浅埋黄土隧道施工地质灾害处治技术研究

2017-10-29王二刚

山西交通科技 2017年4期

王二刚

（山西长兴路桥工程有限公司，山西长治 046000）

0 引言

近年来，随着国家公路网的不断完善及国民经济的迅速发展，我国高速公路隧道建设规模越来越大。我国黄土分布面积达44万km2，是全球最大的黄土分布区，然而由于黄土体孔隙较多，节理裂隙较发育，其具有强度低、遇水软化、易被水冲蚀等工程特性[1-2]；且黄土隧道施工极易引起周边围岩发生位移产生一定的松动圈，松动圈大小决定了隧道施工是否引起塌方冒顶或滑坡等灾难性事故[3-4]；黄土由于其独特的性质，遇水后其物理力学性能极易降低，故黄土隧道选址不当极易引起周边山体地质灾害发生[5]。为此，研究浅埋黄土隧道施工地质灾害处治技术，对于提高黄土隧道施工效率、保证施工安全具有非常重要的意义。

目前，国内外学者们针对黄土隧道地质灾害开展了大量深入而详细的研究工作，也取得了一系列的研究成果。李晋文[6]分析了黄土隧道洞口段的灾害类型及成因，研究了其控制技术；郑勇生[7]等人研究了浅埋大跨黄土隧道地裂缝的成因，并提出了相应的处治措施及建议。本文依托山西忻保高速沙塔隧道，全面分析其施工地质灾害特性，提出灾害处治措施，从而为类似工程施工、设计提供数据支撑。

1 地质灾害概况

1.1 工程概况

沙塔隧道位于山西省忻州市岢岚县境内，属于忻州至保德高速公路L21标段重点控制性工程。隧道为分离式长隧道，左幅隧道暗洞起讫桩号：ZK152+595—ZK153+035，长 440 m，最大埋深 70 m；右幅隧道暗洞起讫桩号：YK152+558—YK153+135，长577 m，最大埋深72 m；隧道采用新奥法设计，单向双车道，施工工法为上下台阶法开挖，随挖随撑。

图1 沙塔隧道洞口地形情况

1.2 工程地质

沙塔隧道场区工程地质围岩主要以（Q3m）坚硬亚黏土（低液限黏土）、（Q2l）坚硬亚黏土夹卵砾石（低液限黏土）和（上第三系上新统N2b）坚硬亚黏土为主，呈松散及块状结构，洞体埋深较小，围岩稳定性较差，勘探深度内未见地下水。隧道选址位于鄂尔多斯断块的东部，地层总体表现为单斜构造，据物探测量成果，隧址区未发现断裂构造，地质构造简单。

1.3 地质灾害情况

自2009年6月沙塔隧道开始进洞施工，由于隧道地质条件较差，隧道施工进度相对缓慢，2009年9月隧道右线掘进95 m，左线掘进35 m；隧道开挖过程中，衬砌变形及洞口边坡测点沉降数值较大，2009年9月29日边坡巡视过程中发现左右线中间山体表面出现3条裂缝，裂缝宽度最大值约1 cm，长度最长约8 m，监测单位将现场情况汇报至业主单位及施工单位，现场停止施工；2009年10月1日发生降雨后，对山体表面进行巡视后，山体表面裂缝数值增至5条，裂缝长度宽度持续增加。2010年10月3日对现场地质灾害进行再次调查，发现隧道左右线间山体共产生6条裂缝，其裂缝长度最大值达 65 m，宽度最大值达23 cm。自 2009年 9月29日在山体地表共分布9排45个沉降观测点，监测数据表明地表有持续变形趋势，沉降量最大值位于裂缝1附近，期间变化量达到31.5 cm，已严重影响隧道整体稳定性及安全性，其具体情况见图2、图3所示。

图2 隧道地表裂缝平面分布图

图3 隧道地表裂缝现场实况图

2 施工地质灾害成因及处治措施

2.1 施工地质灾害形成机理

从隧道周边工程地质可知，隧道地质以黄土软黏土为主，根据隧道洞内衬砌结构监测数据可知，在隧道浅埋段掘进过程中，衬砌拱顶沉降累计变化较大，截止2009年10月3日，隧道左右线拱顶沉降累计变化量分布情况如图4、图5所示。

图4 沙塔隧道右线拱顶下沉示意图

图5 沙塔隧道左线拱顶下沉示意图

从图4中可以看出，沙塔隧道右线拱顶下沉累计值最大值发生在里程YK153+099，达到-97.0 mm，该位置仰拱已经施做完毕，变化趋向稳定。日变化量最大值发生在YK153+059，日变化量为-7.5 mm。从图5中可以看出，沙塔隧道左线拱顶下沉累计值最大值发生在里程ZK153+007，达到-88.6 mm，该位置仰拱未有施做，由于上台阶掌子面停工，故其日变化量很小。

结合现场监测数据，通过理论分析可知，该隧道施工地质灾害的形成机理主要有两方面：

a）隧道周边围岩地质条件较差，主要以Ⅵ级围岩为主，同时隧道右线选址在垭口位置，隧道右线上台阶开挖施工引起周边土体应力松弛，发生位移，隧道周边形成较大的松动圈，随着下台阶及仰拱的开挖，松动圈扩展至左线线间山体底部。

b）由于前期隧道开挖引起山体产生一定深度的裂缝，随着后期的降雨，雨水进入裂缝后，导致山体黄土力学性能急剧降低，从而引起山体裂缝数量、宽度和长度持续增加。

2.2 施工地质灾害处治原则

为避免灾害进一步扩大和加剧，通过分析现场灾害发生机理及原因，结合现场施工条件及物资配备情况，制定施工地质灾害处治原则如下：

a）加强监测力度，时刻关注黄土隧道围岩体变形，做好监测预警工作。

b）立即停止黄土隧道的开挖，在确保隧道支护结构安全的情况下，尽快完成明洞施工及明洞反压；同时，及时施作隧道二次衬砌及仰拱，尽快封闭成环。

c）在隧道洞口、地表、边仰坡处尽快做好排水系统，并保持排水系统通畅；对于隧道地表处存在的陷穴、落水洞、裂缝、坑洞等，应立即用黏性土回填密闭，防止雨水下渗冲刷黄土隧道围岩体。

2.3 施工地质灾害处治措施

根据现场监测数据，结合上述施工地质灾害处治原则，制定本项目具体处治措施，其基本流程为：隧道地表清理—山体卸载—分层回填—碾压夯实—施做地表隔水层。

2.3.1 地表清理

在本项目地质灾害处治前，首先针对隧道地表反压回填范围内的地表进行清理，具体厚度视地表植被、杂填土而定；其次，将清理后的地表修成台阶状，其每级台阶高度不大于1.5 m，宽度不大于2 m；最后，利用振动压路机对清理后的地表进行碾压，同时保持周边排水边沟通畅。

2.3.2 山体卸载

对于偏压较重的一侧山体，应尽快开展山体卸载工作，其整个过程应采用分层卸载法，每层应不大于0.8 m，并采用台阶法逐层进行卸载，其具体结构情况如图6所示；而对于部分断面，可将山体卸载与回填反压相结合，其具体情况如图7所示；但在回填过程中，应将回填材料掺拌10%的水泥，并用拌和机进行搅拌。在回填材料运输途中应用防水布进行覆盖，保证其含水量处于最佳含水量。