曾憲明

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

一座長不足600 m的隧道,在地質(zhì)地形極為復(fù)雜的宜萬鐵路絕對是小巫見大巫,但就是這座隧道卻成為了宜萬線的“重點(diǎn)工程”！組織了多次專家會審、會商,花費(fèi)巨資才整治處理完成,病害整治費(fèi)用遠(yuǎn)高于隧道修建造價(jià)。一座長度短、地質(zhì)簡單的碎屑巖隧道為何成為宜萬線的一個(gè)難點(diǎn)工程。本文試圖就隧道所處的地形地質(zhì)條件及隧道坍塌的原因進(jìn)行分析研究,以期對以后的類似工程有所借鑒。

1 工程概況

石院子隧道位于宜昌長陽縣榔坪鎮(zhèn),為雙線隧道,起迄里程DK84+920～DK85+516,全長596 m。隧道南側(cè)依山,北側(cè)下臨正在施工的滬蓉高速公路,鐵路與高速公路相距約62～103 m、相對高差16～18m(如圖1所示)。石院子隧道為典型的傍山隧道,最大埋深45 m。

圖1 石院子鐵路與高速公路關(guān)系示意(單位:m)

隧道設(shè)計(jì)采用超前小導(dǎo)管2 m/環(huán)及超前錨桿2.4 m/環(huán)預(yù)支護(hù)、格柵鋼架0.5～0.8 m/榀布置,二襯為C25混凝土及C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);隧道進(jìn)口段為深路塹路基,塹坡高約10 m,設(shè)擋墻 +窗式漿砌片石支擋防護(hù),其中DK84+920～DK84+945段右側(cè)設(shè)計(jì)6根長20～24 m的預(yù)加固錨固樁。

隧道施工始于2005年6月,采用短臺階方法由出口向進(jìn)口單向掘進(jìn),隧道進(jìn)口段路塹尚未開挖。高速公路先于鐵路隧道開挖施工,路塹邊坡按1∶0.75～1∶1.75的坡率、8 m一級留4 m邊坡平臺進(jìn)行開挖,邊坡最高約52 m。下側(cè)的318國道于20世紀(jì)70年代修建,竣工通車約35年,國道路基邊坡高約3～5 m,邊坡基本穩(wěn)定。

2 工程地質(zhì)特征

2.1 地貌、地形特征

石院子隧道所處斜坡的自然坡度為5°～30°,植被較發(fā)育,多辟為旱地,民房較密集;山坡南北向沖溝發(fā)育,沖溝陡坎及山脊基巖裸露,溝內(nèi)塊石堆積。緩坡后部由碳酸鹽巖組成較陡斜坡,從后緣到榔坪河由陡變緩,基巖斷續(xù)出露。

2.2 地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造特征

地表覆蓋層為粉質(zhì)黏土夾少量碎、塊石,褐黃色,硬塑,厚0～8 m。線路左側(cè)山坡覆蓋層較薄,線路右側(cè)山坡較厚;沿線路方向宜昌方向較厚,萬州方向較薄?；鶐r為志留系砂頁巖地層。

工程區(qū)處在東西向構(gòu)造——長陽背斜北翼的單斜構(gòu)造部位,線路走向與構(gòu)造線基本一致,與318國道、滬蓉高速公路基本平行(見圖2)。

圖2 石院子隧道區(qū)構(gòu)造

在線路左側(cè)約280 m處為志留系頁巖與奧陶系灰?guī)r分界線,呈整合接觸;沿山脊地表坡面見有較大面積的基巖巖體出露,巖性為砂質(zhì)頁巖。高速公路路塹開挖揭示隧道工程及以下斜坡除表層為覆土外,大部為基巖。

巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,主要發(fā)育兩組節(jié)理,第①組節(jié)理,節(jié)理面產(chǎn)狀分別為90°∠76°(J1)、間距4條/5 m、延伸長度5 m,第②組節(jié)理,200°∠63°(J2)、間距4條/6 m、延伸長度3 m。受節(jié)理面切割影響,巖體較破碎。

