黄土隧道洞口段饱和滑坡体处理

张 冲

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

1 概述

黄土广泛分布在我国西北地区，由于其特殊的工程特性和节理构造，给该地区的铁路工程建设带来了很大困难[1-4]。近年来，我国已在西北黄土地区修建了大量黄土隧道，积累了较为丰富的富水黄土隧道施工经验：来弘鹏等认为注浆预加固对提高黄土地层强度、降低围岩的透水性效果明显[5]；刘鹏飞等研究了帷幕注浆在高含水率黄土隧道中的加固作用[6-7]；王小林等采用数值模拟的方法研究了隧道穿越饱和黄土时的合理注浆半径[8]；吴昊等分析了水泥-水玻璃注浆在富水黄土隧道围岩中的加固效果[9]。目前，对富水黄土隧道修建技术的研究多集中在暗洞段，对洞口不稳定段的综合处理措施研究较少。以某新建铁路刘坪隧道出口为例，分析其施工过程中洞口段饱和滑坡体的成因，并给出了成功穿越该段落所采取的工程措施。

2 工程概况

该铁路为国家I级铁路，设计速度为120 km/h，隧道全长3 375.3 m，为单洞双线隧道，最大埋深148 m。隧址区属于陕北黄土高原梁峁区，冲沟发育，大部分地区覆盖厚层黄土，偶见基岩裸露。该区域在大地构造上属陕甘宁台坳东南翼部，是一个基底硬化程度高、比较标准的稳定地块；经历多旋回构造发展，最终形成了具有多次坳陷叠加的中生代盆地；隧址区地下水主要为基岩裂隙水及第四系潜水，主要接受大气降水补给，其水位、水量随季节性变化明显。

隧道出口整体地形见图1，洞身结构位于土石界面处，上部为第四系上更新统砂质新黄土(褐黄色，中密，稍湿)和中更新统黏质老黄土(棕褐色、棕红色，硬塑-坚硬)；下伏三叠系上统砂岩(灰白色、青灰色，砂质结构，层状构造，强-弱风化)和泥岩(青灰色、灰绿色，泥质结构，层状构造，强风化-弱风化)。

图1 刘坪隧道出口地形

出口段岩体破碎，围岩分级为Ⅴ级，主要设计措施如下：

(1)隧道出口里程为DK332+900，明暗分界里程为DK332+887，采用偏压式明洞门，明洞长13 m。

(2)暗洞施工前，在拱部120°范围先施作一环φ108 mm超前长管棚，环向间距为3根/m，长40 m。

(3)DK332+796～DK332+847段采用φ89 mm热轧无缝钢管超前支护，每10 m一环，每节管长5 m，环向间距为3根/m，纵向搭接长度不小于3 m。

(4)衬砌形式为黄土Ⅴb型复合式衬砌，采用三台阶大拱脚临时仰拱法进行开挖。

3 现场施工情况

刘坪隧道出口于2015年9月7日开始导向墙施工，开挖过程中，发现土体含水量较高，DK332+890处右侧边坡不断有水渗出，且边坡出现少量溜塌。9月12日，完成导向墙混凝土浇筑。

9月22日，管棚开始钻孔施工(风钻钻孔)。钻孔过程中发现洞身拱部土体含水量较高，前9 m孔内土、泥块尚可勉强吹出，孔深大于9 m后，孔内泥土无法吹出。故改用螺旋钻杆钻孔，但土体黏性较大，渣土黏结、包裹钻杆，成孔效率较低。同时，附近孔内不断有泥浆喷出，见图2。

图2 刘坪隧道出口大管棚施工现场

10月1日，管棚施工完成，10月2日，发现DK332+847附近洞顶地面出现宽约5～10 mm的地表裂缝(见图3)。裂缝走向大致垂直线路，总长度约26 m，裂缝处隧道埋深16 m，地表沉降3～5 mm，导向墙沉降约40 mm。根据10月3日～10月15日的现场沉降监测数据，洞口段地表未再发现明显沉降迹象。

图3 隧道洞顶上方地表裂缝

10月20日，开始暗洞施工，11月10日，上台阶开挖完成10.8 m。开挖揭示，上台阶地层为砂质、黏质新黄土交错，层状结构，含水量高达25%(超过砂质新黄土液限)；开挖过程中，工作面连续出现开裂、脱落现象，DK332+885处拱顶累计沉降量为32.3 mm，地表裂缝局部扩展。线路右侧拱脚处有清水不断渗出，洞内中、下台阶地层呈软塑状(见图4)。

图4 洞口段开挖揭示地质情况

4 原因分析

根据洞口段施工过程中出现的不良地质现象和探明的区域地质构造，通过现场钻孔补勘和水文地质调查，判断洞口段存在滑坡体，长约150 m，宽约200 m，厚5～15 m，滑动方向与线路约呈20°夹角，出口段平面、纵断面见图5和图6。

