湿陷性黄土公路隧道塌方浅析

湿陷性黄土公路隧道塌方浅析

【摘 要】本文针对湿陷性黄土隧道的地质特点，研究了湿陷性黄土地质条件下处理隧道塌方的要点，分析了塌方的形成机理，并给出了塌方的处理措施，提出了相应的施工要点，并得出了处理湿陷性黄土隧道塌方的一些建议。

【关键词】湿陷性黄土；公路隧道；塌方；施工方法 ０．引言

西部大开发战略决策的实施，促进了西部地区高等级公路的发展，穿越黄土地区的公路隧道将越来越多。黄土是第四系堆积的陆相沉积物，其特点是具有大孔隙、有垂直节理和管状孔道，天然含水量时强度较高，能维持很高的垂直边坡，但遇水时土颗粒崩解，表现为较强的湿陷性。由于黄土分布的广泛性和典型的工程特性，历来受到工程界和学术界的重视。黄土公路隧道的修建起步较晚，基本借鉴了铁路隧道在此方面已有的科研成果。这些建设经验的总结，基本体现了我国对黄土隧道的认识水平。公路隧道由于大跨径、大断面和扁坦状以及防水等级较高，加之黄土强度较低，开挖扰动后变形大以及黄土的水敏感性等特点以及由此引起的施工地质灾害的特殊性。已建和目前在建的黄土公路隧道都发生了不同程度的施工地质灾害，而研究公路隧道施工灾害预防将在公路隧道建设工程经济及安全生产方面产生极大效益。

本文就湿陷性黄土地区的隧道塌方，给出了相应的施工方法和处理对策。 1.工程概况

该黄土隧道穿越部分湿陷性黄土地段，且埋深较浅，为双向行驶分离式双车道隧道。隧道净空9.25m，限高5m，最大开挖跨度11.9m，最大开挖厚度10.25m，左线长度360m，右线长度393m。隧道按新奥法设计施工，衬砌设计为曲墙复合式衬砌。隧道穿越黄土地段时，极易发生塌陷。

2.塌方形成机理

洞顶掉块、塌方及冒顶病害规模一般较大，且具突发性。主要发生在隧道进出口洞段或围岩条件(地层岩性或水文地质条件)发生突变的地段(土石交界面、泥岩夹心或地下水富集地段)。

塌方是隧道围岩的自承能力不足的结果，因此，对于黄土隧道，塌方主要由黄土的类型及其物理力学性质、结构、构造以及渗流场状态决定。

黄土垂直节理发育，彼此在水平方向的连接力较弱。干燥时，黄土的强度较高，衬砌受力较小，遇水后颗粒联结力削弱，黄土强度随之降低，此时极易引起衬砌受力不均匀，并且由于隧道表层黄土厚度分布多不均匀，从而在黄土梁筛区隧道易形成偏心压力，成为偏压隧道，造成塌方等地质灾害。开挖后黄土隧道在应力重分布过程中必然产生拱顶沉降和拱脚收敛，当沉降过大，收敛不同时就发生掉块、塌方、坍洞、冒顶等灾害。

3.塌方处理方案

坍方处理按照“小坍方，先支后清”、“大坍方，先棚后穿”、“治坍先治水”的原则。

由于是黄土隧道坍方，在前方坍方不明的情况下，若采用清方处理会导致围岩继续失稳，用注浆加固则需准备时间。分析后确定处理方案为:选用超前管棚和超前小导管加固坍体。

3.1 管棚、小导管超前预支护

沿拱部设计轮廓线外环向设置超前小导管， 注浆顺序为从两侧拱脚到拱顶，保证开挖轮廓线外的环状固结坍体有一定强度和密实度。

3.2 塌方空腔处理方案

确定坍方空腔处理方法的基本原则是:不清渣，对坍穴不扰动，人为将坍体坡面低于开挖轮廓线的地段回填至开挖轮廓线以上一定高度，为暗挖创造条件。但是考虑到坍穴仍有随时掉块的可能，施作时施工人员、机械设备没有安全保障，结构还必须确保稳定，确定采用“护壳暗挖法”通过坍体，即:稳定坡脚，封闭坍体，对坍体渣面低于设计拱顶标高的地段进行回填，并在坍体上做混凝土防护层，然后采用超前小管棚暗挖通过坍体。