巖層產(chǎn)狀355～45°∠21°～65°,受巖層次級褶皺影響,產(chǎn)狀有褶曲的變化。

2.3 水文地質(zhì)及氣候條件

本區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候帶,夏季濕熱多雨,冬季多霧。年平均氣溫 18 ℃,年降雨1 244.7～1 504 mm,多集中在7～8月份。

地下水為第四系覆蓋層孔隙水及基巖裂隙水,地下水的補(bǔ)給來源主要為大氣降水。該工點(diǎn)范圍內(nèi)孔隙水及基巖裂隙水發(fā)育。巖體中發(fā)育的多組節(jié)理,閉合程度差,貫通性好,為儲水和水的運(yùn)移提供了條件。

3 施工地質(zhì)概況

3.1 隧道開挖揭示地質(zhì)情況

在施工過程中,重點(diǎn)對該段隧道圍巖地質(zhì)情況,按每20 m一次進(jìn)行了現(xiàn)場核查。開挖揭示圍巖地質(zhì)為頁巖,灰黃色,薄層,強(qiáng)風(fēng)化為主,夾全—強(qiáng)風(fēng)化層。局部產(chǎn)狀扭曲,巖體破碎,無明顯滲水。

3.2 高速公路開挖揭示地質(zhì)情況

正在施工的高速公路路塹邊坡高約52 m。路塹邊坡開挖揭示的地層巖性為頁巖,巖層層面清楚,以強(qiáng)風(fēng)化為主,節(jié)理發(fā)育,巖體破碎。

3.3 國道邊坡揭示地質(zhì)情況

始建于20世紀(jì)70年代的318國道,沿線基巖多處出露,地層巖性為志留系砂頁巖,以強(qiáng)風(fēng)化—弱風(fēng)化為主,產(chǎn)狀基本一致,局部有變化,但變化不大。318國道下的榔坪河岸局部亦有基巖出露,多為弱風(fēng)化巖層,產(chǎn)狀與山坡出露地層基本一致。

3.4 井探揭示地質(zhì)情況

在隧道進(jìn)口右側(cè)的6根錨固樁施工過程中,按探井要求連續(xù)進(jìn)行了地質(zhì)剖面實(shí)測。樁孔人工開挖實(shí)測地質(zhì)剖面表明,地層連續(xù),未見軟弱夾層,孔口下10～15 m基本上為遇弱風(fēng)化頁巖;個(gè)別地段存在差異風(fēng)化,主要為強(qiáng)風(fēng)化頁巖夾全風(fēng)化層。實(shí)測樁底巖層產(chǎn)狀為10°∠35°～32°∠40°。個(gè)別樁底滲水較嚴(yán)重,大部分樁底未見地下水。

綜上所述,施工揭示既有邊坡穩(wěn)定,基巖裸露、產(chǎn)狀連續(xù)、局部褶曲,地質(zhì)情況明確,與勘察階段的地質(zhì)情況基本一致。

4 病害特征及分析

4.1 病害特征

2007年2月初,石院子隧道進(jìn)口段山坡受高速公路路塹邊坡切腳開挖誘發(fā)工程滑坡后,公路部門對公路邊坡按1∶0.75～1∶1.75的坡率、8 m一級留4 m邊坡平臺進(jìn)行了刷方減載,并設(shè)計(jì)有擋墻、錨噴、窗式漿片襯砌拱內(nèi)植草,以及平臺截水溝、排水溝等支擋防護(hù)和截排水措施。

2007年7月19日晚榔坪地區(qū)普降大雨,7月20日DK84+970～DK85+000段拱部局部開始掉塊,初期支護(hù)變形開裂,DK84+965～DK85+008段已開挖、未襯砌洞身部分發(fā)生整體坍塌,坍方體埋塞洞身至DK85+017附近。

病害范圍涉隧道軸長約190 m(DK84+920～DK85+110),橫向?qū)捈s370 m,地表多條拉張裂縫明顯,近呈弧形展布,細(xì)小的裂縫則更多。隧道坍塌后,在地表對應(yīng)地段產(chǎn)生寬18 m左右、深1～3 m的坍陷坑,DK84+920～DK85+100段線路左側(cè)山坡坡面產(chǎn)生多條寬張地表裂縫,主要集中在坍塌體左側(cè)3～33 m范圍內(nèi),走向基本平行線路;裂縫寬0.5～2 m,深1～4 m,延伸最長的約有60 m;最上一級公路刷方平臺中也出現(xiàn)幾道縱向裂縫(見圖3)。

