某特殊土隧道塌方原因浅析

2015-03-16李江辉

铁道勘察 2015年2期

关键词：砂质冲沟塌方

李江辉

(中铁工程设计咨询集团有限公司太原设计院，山西太原　030013)

Analysis of the causes of a special soil tunnel collapse

LI Jianghui

某特殊土隧道塌方原因浅析

李江辉

(中铁工程设计咨询集团有限公司太原设计院，山西太原030013)

Analysis of the causes of a special soil tunnel collapse

LI Jianghui

摘要介绍某铁路黄土和膨胀土隧道塌方情况，对地形地貌、地层岩性、气象条件等进行分析，给出塌方原因，总结了该地区砂质黄土和膨胀土的特点。

关键词黄土膨胀土隧道塌方原因浅析

1工程概况

某铁路隧道位于山西省娄烦县，全长1 800 m，为时速120 km的单洞双线隧道。除进口段100 m隧道穿过砂质黄土地层内，其余段落均位于第三系膨胀土地层。

隧道地处黄土高原，地貌类型为典型的黄土梁、峁，沟谷发育且多呈“V”字形，隧道塌方段地表位于一“V”字形黄土冲沟，冲沟两侧岸坡陡峻，地势左高右低，隧道略有偏压。该冲沟为多年雨水侵蚀而成，冲沟区域裂隙纵横，支离破碎，土层松散，遍布黄土“陷穴”。

全隧道均为Ⅴ级围岩。隧道大部穿过地层为第三系膨胀土，具有弱—中等膨胀性，硬塑，由细腻的胶体颗粒组成，断口光滑，结构致密，呈菱形状，土内分布有裂隙，斜交剪切裂隙较发育，裂隙水分布及渗出不稳定，无统一的地下水位。在膨胀土之上，覆盖厚度不均的第四系上更新统砂质黄土，稍湿，稍密—密实，具有Ⅱ级自重湿陷性，湿陷最大深度为13 m(如图1)。

图1　滑塌段纵断面示意

隧道全断面喷混凝土厚25 cm，设置φ8 mm钢筋网，网格间距20 cm×20 cm；边墙设置φ22砂浆锚杆，锚杆长4.0m，间距为1.0 m×1.0 m；全断面设1榀/0.6 m的I20b型钢钢架，每处拱脚设置2根φ42 mm锁脚锚管，长3.5 m，以防止拱脚下沉引起初期支护开裂；拱部120°设置φ42 mm小导管超前注水泥浆加固地层，小导管长4.5 m，纵向搭接1.5 m，环向间距为40 cm，每3.0 m一环。二次衬砌采用钢筋混凝土模筑衬砌，拱墙厚50 cm，仰拱厚50 cm。

2塌方情况

2011年7月28日～29日，施工区域普降大雨，气象资料反映强降雨达49.3 mm，雨水沿裂隙快速下渗，湿陷性黄土被水浸湿后，结构迅速破坏而发生显著的附加下沉，在水的作用下，地表土体自重加大，黄土浸湿后抗剪强度迅速降低。

2011年7月31日凌晨，DK75+240～DK75+260段短时间初期支护变形加速，喷射混凝土开始脱落，钢架扭曲变形严重，紧急采用临时支撑措施进行抢救。因无进一步施做临时支撑及二次衬砌的时间，管理人员只能迅速组织洞内作业人员撤离危险区域，在人员撤离的过程中，土体随即滑塌，无人员伤亡，施工机具设备被掩埋，山体滑塌及隧道洞内坍塌线路里程为DK75+261～DK75+140范围。

2011年7月31日凌晨，小河沟隧道DK75+193～DK75+262.7段山体发生坍陷、滑移，坍陷深度达5 m以上。经现场统计量测，地表开裂可见裂缝达45道，裂缝宽度从2 mm～2 m不等，深度在1 cm～10 m。其中线路左侧约31 m处玉米地断裂最大，裂缝宽度达2 m多。

