枝柳线卓福隧道泥石流成灾特点与减灾对策

2011-03-18苏志满徐林荣

铁道建筑 2011年10期

辛彬，苏志满，徐林荣

(1.广州铁路集团公司张家界工务段，湖南张家界 417003;2.中南大学土木工程学院，长沙 410004)

2003年7月8日至10日，百年一遇的暴雨袭击武陵山区，枝柳铁路卓福隧道洞口附近的斜坡暴发了坡面泥石流。泥石流体宽约100 m，长约850 m，冲出土石方量约60万m3[1]。泥石流体将隧道洞口路基段轨道卷成麻花状并推远3 m多，之后又覆盖线路达20 m厚，长100 m余，同时造成卓福隧道洞口被堵塞。此外，两辆巡查线路的轨道车也被泥石流冲击脱轨并掩埋。此次卓福隧道泥石流灾害造成铁路行车中断173 h 38 min，铁路直接周转量损失估计为104 Mt·km。

根据文献[2-3]，此次坡面泥石流的冲出规模介于10万m3～100万m3，属大型泥石流，而经济损失量超过1000万元，属于特大型泥石流灾害。已有研究表明，枝柳线卓福隧道的工程易损性较高[4]，使其在泥石流规模不是特别巨大的情况下，也产生了较为巨大的泥石流灾害损失。鉴于这一情况，本文从卓福隧道泥石流孕灾自然环境及铁路承灾体两个方面入手，探讨卓福隧道泥石流灾害的成灾特点，并据此提出隧道泥石流灾害的防治对策，以供其他工程予以借鉴。

1 卓福隧道泥石流孕灾自然环境

1.1 地质构造

卓福隧道泥石流场址位于花垣～大庸～慈利断裂带的东南方，绥宁～安化～益阳加里东“拼贴带”北西之间的区域，即“扬广地体”南东边缘区。按变形特点应称之为湘西加里东期逆冲褶皱变形区。主要褶皱构造有武陵山复背斜及雪峰复背斜，它们的核部地层都是震旦系及下古生代的冷家溪群和板溪群，这些复背斜又由更次级的褶皱组成，多为北东向或北东东向的开阔背斜和向斜。

1.2 地层岩性

泥石流灾害发生后，在失稳坡面的上方滑坡段进行钻探，钻孔资料揭示，表层地层为泥岩、页岩风化形成的第四系松散堆积层，呈褐黄色，碎石含量约50%～70%，粒径 2～11 cm，黏粒约 30% ～40%，厚度约13.2～22.5 m。下部地层主要为深灰色页岩夹少量薄层灰岩，页岩层节理发育，表层风化严重，部分破碎成碎屑或碎块状，灰岩节理也较发育，风化较轻，除局部含泥质外，岩质均较坚硬。岩层褶曲强烈，产状变化较大，裂隙水发育。

由于表层岩土体结构较疏松，大气降水易于下渗，并沿透水性相对较弱的基岩顶面流动，逐渐潜蚀、掏空基岩顶面松散物，软化风化层底板，使堆积体失去平衡而发生滑坡、崩塌，为泥石流暴发储备了固体物质。

1.3 地形地貌

泥石流流域山势陡峻，呈上陡、中缓、下平的“靠椅状”，汇水面积约为0.085 km2。上游泥石流形成区三面环山，山坡坡度31°～40°，沟谷狭窄陡峻，呈 V字型，构成一面开口的谷间盆地。坡面侵蚀及风化作用强烈，有坍塌现象，沟床上陡下缓，为松散固体物质向下运动提供了较好的势能条件。

1.4 水文气象

研究区降雨主要集中在5月至8月，雨季的累积降雨量一般为982 mm，占全年降雨量的70% ～76%，其中5月下旬至7月上旬是降雨最为集中的时期[5]。

卓福隧道泥石流邻近的后坪雨量站近20年的观测资料显示，该区域2003年的雨季后移，7月份降雨量突增，达717.5 mm，占全年降雨量的53%，是历年该月平均降雨量的2.2倍。其中，2003年7月8日至10日，特大暴雨袭击武陵山区，7月9日降水量达440 mm，凌晨3时的降雨强度为60 mm/h，是历史记录最高值。7月9日的暴雨激发了卓福隧道泥石流。