圖3 石院子隧道進(jìn)口坍塌段工程地質(zhì)平面

隧道坍塌后,在洞內(nèi)也出現(xiàn)裂縫,其中DK85+021.6～DK85+047.7段中心線右側(cè)(沿線路方向)仰拱出現(xiàn)2條、左側(cè)出現(xiàn)1條縱向裂縫(近平行線路),縫寬2～8 mm左右,延伸最長約26 m;DK85+023～DK85+052.4段左拱腰二襯混凝土表面出現(xiàn)2條縱向裂紋,裂縫最長的有29.4 m,寬度3～5 mm;DK85+044.26～DK85+075.1段右邊墻腳二襯混凝土表面出現(xiàn)2～3條縱向裂紋,裂縫最長的有30.98 m,寬度2～8 mm。

4.2 洞內(nèi)外變形監(jiān)測

(1)地表變形監(jiān)測

隧道坍塌后,在地表布設(shè)了觀測網(wǎng),對地表山體進(jìn)行監(jiān)控量測。由于公路刷坡施工等原因,監(jiān)測點(diǎn)多次破壞。根據(jù)觀測結(jié)果分析,累計(jì)變形最大約26.2 cm,基本上是在坍塌后的半個(gè)月內(nèi)完成。之后位移變形量極小(見表1)。

表1 石院子進(jìn)口地表變形測量記錄 mm

從地表變形趨勢看,各測量點(diǎn)都經(jīng)歷了變形由大變小并趨穩(wěn)的過程。

(2)洞內(nèi)變形監(jiān)測

在隧洞內(nèi)對DK85+010～DK85+110段進(jìn)行了中線位移測量。從量測資料看,該段中線均有不同程度的位移;各點(diǎn)位移情況見表2。

表2 石院子隧道洞內(nèi)中線位移記錄 mm

從各點(diǎn)的累計(jì)位移曲線分析,10月2日后各測量點(diǎn)已無明顯位移(如圖4所示)。

圖4 石院子隧道洞內(nèi)位移曲線(DK85+030)

(3)洞內(nèi)外變形監(jiān)測結(jié)論

從洞內(nèi)、外各測點(diǎn)觀測資料分析,各測量點(diǎn)都經(jīng)歷了變形由大變小并趨穩(wěn)的過程,表明山體整體已趨穩(wěn)定。

4.3 穩(wěn)定性分析評價(jià)

(1)基本分析

高速公路路塹開挖,以及隧道、錨固樁開挖揭示,隧道所處斜坡覆土厚度0～8 m,下部為基巖(志留系砂頁巖);巖層傾向線路、巖層傾角25°～63°,且隧道洞身的左右側(cè)巖層傾角陡、洞身附近巖層傾角相對緩。

液壓系統(tǒng)是鉸接式自卸車的重要組成部分。當(dāng)自卸車連續(xù)工作時(shí)，液壓系統(tǒng)損失的能量會轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)的熱量，導(dǎo)致液壓油溫度升高。當(dāng)液壓油溫度超過機(jī)械設(shè)備的最高允許溫度時(shí)，會給自卸車的液壓系統(tǒng)帶來一系列的危害。過高的油溫會造成油的粘度降低，導(dǎo)致油液泄漏量增加，降低系統(tǒng)的工作效率；同時(shí)也會加速液壓元件的磨損，使橡膠密封件老化變質(zhì)加速，嚴(yán)重降低液壓系統(tǒng)的使用壽命。當(dāng)在高溫條件下液壓油氧化變質(zhì)，析出的膠狀沉積物會阻塞閥的阻尼孔，容易析出空氣產(chǎn)生壓力沖擊，影響系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作，甚至?xí)绊懶熊嚢踩玔1-3]。