图5 刘坪隧道出口平面

洞口段滑坡体成因分析如下：

(1)刘坪隧道穿越牡丹川及其支流的分水岭，地下水较为丰富，且洞口段主要为砂质黄土和黏质黄土，局部存在囊状地下水，管棚施工易导致泥浆外流。

(2)施工揭示，地层中有“反翘”和“交错”分布，山体有古活动迹象，富水软弱地层和下伏基岩面为可能滑动面[10-11]；地质补勘揭示，隧道出口DK332+770.6～DK332+900段地下水位较高，砂质黄土、黏质黄土地层含水量高(饱和或接近饱和)，为潜在软弱地层。综合分析表明，隧道洞口段位于不稳定斜坡上。

(3)开工后，洞口临时便道的引入、边仰坡刷坡及导向墙的施工破坏了原地形坡脚(局部垂直临空面高达6 m)；大管棚及暗洞施工导致地下水流失，又加快了洞顶山体下挫(地表出现裂缝，山体出现滑动迹象)。

综上，洞口滑坡体对工程施工和后期运营安全构成潜在威胁，应进行综合治理。

图6 刘坪隧道出口段纵断面

5 处理思路及措施

5.1 处理思路

(1)应采取稳定仰坡坡脚及减少地下水流失的措施，防止滑坡体进一步发展；同时封闭地表裂缝，防止地下水渗入。(2)施工过程中，宜采取超前加固的措施来保证工作面稳定及减少地下水流失，以保证施工安全。(3)为确保后期运营安全，洞口坡脚处需采取永久防护措施，洞内需采取基底加固措施，以满足承载力要求。

5.2 洞外处理措施

(1)对线路两侧已开挖的临空面进行反压回填，以防止黄土滑坡体滑移，造成工程地质灾害。

(2)洞顶裂缝外10 m处设置截水天沟，同时，采用“水泥+膨润土”封闭洞顶裂缝，施工期间，应在表层铺设防水帆布，避免雨水下渗至裂缝内[12-13]。

(3)根据黄土滑坡体的滑向及规模，刘坪隧道出口左右两侧设置19根防护桩(2 m×3 m方桩，桩长24～30 m)[14]，桩间距5 m，桩身采用C35钢筋混凝土。防护桩平面布置见图5。

5.3 洞内处理措施

(1)采用25 cm厚C25早强喷射混凝土临时封闭DK332+876.2工作面，以稳定工作面及减少地下水流失。

(2)对DK332+887～DK332+876.2已开挖段，采用φ42钢花管竖向注浆(采用φ42 mm、厚3.5 mm、长5 m的热轧无缝钢管)，横向间距为80 cm，纵向间距为120 cm，具体注浆参数通过现场试验确定。

(3)DK332+876.2～DK332+848.2段采用超前帷幕注浆[15]。注浆材料：水泥-水玻璃双液浆(仰拱底部为普通水泥浆)；注浆压力为0.5～1 MPa，单孔有效扩散半径按1.8 m考虑，通过现场试验确定合理的注浆参数。

因洞口φ108大管棚(净间距16 cm)已施作，为避免破坏管棚，隧道拱部注浆孔从洞外导向墙上方打设，注浆孔横断面布置见图7，注浆孔纵剖面见图8，注浆加固孔终孔交圈情况见图9。

图7 注浆孔横断面布置(单位：m)

图8 注浆孔纵剖面(单位：m)

图9 注浆加固孔终孔交圈

注浆完成后，通过打设检查孔、测定土体含水率、观察工作面浆脉情况等方式对注浆效果进行评价。检验结果表明，检查孔内无渗水，水泥颗粒明显，注浆前土体实测含水率为23%～25%，注浆后土体含水率为13%～16%(含水率降低约10%)，注浆后工作面浆脉分布见图10。

图10 注浆后工作面浆脉分布

(4)DK332+876.2～DK332+823.2段采用黄土Ⅴb型复合式衬砌、三台阶大拱脚临时仰拱法施工。DK332+887～DK332+848.2段二衬主筋由φ22 mm调整为φ25 mm；分布钢筋由φ14 mm调整为φ16 mm。

(5)在DK332+887～DK332+823.2段基底邻近土石界面处，采用φ89 mm钢管桩进行加固，壁厚5 mm，间距为0.6 m×0.6 m，梅花形布置，端头伸入土石界面距离不小于0.5 m；注浆料为硫铝酸盐水泥浆。

6 监控量测

后续施工过程中加强了监控量测工作。以典型断面DK332+880为例，其地表沉降、拱顶下沉、洞周收敛变形曲线见图11；由图11可知，暗洞后续施工期间，各项监测变形值均较小且收敛迅速；地表沉降、拱顶下沉及洞周收敛最终变形值分别为56.4 mm，89.1 mm，14.1 mm，满足设计要求。

图11 DK332+880断面监测变形曲线

7 结束语

(1)隧道施工过程中，若隧道洞口土体含水量高(饱和或接近饱和)，洞内地层有“反翘”和“交错”现象，且隧底邻近土石界面，则可判断该地层可能存在滑动面。

(2)隧道穿越饱和黄土滑坡体，若滑坡体位移可控，则防护桩及坡脚反压回填不失为一种解决此问题的思路。

(3)隧道洞内帷幕注浆加固后，若工作面土体含有大量浆脉且分布层理清晰；后续施工过程中，工作面未出现渗水现象，未发生塌方、大变形等病害，则可初步判断：帷幕注浆加固土体的效果较好。