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1、黄土隧道不良地质危害分析与技术对策摘 要 结合宝兰二线天兰段分析了富水黄土质隧道特殊地质现象、危害诱因，通过工程实践有针对性的提出技术对策，为同类地下工程施工提供技术参考。关键词不良地质，危害诱因，技术对策1 隧道地质概况宝兰二线天兰段新松树湾隧道位于甘肃省陇西地区，全长为1726m，所穿大营梁为渭河水系和祖历河水系的分水岭。其主要地形地貌、地质、水文情况为：1.1 地形地貌隧道新穿大营梁划属黄土梁峁区，地形起伏，切割严重。隧道附近较大的冲沟：南坡（进口端）主要有碱沟、北坡（出口端）主要为华家湾沟，由于下蚀深切，沟深均在10 40m左右，沟床纵坡一般为 160 200，“ V”型沟槽。沟底塬顶
2、相对高差 200m,冲沟两侧较平缓处均已辟为耕地 , 余为荒地。1.2 地层岩性隧道范围出露地层为上更新统风积粘质黄土和中、下更新统滨湖相杂色砂粘上与冲积粘质黄土，岩性分述如下：粘质黄土（ Q3eol3 ）淡黄色，棕黄色，厚 020m，土质较均，具孔隙及虫孔，局部含白色钙丝及钙质斑点，半干硬 硬塑状，级普通土 , 类围岩， 0=150kPa, 具级自重湿陷性。杂色砂粘土（ Q1-2l2 ）：灰色、灰黑色为主，土质不均，具有层理，结构紧密，以粉粒为主，夹砂层及砂、砾石透镜体，含有机质及盐碱，局部见有贝壳碎屑。土体工程性质差，主要表现为强崩解性，一定的膨胀性和渗透性，较强的腐蚀性等；自稳能力差，开
3、挖暴露不久便开始风化剥落，在含水量较大的河岸边坡处往往产生塑性蠕滑变形，自然稳定边坡一般在 1：2 以上；土体中渗出之水苦涩，蒸发后表土泛白，盐碱析出。主要物理力学指标：W=19.6% 23.5%，p=1.99 2.118/cm3 ， e=0.583 0.682,Sr=93.4% 100%,WL=28%30.4%, WP=16.6% 19.2%。半干硬 - 硬塑者，级普通土 , 类围岩 , 0=200250KPa；软塑流塑者 , 级松土 , 类围岩 , 0=100120KPa。粘质黄土（ Q1-2al3 老黄土）：黄色，褐黄色，土质均匀，结构紧密，层理不显，垂直节理及裂隙发育，土体半干硬状态为
4、主，局部呈硬塑状，渗水的节理裂隙面附近呈软塑状，级普通土 , 类围岩 , 0=150 200KPa。1.3 水文地质本隧所在大营梁地区属中温带亚干旱山地气候区，年平均降水513.3mm，隧道进、出口及两端引线走行于碱沟和华家湾沟与松树湾垭口，构成了三面汇水态势，对地表水的汇集和地下水的发育极为有利，故隧道进，出口及沿沟岸坡多股泉水出露，隧道施工中地下水发育。工点范围地下水主要有两种类型：一为上层滞水，二为裂隙囊状水。前者多以下降泉形式于风积粘质黄土与杂色砂粘土的接触带出露，埋深一般1530m，其含水层及含水量大小主要受接触面形态控制，为附近老百姓主要生活用水；后者无稳定的含水层和水位，囊状水含
5、水层稳定，水量相对稳定并量大，受气候的影响相对较小。经定测勘察，临近既有隧道内渗水量为 16 18.8m3/d ，地下水对砼具侵蚀性。2 不良地质因素分析3.1 湿陷性黄土隧道进出口及洞身地表分布的第四系上更新统风积粘质黄土具级自重湿陷性，湿陷土层厚约 8m。3.2 杂色砂粘土的强崩解、弱膨胀性、腐蚀性与塑性蠕变性杂色砂粘土的滨湖相成因类型，决定了其色杂，粒度混杂夹粗粒含水层，富含有机质和盐碱等特性。该土构成的山梁、边坡浅表含水量较少，为半干硬状态之外，余多为可塑状，并含有裂隙囊状水；扰动前土体结构紧密，开挖扰动后往往有回弹松胀现象，一经暴露易变松软和风化剥落，每逢雨季和春暖消融时节，易出现塑