按最緩巖層傾角推算,隧道洞身至榔坪河間無順層臨空面,即不具備產(chǎn)生深層滑動的臨空面條件(見圖5)。

圖5 Ⅰ-Ⅰ工程地質(zhì)剖面

已防護(hù)高速公路邊坡坡面混凝土及坡腳護(hù)面墻無開裂變形、外傾現(xiàn)象,公路路面無外鼓凸出現(xiàn)象,進(jìn)一步說明山體斜坡未出現(xiàn)順層面的滑動。

高速公路施工期間出現(xiàn)的塌滑屬于“公路開挖切腳引起的沿土石界面的淺層滑坡”。

(2)赤平投影力學(xué)分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,該地段巖層產(chǎn)狀為340∠50°,主要節(jié)理發(fā)育兩組,產(chǎn)狀分別為:90∠76°(J1),4條/5 m,延長5 m;200∠63°(J2),4條/6 m,延伸長度3 m。公路路塹開挖坡面產(chǎn)狀為:30∠45°(自然邊坡坡度更緩)。赤平投影分析(見圖6):①一組節(jié)理大角度斜傾向山體內(nèi),另一組節(jié)理雖外傾但傾角大于斜坡傾角,組合的楔體穩(wěn)定;②層面傾角大于坡面傾角,山體穩(wěn)定,不具備順層滑動的條件,隧道工程存在順層偏壓問題。

圖6 結(jié)構(gòu)面赤平投影

4.4 綜合分析及評價(jià)

(1)石院子隧道山體雖存在局部褶曲,但巖層產(chǎn)狀連續(xù),巖體較為完整,同時(shí)前緣沒有連續(xù)的臨空面,出現(xiàn)深層滑動的可能性小。

(2)山體表層存在厚約8 m的堆積體,工程活動切坡形成臨空面造成淺層覆蓋層滑動。

(3)線路走向與巖層走向一致,隧道左側(cè)存在順層偏壓問題。

(4)2007年進(jìn)入雨季以來,榔坪地區(qū)經(jīng)歷雨量大、雨程長的不利因素,尤其是2007年7～8月間連續(xù)暴雨(降雨量達(dá)209.4 mm),地表植被被破壞后,雨水更易下滲軟化巖土體,造成巖土體強(qiáng)度降低,對石院子隧道坍方產(chǎn)生一定影響。

(5)隧道塌方誘發(fā)左側(cè)山體變形,并牽連擴(kuò)大變形范圍。

綜上,隧道屬典型的淺埋、順層、偏壓軟巖隧道。通過大量的補(bǔ)充勘察工作,可以確定造成隧道進(jìn)口段圍巖坍塌和變形的地質(zhì)原因是:右側(cè)相距62 m的公路大面積刷坡造成臨空面,破壞了極軟巖順層山坡的穩(wěn)定性,形成淺層工程滑坡,而且由于公路五級刷坡使地表失去植被覆蓋,加大了地表水下滲,軟化了圍巖,降低了巖體和結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度,使處于公路邊坡左上方的淺埋傍山鐵路隧道發(fā)生坍方,坍方又牽引附近巖體發(fā)生順層滑移變形和地面開裂,致使隧道進(jìn)口段破壞。從地質(zhì)應(yīng)力歷史的角度分析,則可能是軟質(zhì)巖發(fā)生長期蠕變動力運(yùn)動,產(chǎn)生長期蠕變動力作用的偏壓所致。目前地表和洞內(nèi)變形已趨于穩(wěn)定,但若不及時(shí)治理,雨季后仍有加大變形和滑移的可能。

5 工程整治措施

由于鋪軌工期緊迫,該工程滑塌后,成為了宜萬線的“重點(diǎn)工程”。處理不及時(shí)、處理不到位,勢必引發(fā)滑塌的進(jìn)一步發(fā)展,影響按期鋪軌。為此,設(shè)計(jì)在考慮治理滑塌的同時(shí),對于其滑塌的趨勢,需進(jìn)行加固,以達(dá)到根治之目的。

5.1 整治加固基本原則

該隧道進(jìn)口段頁巖為極軟巖,巖石強(qiáng)度低,遇水易軟化,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎,風(fēng)化強(qiáng)烈,自然山坡多淺層塌滑體,坡面極不穩(wěn)定,開挖不當(dāng)易坍塌;加之順層偏壓因素,易產(chǎn)生層間滑移變形。因此,治理的基本原則應(yīng)是:

