湿陷性黄土隧道富水进洞滑塌分析与处理技术

李洪江

摘 要：安全进洞是隧道施工的重点，对于湿陷性黄土隧道尤为重要，如何防止进洞过程中的湿陷性黄土在富水条件下的滑塌，以及滑塌后的处理是该类工程的关键。结合固原至海原公路工程炸山嘴隧道进洞段出现的两次滑塌事故，通过系统分析工程地质、水文、气象和工程措施等因素，详细阐述了湿陷性黄土地区富水地段因隧道进洞导致滑塌的处理措施及施工技术，并提出了湿陷性黄土隧道富水地段安全进洞的施工技术见解，可以为后续类似工程的安全施工提供借鉴。

关键词：黄土隧道 进洞 富水地段 滑塌 处理措施 施工体会

中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）03（c）-0037-03

目前，我国正在按既定目标进行着大规模的基础设施建设，在大规模的建设中，交通工程的建设是重中之重，穿越黄土的公路、铁路也随之增多[1]。黄土有着很强的结构性和水敏性，这使得其广受工程师和学者的关注。当隧道通过黄土地区时，黄土本身的软弱特点极易引起巨大变形，加之隧道进洞段埋深较浅，围岩自稳能力较差，如果受水影响其湿陷性将引起边仰坡的滑动，甚至垮塌[2]。数据表明，大量的黄土隧道在施工中都发生了坍塌的事故，而且目前在黄土隧道设计与施工中还处于经验阶段[3]，因此，如何正确防止及处理黄土隧道滑塌，保证黄土隧道进洞安全进洞显得尤为重要。

该文结合宁夏固原至西吉公路炸山嘴隧道的洞口段施工中出现的滑塌事故，对湿陷性黄土隧道富水段进洞滑塌事故和处理技术进行了分析。

1 工程概况

国道309线固原至西吉公路工程设计为一级公路，设计行车时速80 km/h，炸山嘴隧道（双洞四车道）为分离式长隧道，隧道进口位于固原市原州区中河乡庙湾村，出口位于西吉县偏城乡偏城村附近。炸山嘴隧道设计的基本情况见表1。

根据固原市原州区固原气象台站多年气象资料统计，其多年平均降水量389.7 mm。降水多集中在7、8、9三个月份，年蒸发量平均1 550 mm。年平均气温5.5 ℃左右，最低气温（1月）-30.4 ℃；最高气温（7月）34.5 ℃。每年11月至次年3月为冰冻期，最大冻土深度1.21 m。

隧址区为清水河水系，清水河是宁夏境内直入黄河的第一大支流，发源于固原县开城乡黑刺沟脑，在中宁县泉眼山汇入黄河，全长320 km，境内流域面积1 351.1 km2，河源海拔2 489 m，河口1 190 m，河道平均比降1.49‰。流域内多年平均降水量335 mm。隧址区进口附近为大路沟河的源头，为季节性河沟，丰水季节有细小流水，勘察期间未见地表水。出口3 km以外为店子洼河，该河为季节性河流，勘察期间有少量流水，水量为86.2～150 m3/d。

隧址区为六盘山北脉，地貌单元属侵蚀剥蚀中低山区，山脊高程在2 000～2 200 m左右，相对高差100～200 m，山脉呈南北走向，地势总体趋向呈北西高、南东低。洞身地形中部高，两出口地段地形较低，地形起伏较大，海拔高程2 000.50～2 180.00 m，相对高差约180 m。

地下水主要受地质构造、地貌、岩性、气候和古地理等条件的控制和影响，可分为第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水。出口左侧有泉水出露，流量为1.6～3.3 m3/d，所有钻孔中均有地下水，且隧道标高低于稳定水位，因此，在隧道施工时可能有地下水涌出。隧址区位于中温带干旱区大陆性季风气候，降雨量少蒸发强烈，其涌水量应该不大。但是在雨季，特别是连续降雨时段，因持续降水，隧道内可能会出现涌水现象，特别在隧道进出口和隧道ZK25+220～500、YK25+223～503段可能会呈股状流出。