3.3 坍体开挖

坍方体的施工始终坚持“稳坍体、管超前、小进尺、多循环、少扰动、快封闭、勤测量、速反馈”的原则。坍塌体开挖方法为环形开挖预留核心土法。

3.4 置换拱架

钢架拆换在洞内变形停止后实施，钢拱架拆换每次拆换1榀，且拆换在尽可能短的时间内进行，拆除后及时架设新拱架和喷混凝土。

3.5 仰拱施工和二衬

当上台阶开挖、支护进尺达15m以上时，进行仰拱施作，尽快使衬砌支护形成闭合圈。仰拱施工完成后随即完成断面二次衬砌。

3.6 地表坍塌处理

二衬混凝土达到强度后，对塌穴进行夯填。 4.预防塌方措施 4.1施工要点

初期支护在隧道开挖后及时施作，初期喷注砼严格按设计要求施工，钢筋网片使用前应消除锈斑。每榀拱架之间必须连接牢固，锚杆、钢拱架、钢筋网必须焊接于一整体。钢拱架同开挖线之间空隙，必须用混凝土垫块垫实，并用喷射混凝土充填密实。为确保初期支护的最大可靠承载力，施工时必须确保钢拱架及喷锚网用喷射混凝土全部覆盖且密贴围岩。

在开挖及支护时应该力求轮廓线准确，封闭迅速以控制超挖。对于已超挖的部位应用同等级的混凝土回填密实，严禁空洞存在。否则可能因空洞处的围岩进一步剥落而延及附近围岩，从而产生大的崩塌甚至导致支护变形。

妥善处理好渗入洞内的地下水和各种施工用水是湿陷性黄土隧道施工得以顺利进行的关键环节。

①地下水的处理:围岩裂隙水渗入洞内将浸泡洞内的黄土路面，影响施工车辆运行，从而影响正常的施工作业。因此，应在边墙开挖及支护后于洞的两侧及时修筑临时浆砌水沟，及时排出围岩裂隙水。

②施工用水的管理:要妥善管理好洞内的各种施工用水，严防因施工用水浸泡洞内路面而影响施工。

4.2 监控量测要点

围岩及初期支护的监控量测是新奥法设计施工的重要组成部分，也是完善设计和施工的重要手段。只有通过对围岩开挖和开挖支厚片石且潜护的过程进行施工监测，才能及时掌握围岩及初期支护各阶段的支护稳定的动态规律，随时对围岩的稳定性以及施工措施的可靠性进行判断，为及时合理地改进开挖方法，调整支护，指导施工提供可靠依据。

5.处理湿陷性黄土隧道的建议

（1）施工中采用预留核心土的弧形开挖法可以缩短开挖时间，为初期支护作业提供工作平台，有利于改善掌子面受力状况，增加围岩的自稳能力。

（2）二衬紧跟是预防坍方的重要环节，可达到开挖一段巩固一段的目的。 （3）施工中对围岩的地质变化观察不可忽视，特别是出现渗水的土体极有可能坍方，应采取强支护手段和引排水措施。

（4）采用超前管棚或小导管处理黄土隧道坍方是行之有效的办法。施工中应遵循“先排水、弱爆破、短开挖、强支护、快衬砌、勤量测、少扰动”的原则。

（5）施工中对地表下沉的观测、坍方地段拱顶下沉的观测以及正常的拱顶下沉和水平位移观侧，能预测、检验围岩的稳定，便于采取有效防范措施。量测信息反馈在预防和处理坍方施工中是不可缺少的，它起着重要的指导作用。

（6）在黄土质砂黏土及新黄土浅埋地层，如洞口段、沟谷段、偏压段应采用超短台阶开挖，随挖随支，衬砌紧跟，尽量缩短衬砌与开挖距离，减少围岩暴露时间，必要时设超前支护，以安全通过为主要目的。

（7）黄土隧道施工时应及时发现一些隐患，如地表对线路有影响的陷穴、陷坑应及时回填，对地形偏压、人工回填土层等时应谨慎施工，洞内施工时应加强施工支护或进行超前支护。

（8）加强施工用水管理，保持洞内排水畅通。如水池远离线路，以防止其成为坍塌的诱因。洞内用水管理有序，排水应畅通，严防软化地基导致坍塌。

（9）对已产生塌方的隧道，对塌方段衬砌背后空洞必须回填密实，衬砌厚度必须按设计要求施作，以防止留有隐患。

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