2 铁路受影响区段及泥石流暴发模式

2.1 铁路受影响区段

卓福隧道临近路段的铁路走向SN。线路右侧是山坡，轨顶与山坡顶高差约255 m，左侧是澧水支流，轨顶与河面高差约20 m。

铁路受影响区段包括卓福隧道、卓福明洞，隧道与明洞间的路堤段，及路堤段下方的涵洞。其中，卓福隧道入口的里程为 K996+750.4，隧道长262.9 m，卓福明洞出口的里程为K996+654.6，相应地，路堤段的里程为K996+654.6～K996+750.4，该路堤段下有一座宽为1.5 m的涵洞。

2003年的泥石流造成路堤段遭到冲毁、明洞出口的洞口被堵塞，卓福隧道被泥石流和积水淹没，水深约达1.5 m。路堤处的涵洞被堵塞和掩埋。

此外，澧水支流也由于泥石流的汇入而一度发生堵塞现象。

2.2 泥石流暴发模式

从2003年5月份开始，研究区便发生降雨，期间有几次降雨的雨量较大，也有过几次短暂停歇。从6月14日开始，到泥石流的发生，研究区持续降雨，特别是7月9日凌晨，雨量骤增，达60 mm/h。

持续性较长的降雨，容易使表层土体达到饱和，降低土体抗剪强度，并产生地下水渗流，从而形成动、静水压力。同时，入渗的雨水到达软弱岩区后，将进一步软化岩体，形成滑动带，导致抗滑力减小。由于表层土体逐渐饱和，自重增加，因此下滑力将增大。表层土体所受作用力的这些变化，将使得土体稳定性逐渐下降。当降雨进入短历时强降雨阶段，雨量骤增，土体表面径流、地下渗流同时加剧，使得土体稳定性进一步下降，从局部发生变形位移到最终发生整体破坏，饱水的破坏土体与水掺混，顺坡面而下，从而形成坡面泥石流。

从钻探揭露的地层岩性情况看，斜坡表层土体为遇水容易软化的泥岩、页岩风化物，这些风化堆积层的黏粒含量较高(约30% ～40%)，为泥石流暴发提供了较为理想的物质储备。下伏岩层岩质较为坚硬，而且产状变化较大。这种土岩组合情况，一般不容易发生大规模滑动破坏，更多的是局部滑动、溜塌。不过，就像卓福隧道泥石流一样，在持续降雨和短历时强降雨共同作用下，也有可能使表层岩土体稳定性整体下降，进而发生整体滑动。

3 应急措施

卓福隧道泥石流发生后，有关部门提出“先排险通车、后整治加固”的方针。其中排险方案为分三步走的排水清道、减载、整道，整治方案为修建地面排水系统、抗滑桩和明洞等措施。

1)排水清道

首先排除隧道内积水和淤泥，在坍体四周及中间开挖“八”字形排水沟，并以腈纶编织布铺于沟底，同时恢复原有1.5 m涵洞，形成了一套有效的临时排水系统。

2)减载

调集大功率挖掘机、推土机，以挖掘机自下而上开路，将坍体自上而下按1∶1.75的坡度推出斜坡(留3个平台)，把大量余土推向铁路左侧，确保右侧山体不再发生坍塌，同时疏通小河，并在河道边筑砌厚3 m、高6 m、长100 m的片石挡墙，以防泥土堵塞河道。

3)整道

减载后针对铁路路基局部被冲毁和钢轨悬空位移、扭曲变形的实际情况，整修路基，换填石渣，换铺钢轨和轨枕，整理道床，并用装石渣的重车反复压道，使该路段很快具备通车能力。

4)修建地面排水系统

在滑坡体范围之外，设置一条截水沟，拦截旁引地表径流，使之不流入滑坡范围内。滑坡体内的3个平台上修筑平行线路的排水沟，垂直线路方向修筑两条排水沟，使坡面的水能及时排出，防止滑坡形成进而导致泥石流。