左线ZK25+950～ZK26+004，右线YK25+908～YK25+972属于隧道出口浅埋段，围岩等级Ⅴ级偏弱，穿越地层为第四系新黄土和下第三系始新统清水营组（E3q）泥岩、砂质泥岩，新黃土具自重湿陷性，岩体属半成岩的极软岩，岩性呈散体状。

2 隧道进洞过程

2.1 原设计施工情况分析

炸山嘴隧道首先施工左洞，洞口仰坡设计坡率为1∶0.75，且仰坡开挖土体表层为湿陷性黄土，且存在出水点，为保证土体稳定，在施工隧道出口段边仰坡时，将坡率减缓为1∶1，具体施工过程为：首先施做截水沟，截水沟至坡顶开挖线5.0 m，布设沉降观测点，以备开挖时同步进行观测，然后进行仰坡开挖，施做砂浆锚杆及喷锚。仰坡开挖至洞顶标高位置时（下挖高度8 m），洞顶出现一渗水夹层，随后出现明显渗水，施工过程中出现局部滑塌，滑塌深度4 m。

根据现场滑坡的情况，对坡体坡率再次进行减缓处理，坡率更改为1∶1.5，坡体分两级开挖，增设2 m平台，并严格按照逐级开挖逐级支护的要求及时进行锚喷支护。随后该地区出现连续5天降雨，坡体因渗水及连续降雨的影响，在仰坡施工至套拱顶1.5 m处时，坡体发生严重滑塌，滑动坡面开口线位于一级平台位置，距设计套拱顶垂直高度9.0 m（轴线桩号ZK25+975），如图1所示。事后对土样进行检测，实测该滑动面土质含水率为20%～23%。

2.2 第一次滑塌处理方案及效果分析

事故发生后，施工单位联合业主迅速成立了隧道专家组，经过现场勘察，确定如下处理方案。

（1）清除坍塌体，明洞延长14 m，暗洞洞口加强段长度不变，V级围岩加强段减短14 m。

（2）仰坡面开挖坡比由1∶1放缓至1∶1.25，这样既保证了坡体稳定，又清除了坍塌体，同时又保证了坡顶原小路的安全。

（3）坡面采用钢管桩加强，以确保仰坡的稳定。

施工期间项目部同步开始变形监控量测工作，加强了对洞口地表沉降进行观测。现场根据处理方案恢复施工，先后完成了右洞出口段边仰坡施工、导向墙及大管棚施工。然而在左洞出口段仰坡施工完成后，右洞地表和左洞地表测点分别出现了10.33 mm和9.31 mm的日沉降值突变，导致左洞平台和右洞开挖边界处出现细小裂缝，同时伴随仰坡破面渗水的出现。随后施工单位采用水泥浆液灌缝、表面砂浆封堵等措施对裂缝进行了紧急封闭处理。

次日凌晨，隧道左洞左侧ZK25+976～ZK26+004明洞范围边坡发生突然滑塌，主要滑塌范围为右洞中心至左洞左侧边仰坡位置，右洞仰坡开挖线处已封闭处理的砂浆鼓起并开裂。距左洞开挖边线13 m处裂缝扩大，裂缝宽度最大达到10 cm，最大深度2.6 m，但无错台。左洞中央隔离带产生一条纵向滑移面，该滑移面内肉眼可观测到有泥质充填，并且表面光滑，已可观测到有滑动形成的错裂缝。待滑移稳定后，右洞出现明显渗水，每天渗水量约7方。经实地测量，最终滑移开口线距导向墙位置44 m，宽度90 m，深度26 m（至上述滑动面），塌体顶部距洞顶20 m。