6、性蠕滑变形并引起上覆黄土滑坡。土体所含盐碱使通过的地下水水质变差，对砼具较强侵蚀性，使砼变得酥松，易于风化剥落。土体干时坚硬，遇水软化崩解，虽未达到膨胀土标准，但确具有比一般土较大的膨胀性，土的工程性质极差。3.3 滑坡鉴于隧道所在地形地貌，地层岩性，水文地质条件，决定了工程所在山坡稳定性差，滑坡发育，工程措施不当，易引发新的工程滑坡。3.4 地下水及黄土节理水发育与否是关系到黄土质隧道能否安全施工的关键因素。与岩石相比，土体强度低，变形大，自撑能力小，含水量或水的侵蚀对其力学性质的影响非常显著。干的老黄土十分坚硬，整体承载能力较高，但被水浸泡，达到饱和状态后，呈软塑、流塑状，强度大大降低。该
7、隧穿过地层为砂粘土（Q1 2），土层除上部薄层含水量较少，为半干硬状态外，其下多为可塑状，并富含裂隙水。局部含砂层或裂隙发育，地下含水量丰富，开挖面常带“汗露”现象，土体内节理发达，呈X 型，不规则分布，成对出现，并有一定的延续性。在水的作用下，土体开挖后会迅速崩解，强度骤然降低，围岩自稳能力极大消减。由于黄土的崩解性、湿陷性和弱膨胀性，隧道开挖后土体容易顺着节理胀松或剪断，出现片帮和顶部小塌方，施工处理不当甚至引起较大的坍塌。另外，土体渗透性较好，逢雨季和春季解冻消融时期，工作面多出现塑性溜滑，技术预防措施不及时，就有可能酿成大的安全事故。3.5 黄土具自重湿陷性湿陷性黄土遇水后会发生严重下
8、陷，致使突然下沉，使开挖后的围岩迅速丧失自稳能力，如支护措施不能满足其变化情况，极易造成塌方。3.6 黄土溶洞与陷穴、直切冲沟等地质病害黄土溶洞与陷穴、直切冲沟等地质病害在黄土地区较为常见，极大程度影响隧道安全掘进，可能造成基础下沉、塌方冒顶、承受偏压等危险。隧道在较长范围内沿冲沟或源边平行走向，或与其他地下空腔结构临近，容易造成覆盖层较薄或偏压，从而发生较大塌方和滑坡事故。3 主要工程危害诱因分析施工过程中，在DYK1600+841 +892 段发生了险情，此段初期支护完成后7 天左右，两侧起拱线下2M左右出现收敛突变，水平收敛3070CM，并发展为初期支护断裂，缝宽最大 30CM。经分析，
9、主要原因是施工期正值雨季（2001 年 5、 6 月），降雨量较大，围岩软化，加之设计地质勘测探孔只有一个，多依赖既有隧道地质情况，结论失准，支护措施薄弱，由设计类围岩进入类后实际地质情况没有明显好转，但支护设计发生了较大消弱变化。出现变形后立即采取了措施，包括钢木临时支挡，隔段拆除初喷，侵限段增加自进式锚杆，重新支立加固，变更格栅刚架为型钢，缩小间距，应急隔段衬砌，加设钢筋网，变形量测延长时间为15 20 天。通过处理和支护措施的变更，未出现塌方等事故，及时控制住了围岩变形恶化，经过1 个多月的抢救处理，安全通过了此危险段，以后施工中均按变更后支护措施（主要为变1 榀 /1m 格栅钢架为3
10、榀/2m 型钢钢架，增设D30自进式系统锚杆）进行，未出现任何险情与安全事故。3.1 地质变化原因分析本隧勘测时位置起初在既有隧道的左侧，并据此在左线隧道进、出口附近钻探浅孔个，加上既有线隧道洞身段50 年代 2 个深孔，总计有钻孔5 个。由于左线隧道方案拆除既3有防护工程多、与既有线运营干扰大、隧道相对较长，鉴定时将隧道位置改在既有线右侧目前位置。鉴于隧道位置变化不大和工期紧迫，隧道位置改移后再未进行钻探，这是对目前新树湾隧道洞身段地层岩性掌握欠准的原因之一。隧道所在下部杂色砂粘土为滨湖相沉积，亦即古湖盆的边缘 - 湖滨沉积，岩相、颜色、粒度、厚度等变化较大，难以把握，这是岩性变化较大的原因