5)修建抗滑桩

在线路右侧边坡的坡脚设置一排抗滑桩，桩长12～22 m，桩间距5 m，截面尺寸为2.5 m×3.0 m，共修筑7根抗滑桩，以抵抗岩层滑移，保证边坡坡体的稳定。

6)修建明洞

在卓福隧道和卓福明洞间修建钢筋混凝土明洞，将原有隧道、明洞连为一体，坡面的水通过洞顶上的导流槽流向澧水河，以防止线路遭受坍方、落石或泥石流的袭击。

4 减灾对策

卓福隧道泥石流灾害情况可描述为:致灾体为坡面泥石流，承灾体为隧道及邻近隧道的路基段;致灾作用为路基先被冲毁，后被掩埋，隧道洞口段被堵塞。灾后的应急整治方案为失稳斜坡的排水、减载和加固，以提高坡面稳定性。上述治理措施经历了近10年雨季的考验，避免了类似隧道泥石流灾害的再次发生。

隧道一旦遭到堵塞，其复原工作往往较难开展，主要原因是隧道断面较小，大型施工机械工作不便，故施工效率往往较低。

根据卓福隧道泥石流应急整治的经验，以及隧道泥石流灾害应急抢险普遍存在的一些问题，建议采取以下减灾对策。

1)加强隧道洞口坡面泥石流危险源的识别

卓福泥石流灾害事件中，由于未能提前识别洞口处坡面危险性，未能事先采取整治措施，导致极端降雨作用下暴发泥石流，并造成铁路交通受到严重的影响。

坡面泥石流的识别目前仍是一件技术难题，特别是对于一些危险性不明显的坡面来说，识别更加困难。据工务部门数据显示，卓福隧道泥石流暴发所在坡面近些年来并未出现过失稳或发生泥石流的迹象。但在百年一遇的极端降雨条件下，却暴发了大型泥石流，这说明卓福隧道泥石流坡面的岩土体失稳条件较为苛刻。勘查发现，土岩界面产状变化较大，使得岩土体交界处形成咬合式结构，不容易形成贯通的滑动带。但在持续较长的雨水软化作用下，土岩界面的不稳定层逐渐贯通，加之短历时强降雨使得坡体表层土体出现较大的渗水破坏荷载和自重，最终导致整体式滑动，暴发规模较大泥石流。

实际上，枝柳线沿线的泥石流基本上与卓福隧道泥石流类型一样，属于坡面型泥石流。卓福隧道泥石流暴发后，张家界铁路工务段总结了卓福隧道泥石流的形成环境特征和暴发模式，并采用工程类比法的思想，对沿线坡面泥石流灾害危险性的排查，取得了较为显著的成果。

2)加强隧道遭遇泥石流灾害的工程易损性评价分析

卓福隧道泥石流灾害中，隧道遭受到的危害方式为掩埋，经过清方处理后，隧道很快地恢复了行车功能。此次泥石流并未对隧道本体造成破坏，而只是暂时地影响其行车功能。如果卓福隧道在遭受泥石流破坏时，隧道出现结构破坏，甚至塌陷，则泥石流危害的影响将更加巨大。因此，隧道对泥石流破坏的抵抗能力在隧道泥石流减灾工作中至关重要。

文献[4]对卓福隧道进行了泥石流灾害工程易损性分析，探讨了隧道选址、设计、施工、运营以及泥石流致灾因子对隧道工程易损程度的影响，结果表明卓福隧道具有较高的易损性。如若在卓福隧道设计之初便进行较为详细的易损性分析，则有望避免该灾害事件的发生。加强隧道工程遭受泥石流灾害的工程易损性分析，以提出针对性更强的隧道泥石流减灾方案，这项工作需要在今后的隧道泥石流减灾工作中予以重视。

3)积极采取隧道洞口斜坡的坡面排水措施及必要的灾前防御工程措施

排水工程相比坡体加固工程而言，施工难度低、工程投资少，是一种较好的预防措施，值得在隧道坡面泥石流灾害减灾工作中予以推荐。因此，对隧道洞口附近的斜坡均应加强坡面排水，特别是一些残坡积层斜坡的坡面排水。

对于排查出的较危险斜坡，则应该采取必要的边坡加固措施，实现减小损失于灾害发生之前。边坡加固措施形式多样，如卓福隧道泥石流灾害应急整治所采用的减载和抗滑桩措施等。