2.3 第二次滑塌处理方案及效果分析

经现场专家会议详细讨论后，为了保证坡体的稳定，决定对滑塌体处理遵循先加固再处理的原则。整个处理方案按施工顺序分7部分。

（1）左线滑塌体大里程端采用改良土回填作为反压体（须设洞口核心反压体），右线实施护拱（5 m）后按原设计进洞。

（2）左线滑塌体分台阶进行碾压或强夯处理。

（3）左右线滑塌体小里程端未滑塌部分陡立壁面进行削坡（缓坡）处理。

（4）对左线滑塌体前后进行地表注浆固结。

（5）施工左线导向墙及超前长管棚，小里程10 m左右并辅以超前小导管，加强超前支护，大管棚结束采用小角度双层超前小导管。

（6）采用加强型衬砌（大格栅+型钢拱），以明洞暗进的方式进洞。

（7）施作洞门钢筋混凝土端墙。

同时因滑塌时当地降雨频繁，且降雨量较大，为防止降雨雨水冲刷及浸泡造成二次坍塌，需对坍塌断面及坍塌体进行了覆盖。在清除滑塌体表面锚杆、钢筋网及杂物后，对滑塌体进行强夯碾压处理。碾压完毕后对左洞明洞段回填10%水泥土处理，进行分层碾压，碾压厚度不大于30 cm，回填土与开挖结合部位采用台阶法处理，如此分层回填直至设计高度。对滑塌体开口线陡坎位置进行边坡处理，用挖掘机将坡面开挖成坡率为1∶2的边坡，分两级开挖，中间设15宽平台，开挖1级坡时对坡面进网喷防护。然后对左洞划塌体进行地表注浆处理，注浆孔采用梅花型布置。然后施做左洞导向墙，施工前在洞顶平台布置沉降观测点，进行沉降观测，导向墙向小里程倾斜，坡度为1∶0.1，长度2 m，厚度1 m，采用C30混凝土。导向墙内设4榀型钢加强；右线导向墙未破坏，大管棚也已施作，按原设计进行。导向墙施做完成后，采用单侧壁导坑法进行施工。

采用上述处理措施后，施工过程中监测数据显示，左右洞地表沉降均趋于稳定，洞口周边亦未发现明显裂缝。表明炸山嘴隧道滑塌事故达到了处理的预期效果，恢复了正常施工。

3 结论与建议

黄土隧道进洞施工时，虽大多会采取一定的超前支护措施，但遇到降水频繁或富水地层时仍有可能出现较大的初期支护沉降变形，甚至滑塌[4]。通过分析该工程发生的两次滑塌事故，并及时实施相应的处治措施，保证了工程的安全进洞。从中可以总结出以下几点。

（1）即使地勘显示隧道涌水量较少，黄土隧道施工仍需高度重视潜在滑坡体裂缝的注浆封堵处理，同时配合完善排水系统，防止因突发降雨，造成洞室涌水现象，对施工安全产生巨大威胁。

（2）黄土隧道边仰坡本身自稳能力较差，加之洞口施工，不可避免地會形成陡坎斜坡面，破坏自然坡角，形成潜在滑移面，极易产生滑塌。因此，对高边坡进行网喷加固，使其形成一个相对稳定的整体是很有必要的，同时若条件允许可配合抗滑桩对洞口段进行加固。

（3）在施工场地和条件允许的情况下，黄土隧道进洞应遵循“早进洞晚出洞”的原则[5]，适当延长明洞长度，起到锁定洞口的作用，减小进洞风险。

（4）超前管棚注浆支护对于隧道进口施工具有重要作用，但黄土隧道进洞时管棚施工应尽量避开雨天，防止管棚与土体间出现大量空洞，影响施工质量。

（5）重视监控量测，隧道进洞时需提前布置监测点，一旦数据发生异常应及时分析原因并暂停施工，防止安全事故发生。

（6）施工过程中，应根据现场实际情况结合监控量测数据对设计参数和施工方案不断进行优化调整，做到动态设计，可及时有效地遏制险情的进一步扩大。

（7）出现坍塌情况时，对滑塌体采用就地夯实并回填改良土体的方式较清除坍塌体更为合理有效。同时对未滑塌部分陡壁应及时进行削坡处理，并采用网喷防护。

参考文献

[1] 吉武军.黄土隧道工程问题调查分析[J].岩土力学，2009（30）：87-90.

[2] 邵生俊，杨春鸣，焦阳阳，等.湿陷性黄土隧道的工程性质估计[J].岩土工程学报，2013（9）：748-751.

[3] 姜通虎，霍三胜，叶飞，等.浅埋软弱破碎围岩隧道进洞施工技术研究[J].现代隧道技术，2011，48（3）：117-122.

[4] 王晓州，丁维利，赵永明，等.大断面湿陷性黄土隧道施工技术[A].客运专线工程技术学术研讨会[C].2008.

[5] 吉武军.黄土隧道工程问题调查分析[J].岩土力学. 2009（S2）：387-390.