高含水率黄土公路隧道塌方涌泥处理方案

赵 栋

(陕西省交通规划设计研究院有限公司，陕西 西安 721000)

洞室开挖解除了拱顶围岩的竖向支撑，拱部围岩将向下发生变形，越软弱的的围岩底部成梁作用和侧向抗剪作用越弱，变形区范围越大。由于各层围岩性质的差异，开挖后空洞上方柱体围岩的重力平衡由原来的均匀体转变为孔洞上方围岩失去支撑后的成梁作用与洞顶围岩柱体四周剪力或摩阻力共同提供。软弱的围岩转换过程持续时间较久，对洞顶影响范围越大。对黄土隧道而言，自然沉积久远且未经水扰动的黄土具有一定的粘结力，保留一定的成梁能力和抗剪强度，塌方常沿节理面或软弱面产生，不致连锁反应至地表。但当受地下水扰动时，黄土饱和将失去自稳能力，塌方可以发展至地表产生冒顶。其原因多为土柱下方无成梁可以阻止变形，变形的增加导致滑动面的形成而出现空腔，空腔导致四周腔壁失稳，该过程连锁上行成为漏斗状陷坑。在完全没有自稳能力的黄土隧道段落，如果不进行围岩预加固，单纯采取普通的常规支护由于初支不密贴和刚度不足的问题，无法阻止土体位移，产生较大规模塌方的概率增加，影响了施工安全性的同时也增加了工程造价。本文以西安外环高速公路白鹿原隧道黄土隧道塌方处理实践为例，介绍高含水率黄土隧道的的塌方处理方案。

1 隧道概况

西安外环高速公路白鹿原隧道采用双向六车道高速公路标准设计，设计时速120 km/h，最大埋深135 m，隧道全长2 820 m，最大埋深133 m。该隧道共设置车行横洞3处、人行横洞8处。隧道进口左右线间距最小为37.0 m，出口左右线间距最小为34.3 m。

隧道洞身段位于黄土塬下部含水层内，该段塬面起伏变化较大，塬面自东南向西北倾斜，海拔680～780 m，东北侧高出灞河240～320 m，西南侧高出浐河150～200 m。隧址区揭露地层由老至新依次有新近系泥岩，中更新统黄土(Q2eol)和上更新统黄土(Q3eol)。隧道涌水量较大，左线达到13 494 m3/d，右线为13 477 m3/d。隧道所在塬面起伏变化较大，塬面自东南向西北倾斜，海拔680～780 m，东北侧高出灞河240～320 m，西南侧高出浐河150～200 m。隧道大部位于饱和黄土层内，为典型的高含水率黄土公路隧道。

2 塌方情况

自雨季以来隧址区域连续强降雨影响，塌方涌泥、冒顶段落围岩长时间受大气降雨补给，含水量增大，使围岩全部泥化，完全失去自稳能力，开挖车行横洞时发生了塌方。洞内出现了较大规模涌泥，塌方两侧涌出，挤进主洞，洞顶出现圆形冒顶，地表出现了较大陷坑，如图1所示。

图1 地表陷坑与洞内涌泥情况

2.1 塌方经过

隧道出口准备开始破除车行横洞预留洞口初期支护，切割二衬混凝土，准备车行横洞施工。9月28日凌晨，开始切割车行横洞预留洞口拱架，拱架切割完成后，车行横洞掌子面拱部范围发生滑塌，土体滑移至主洞，距离约5 m，整体呈斜面状。滑塌发生后，现场采取了喷射混凝土加泵送混凝土等措施进行封闭，随后拉土反压。

2.2 原设计情况

原设计该段主洞围岩为V级围岩，洞室埋深约60 m，洞室围岩主要为新近系泥岩泥质胶结、Q3黄土及Q2黄土，遇水、暴露黄土遇水软化。围岩稳定性差，可能出现坍塌，地下水富集，开挖过程中可能出现突水、涌水现象。从开挖及塌方情况来看，现场情况基本与勘察资料一致。

该段原设计车行横洞的支护参数为超前支护采用加强超前支护类型，环向间距40 cm。初期支护：钢架采用I18工字钢，加强段纵向间距60 cm，普通段纵向间距80 cm；Φ8单层钢筋网，间距20 cm×20 cm；24 cm厚C25喷射混凝土，系统锚杆采用Φ22药卷锚杆，长3.5 m，环向、纵向间距1 m；锁脚采用Φ22锚杆，长度3 m。设计预留变形量10 cm。模筑C35混凝土衬砌厚40 cm。

主洞与车行横洞交叉段的支护参数主要为超前支护采用Φ50 mm×4 mm超前小导管，长5 m，环向间距40 cm。初期支护：钢架采用I25a工字钢，纵向间距50 cm；Φ8双层钢筋网，间距20 cm×20 cm；31 cm厚C25喷射混凝土，系统锚杆采用Φ22药卷锚杆，长4.5 m，环向、纵向间距1 m；锁脚采用Φ50 mm×4 mm钢管，长度5 m。设计预留变形量25 cm。模筑C35混凝土衬砌厚65 cm。

2.3 塌方原因

塌方段受连日降雨影响，洞周土体已趋饱和。加之隧道位于含水黄土层内，塬心地下水位较高，黄土塬附近秦岭各峪口地下水补给来源较多，围岩富水无自稳能力。经开挖扰动后，洞顶土体失去约束后向洞内蠕变使初支发生变形，松动圈的位移层层传导增大初支结构受力。最终越过极限平衡状态，在塌方瞬间由于冲击作用产生更大空腔。空腔引发洞室上方土体连锁反应直至地表。