DK75+180～DK75+247段山体由线路左侧向右前方(DK75+247～DK75+252)坍陷滑移，同时DK75+252～DK75+265段山体(向右后方(DK75+247～DK75+252)坍陷。坍陷后山体形成大量断裂、陷坑，滑移体呈持续沉降变化(如图2)。

图2　隧道塌方段山体滑塌示意

3原因分析

3.1　特殊的地形地貌条件

小河沟隧道地处黄土高原，地貌类型为典型的黄土梁、峁，沟谷发育且多呈“V”字形，隧道塌方段地表位于一“V”字形黄土冲沟，冲沟两侧岸坡高且陡，地势左高右低。该冲沟为多年雨水侵蚀而成，冲沟区域裂隙纵横，支离破碎，土层松散，遍布黄土“陷穴”，地形特殊。

3.2　特殊岩土因素

小河沟隧道地层岩性主要为砂质黄土及膨胀土，这两种土都属特殊土且均为水敏性土，具有特殊的工程地质性质。其共同点是都对水具有敏感性，是水敏性土；不同点是湿陷性黄土遇水湿陷，而膨胀土遇水膨胀。但水的存在会使这两种围岩的强度大大降低，从而影响围岩的稳定性。

(1)砂质黄土

砂质黄土在隧道顶部区域广泛分布，本区的黄土为风积而成，堆积厚度大，现场调查发现，砂质黄土层上下比较均一，没有水平层理，竖向节理发育，土体被切割为“长柱状”，具有多孔性。室内土工试验结果显示，隧道区砂质黄土具Ⅱ级自重湿陷性，最大湿陷深度13.0 m。

黄土的强度受黄土的湿度、结构性等因素影响。当黄土结构没有破坏时，土体内颗粒间的固化连结力较强，黄土结构强度较大。如果一旦土体的结构遭到破坏，黄土结构强度就会明显减小。湿陷性黄土受水浸湿后，自身重力变大，导致结构破坏从而发生附加下沉，强度也随着迅速降低。黄土的抗剪强度和结构强度都随含水率的增大而降低，含水率对于控制黄土的抗剪强度有着显著的作用，天然含水率和黄土湿陷变形的关系对于黄土的工程性质有着重要影响。因此，在黄土地区，常见于强降雨后由于湿陷性引起的崩塌、滑塌等现象。

(2)膨胀土

隧道洞身范围内地层以膨胀土为主，据勘察资料及施工开挖后取样试验显示，本区膨胀土具膨胀性，膨胀潜势为弱—中等，局部膨胀性强。

本隧道区膨胀土主要以下特性：

①隧道区膨胀土具有显著的胀缩性，在形变上表现为吸水体积膨胀且产生向外的膨胀力，失水体积收缩且膨胀力消失但内部吸力增大。土体的膨胀力也随着含水量的增减而产生变化，土中含水量的变化与降雨量等有关，在此种情况下土的膨胀变形随着吸水失水交替进行，膨胀土中的建筑物因此产生破坏。

②隧道区膨胀土具有多裂隙性，普遍发育有微开—张开状的“X” 节理，节理内无充填物。土体的连续性和完整性被裂隙破坏，土的强度也被降低，为土体的渐进破坏提供了条件，从而形成地表水的浸入通道。水的浸入加速了土体的软化及裂隙生产，两者相互促进，互为因果，形成恶性循环，从而大大降低了土体强度。

③膨胀土土体吸水后软化，强度明显降低，经历干湿循环后其抗剪强度将随着时间的延续而衰减，表现出强度衰减性。

④钻探过程及隧道开挖过程发现，此区膨胀土具有超固结性，超固结性不仅使边坡坡脚产生较大的剪力，而且还使得强度的应变软化，隧道开挖易于引起膨胀土围岩的卸荷作用，这对隧道的短期及长期稳定都极为不利。

⑤隧道区膨胀土在地下水作用下易发生一定的崩解，隧道施工中时常发生掉块现象。

膨胀土具有胀缩性、多裂隙性、超固结性，遇水软化、崩解等特性，在短时间的强降雨后，多种作用破坏了土体的整体性，是导致土体滑移的关键因素。