的深度和刚度。

5.2 整治加固方案

为此,在方案研究过程中,曾作多方案的技术经济比较,如考虑大面积减载、顺层减载 +抗滑桩和明洞 +抗滑桩、顺层减载 +明洞、抗滑桩 +洞内处理等方案。

但考虑到隧道所处工程地质条件恶劣、山体稳定性差、工期紧、施工安全风险大等因素,最终确定采用地表裂隙封堵、加强地表排水、抗滑桩、地面注浆、洞内塌方地段处理采用超前预支护、加强初期支护和模筑衬砌、双侧壁导坑工法施工及开裂衬砌拆换等措施进行综合治理。

由于隧道进口段埋深较浅,且线路右侧已设计锚固桩加固,为节省投资,DK84+920～DK84+942段由隧道改为路基;DK84+942～DK85+008段采用暗挖隧道方案;DK85+008～DK85+098衬砌变形开裂段,逐段拆除二次衬砌后重新施做。主要设计措施如图7和图8所示。

图7 进口路基段典型断面

图8 坍方及影响段典型横断面

6 结论

(1)石院子隧道进口段属典型的浅埋、顺层、偏压软岩地段,围岩软弱、存在长期蠕变动力运动是隧道坍塌的内因,公路大面积刷坡造成临空面造成顺层山坡失稳是隧道坍塌的重要诱因,而强降雨则进一步恶化了隧道的工程地质条件。

(2)对于重大病害工程应本着“一次根治,不留后患”的原则进行综合整治,除采取针对性强的有效措施外(如抗滑桩、隧道衬砌结构等),还应从工程的整体出发,做好配套、辅助工程(如注浆工程、防护工程、排水工程等)的设计和施工,才能取得预期的结果。

(3)除勘察阶段需对工程所处的地质背景进行详细查明外,还应在施工阶段加强施工地质工作。该隧道病害发生后,曾有一种意见认为其处于一大型古滑坡体上,但由于重视了施工阶段的工程地质工作,对隧道工作面每20 m一次进行地质素描,详细绘制公路边坡开挖地质剖面,对抗滑桩按井探进行编录地质剖面,因而在施工中全面了解、掌握并核实地层开挖情况,为分析坍塌的性质和成因提供了详实的地质依据,也排除了古滑坡的可能。

(4)对类似后壁为厚层硬岩、前缘为软岩共生的顺层斜坡地段,隧道宜内移下埋,避免偏压,使隧道结构受力均匀。

[1]中铁第四勘察设计院集团有限公司.石院子隧道DK84+920～DK85+110段工程地质勘察报告[R].武汉:中铁第四勘察设计院集团有限公司,2008

[2]中铁第四勘察设计院集团有限公司.宜万铁路宜昌至万州段新建工程施工图——石院子隧道设计图[R].武汉:中铁第四勘察设计院集团有限公司,2004

[3]TB10012—2001 铁路工程地质勘察规范[S]

[4]中铁第四勘察设计院集团有限公司.宜万铁路宜昌至万州段新建工程施工图——石院子隧道进口段DK84+920～DK85+107病害整治设计图[R].武汉:中铁第四勘察设计院集团有限公司,2007

[5]中铁第四勘察设计院集团有限公司.宜万铁路宜昌至万州段新建工程施工图——石院子隧道DK84+920～DK85+380段Ⅰ类变更设计施工图[R].武汉:中铁第四勘察设计院集团有限公司,2008