11、之二。好在岩性变化整体上讲趋于好转，对隧道围岩和施工的影响不大。3.2 施工措施变更的原因分析本隧类围岩段主要为第四系中、下更新统滨湖相杂色砂粘土，设计时按软塑状态提供参数。施工开挖时，杂色土围岩实际以硬塑状态为主，随开挖暴露，地下水“汗”状渗出，围岩逐渐软化、松胀、甚至剥落、掉块，加上杂色土的弱膨胀性，造成洞内拱顶及水平收敛数值偏大而引起变更。由杂色土组成的类围岩段 , 由于其工程性质较类围岩段的杂色土没有明显好转，多数情况相同，个别因地下水作用而偏差，所以施工开挖时根据现场实际情况，或者调整变更了围岩类别并相应加强了施工措施 , 或者围岩类别未动，只对隧道初期支护的措施进行了调整或加强。由
12、第四系中、下统老黄土组成的类围岩段，设计时按半干硬- 硬塑状态的杂色砂粘土提供参数，施工所遇为结构致密，半干硬状态为主的老黄土，该段岩性趋好，围岩类别没变，但由于老黄土中密闭的垂直节理、裂隙发育，上覆杂色土中地下水的入渗及施工期间几场较大降水的补给，围岩因开挖卸荷而节理、裂隙张开，地下水入渗，使原本较致密，干硬的围岩松胀、软化（节理、裂隙及附近土体因含水而多呈软塑状态，在不同段落取样 11 组，结果为 W=30.8%-36.2%）故而产生了更大的洞内收敛（最大收敛量达454.8mm），导致部分段落初期支护渗漏水直至变形、开裂、侵限，由此采取了凿除重做的处理措施。二次衬砌没有做到紧跟，初期支护无
13、力抗衡日趋增加的土体压力，并且在初期支护做完后，拱墙又为防水板遮盖，影响了对变形、开裂的观测和量测，也是变形发生、发展的原因和诱因。对收敛观测记录分析表明，洞内收敛变形 400mm的地段在进口端 1068m总计长约 420m，出现部位在 DYK1600+490 +660 段地表为一沟槽； DYK1600+690 +840 段为杂色土与老黄土的接触带； DYK1600+930 DYK1600+030段隧道埋深最大，山顶线路附近地表有冲沟或陷穴，分析老黄土与杂色土界面为洼地。而初期支护渗漏水，变形、开裂、侵限段（ 3 段，长 230m）就发生在进入老黄土前后的 230m段，随后掌子面（ DYK16
14、01+014）停止掘进，处理变形（ 2001 年 7 9 月），此后在改变初期支护形式，衬砌做到紧跟后收敛变形量明显减小（最大152mm）。4 主要技术对策4.1 大断面黄土隧道的变形控制技术保证措施对于大断面黄土隧道与石质隧道的最大不同点之一就是拱部沉降和拱脚收敛比较大。施工前提前做好地质超前预报工作，加强地应力检测 , 根据预报结果，确定合理的开挖进尺和支护参数，施工中采取短进尺、强支护的方法，并加强对洞内周边及洞顶的监控量测，根据监测结果确定隧道留有足够的预留变形量。施工中备足各种物资、材料、机具，提前加工好各种支护构件，并运至洞内适当位置存放，开挖后进行快速支护，开挖支护完后衬砌紧跟。4.2 开挖及排水技术措施黄土隧道施工，做好黄土中构造节理的产状与分布状况的调查，对因构造节理切割而形成的不稳定部位，在施工时加强支护措施，防止坍塌，以策安全施工。黄土围岩开挖后暴露时间过长，围岩周壁风化至内部，围岩体松弛加快，进而易发生坍方；隧道开挖宜采用短台阶法或分部开挖法（留核心土），初期支护紧跟开挖面；必要时采用超前锚杆、管棚支撑加固围岩；初期支护基本稳定后，进行永久支护衬砌；衬砌背后回填注浆要密实，尤其是拱顶回填。做好洞顶、洞门及洞口的防排水系统工程，并妥