3 塌方处理方案

3.1 紧急处理预案

塌方发生后采用紧急预案尽可能减少次生施工风险。为了稳固掌子面围岩，便于地质灾害处理，同时保证不发生次生灾害，首先进行坡面防护与坍塌体加固，再进行车行横洞封堵。

(1)设置监测点，待塌方体稳定后，再开始应急处置施工。

(2)反压塌方体。安排随车吊，运送预压墩袋，将墩袋吊运至坍塌体坡脚位置，码放两层，固定坡脚。

(3)塌方体加固。对整个坡面进行挂网喷浆防护，同时设置泄水孔，将涌出来的泥固定。

(4)抽排积水。对塌方体积水进行抽排，防止长时间浸泡塌方体。

(5)车行横洞封堵。待整个坡面挂网喷浆施工结束后，在车行横洞口，采用人工装填碎石砂袋，对车行横洞口进行反压回填处理。车行横洞口反压后，挂设钢筋网片，设置泄水孔排水，再喷射混凝土，将车行横洞口完全封闭。

(6)采用镀锌铁丝石笼对塌方体涌泥进行支挡。

(7)对洞顶塌陷外周安装围挡。沿冒顶范围四周安装围挡，将整个冒顶区域完全封闭。并设置足够的警示标牌、爆闪灯等，禁止无关人员靠近。

(8)挖天沟截水。沿冒顶范围四周，挖截水沟，确保塌陷体四周排水通畅。

(9)洞顶彩条布覆盖。为防止渗水进一步进入围岩，采用彩条布对塌陷体进行覆盖处理。先在塌陷体上方拉钢丝绳，组成防护网，再在防护网上面覆盖彩条布，阻止雨水进入塌陷体。待天气好转，再进行塌陷体回填处理。

3.2 塌方治理方案

结合塌方实际情况，初步建议现场采用地表+洞内处理方式进行塌方处理。对洞内塌方体采用大管棚进行上半断面帷幕注浆。同时对洞内情况进行检测和监测。视变形情况进行处治。洞内的后期加固应在地表加固完成后方可实施。同时在地表对隧道周边围岩采用垂直高压旋喷桩加固处理。采用地表高压旋喷桩施工加固围岩不仅可以起到防渗帷幕作用，同时固结塌方体，增大粘聚力和内摩擦角，提高土体强度，防止出现坍塌，可以限制地下水的渗流，降低动水压力，为洞内进行加固处理提供安全的施工环境。地表高压旋喷浆施工时桩径可采用Φ600～800 mm，加固范围内梅花形布置，桩间距根据桩径和范围灵活设置。目前高压旋喷桩工法主要有RJP和MJS两种，较先进的工法实现了地内压力监测和孔内强制排浆，防止地表隆起并提升了注浆效果，施工时对地表及周边影响较小，并最大限度的保证施工加固效果。通过地表高压旋喷，可以极大的对洞周围岩进行改良，从而提高围岩自稳能力。

高压旋喷桩采用三管法施工，其中水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥。桩身28 d龄期无侧限抗压强度不小于2.0 MPa，室内混合料试块标准养护条件下28 d龄期的立方体抗压强度不宜小于3.0 MPa。施工前先进行成桩实验性施工，以确定适用于本黄土地层的水泥浆浓度、冒浆量、喷射压力、旋喷提升速度等施工工艺参数，并根据相关规范确定质量评定和检验方法。为正式施工提供依据，试桩数量不得少于5根。最终要对加固效果和范围进行检验。实施过程应加强洞内及地表监控量测，出现异常及时预警、及时处置。

地表垂直高压旋喷仅在洞室隔水层上方10 m以下范围内旋喷，底部成桩尽可能对洞室行车幕墙围护，在施工能力和造价控制方面进行适当调整。钻孔上方钻孔利用冒浆填充，最后采用种植土进行孔钻孔顶段回填处理，地表旋喷完后对塌陷区域进行二次处理，确保塌方上方土体不致汇水。具体的塌方处理方案应根据各方案步骤的处理效果进行动态设计，结合实际处治效果灵活调整。

4 结 语

黄土隧道塌方治理无论是施工难度和施工风险都较大。且黄土隧道的塌方原因较为复杂，涉及到设计理念、技术方法和管理手段等不同层面的问题。只有采取合理的隧道开挖及支护方法，才能防患于未然，将塌方事故风险降低到最低。在施工中对判定为失去自稳能力的高含水率隧道，不应一律套用柔性衬砌和围岩变形时机支护理念，特别是对一些穿越重要段落的隧道，可以预加固、盾构或预制拼装衬砌为备选方案进行各方面比选，复合式衬砌应结合围岩预加固等手段充分控制变形及早控制围岩位移，减少进尺长度加快初支刚度和施工速度，或提前形成加固圈，尽可能减少被动式的阻止黄土地层变形。对位于含水层的洞室应尽可能采取抬高路线或绕避方案。不可绕避的情况下采用盾构施工造价过高，一次模筑施工速度太慢，或许采取机械化开挖拼装一体台车从而快速拼装预制管片也可能是解决高含水率黄土隧道施工难题的有效途径之一。