(1)加強(qiáng)地表排水,防止地表水大量下滲;

(2)加固巖體,提高圍巖整體性和強(qiáng)度;

(3)為約束順層變形,抗滑樁應(yīng)有足夠的深度和剛度。

5.2 整治加固方案

為此,在方案研究過程中,曾作多方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,如考慮大面積減載、順層減載 +抗滑樁和明洞 +抗滑樁、順層減載 +明洞、抗滑樁 +洞內(nèi)處理等方案。

但考慮到隧道所處工程地質(zhì)條件惡劣、山體穩(wěn)定性差、工期緊、施工安全風(fēng)險(xiǎn)大等因素,最終確定采用地表裂隙封堵、加強(qiáng)地表排水、抗滑樁、地面注漿、洞內(nèi)塌方地段處理采用超前預(yù)支護(hù)、加強(qiáng)初期支護(hù)和模筑襯砌、雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法施工及開裂襯砌拆換等措施進(jìn)行綜合治理。

由于隧道進(jìn)口段埋深較淺,且線路右側(cè)已設(shè)計(jì)錨固樁加固,為節(jié)省投資,DK84+920～DK84+942段由隧道改為路基;DK84+942～DK85+008段采用暗挖隧道方案;DK85+008～DK85+098襯砌變形開裂段,逐段拆除二次襯砌后重新施做。主要設(shè)計(jì)措施如圖7和圖8所示。

圖7 進(jìn)口路基段典型斷面

圖8 坍方及影響段典型橫斷面

6 結(jié)論

(1)石院子隧道進(jìn)口段屬典型的淺埋、順層、偏壓軟巖地段,圍巖軟弱、存在長期蠕變動力運(yùn)動是隧道坍塌的內(nèi)因,公路大面積刷坡造成臨空面造成順層山坡失穩(wěn)是隧道坍塌的重要誘因,而強(qiáng)降雨則進(jìn)一步惡化了隧道的工程地質(zhì)條件。

(2)對于重大病害工程應(yīng)本著“一次根治,不留后患”的原則進(jìn)行綜合整治,除采取針對性強(qiáng)的有效措施外(如抗滑樁、隧道襯砌結(jié)構(gòu)等),還應(yīng)從工程的整體出發(fā),做好配套、輔助工程(如注漿工程、防護(hù)工程、排水工程等)的設(shè)計(jì)和施工,才能取得預(yù)期的結(jié)果。

(3)除勘察階段需對工程所處的地質(zhì)背景進(jìn)行詳細(xì)查明外,還應(yīng)在施工階段加強(qiáng)施工地質(zhì)工作。該隧道病害發(fā)生后,曾有一種意見認(rèn)為其處于一大型古滑坡體上,但由于重視了施工階段的工程地質(zhì)工作,對隧道工作面每20 m一次進(jìn)行地質(zhì)素描,詳細(xì)繪制公路邊坡開挖地質(zhì)剖面,對抗滑樁按井探進(jìn)行編錄地質(zhì)剖面,因而在施工中全面了解、掌握并核實(shí)地層開挖情況,為分析坍塌的性質(zhì)和成因提供了詳實(shí)的地質(zhì)依據(jù),也排除了古滑坡的可能。

(4)對類似后壁為厚層硬巖、前緣為軟巖共生的順層斜坡地段,隧道宜內(nèi)移下埋,避免偏壓,使隧道結(jié)構(gòu)受力均勻。

[1]中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.石院子隧道DK84+920～DK85+110段工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].武漢:中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2008

[2]中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.宜萬鐵路宜昌至萬州段新建工程施工圖——石院子隧道設(shè)計(jì)圖[R].武漢:中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2004

[3]TB10012—2001 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

[4]中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.宜萬鐵路宜昌至萬州段新建工程施工圖——石院子隧道進(jìn)口段DK84+920～DK85+107病害整治設(shè)計(jì)圖[R].武漢:中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2007

[5]中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.宜萬鐵路宜昌至萬州段新建工程施工圖——石院子隧道DK84+920～DK85+380段Ⅰ類變更設(shè)計(jì)施工圖[R].武漢:中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2008