红粘土隧道坍塌的成因分析及应对措施浅析
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摘要：我国黄土高原地区广泛分布着一层厚度从数米到上百米不等的红粘土，由于该地层岩性复杂，施工措施不够完善，当在该地层进行隧道施工时经常遇到一系列的工程病害，给施工带来诸多不便。本文以某公路隧道为例，从工程地质条件与水文地质条件入手，分析了该隧道坍塌的主要原因，提出此类问题的处理措施及预防措施，为红粘土地区的同类工程提供借鉴。
关键词：红粘土；隧道坍塌；处理措施；预防措施
Abstract: in loess plateau area in China widely distributed with a layer thickness ranging from several meters to hundreds of meters of red clay, due to the complexity of the stratum lithology, the imperfection of the construction measures, when in the formation of the tunnel construction often encountered a series of engineering diseases, bring inconvenience to construction. In a highway tunnel as an example, this paper, from the perspective of the engineering geological conditions and hydrological geological condition, analyses the main cause of the tunnel collapse, puts forward treatment measures and preventive measures of this problem, in red clay area of similar projects for reference.
Key words: red clay; The tunnel collapse; Treatment measures; Preventive measures.
中图分类号：U455文献标志码：A 文章编号：2095-2104（2013）
引言
随着中西部开发战略的不断深入，我国高速公路、铁路得到了迅猛的发展，由于地形地貌的限制，在广大山区，隧道工程得到了广泛的应用。我国黄土高原地区广泛分布着一层厚度从数米到上百米不等的红粘土，其主要分布在甘肃、陕西、山西等地，当隧道工程在该地层进行隧道施工时经常遇到一系列施工病害，如出现初期支护开裂、掉块、甚至出现坍塌等现象，严重影响隧道施工安全及施工进度。近年来，基于各种原因，隧道在该地层进行施工过程中发生过几起隧道坍塌事故，造成工期延误，投资成本增加，甚至出现人员伤亡的严重后果。因此，笔者以某红粘土公路隧道坍塌事故为例，分析了隧道坍塌原因，提出处理措施及预防措施，对类似工程具有一定的指导意义。
1 工程概况
某公路隧道左线设计建筑限界净宽11.8m，限界净高5m，纵坡为2%，该隧道在地貌上属黄土峁梁区，相对高差较大，地层岩性复杂，隧址区地层岩性特征从新到老分别为：新黄土（Q3eol）、老黄土（Q2eol）、红粘土（N2）及砂泥岩（T2e），坍塌段红粘土围岩等级为Ⅳ级，距离施工通过的Ⅴ级围岩80m，上覆围岩42m，其中红粘土11.5m，隧道洞身位于红粘土地层的上部。该隧道依据新奥法原理，采用台阶法预留核心土方法施工，以1.0 m进尺循环掘进，支护结构采用复合式衬砌。
施工队在准备喷浆某里程时发现掌子面2m范围内初期支护突然开裂，格栅拱架发生扭曲变形，拱顶处喷射混凝土开始掉块，两侧拱腰出现滴水现象，随后发生大规模掉块，并拉动周围已施工的初期支护产生变形、开裂、坍塌， 5分钟后，上覆围岩出现整体下卧，坍塌段长约6m，所幸施工人员及施工机械迅速撤离，没有出现人员伤亡。
2 隧道坍塌原因分析
2.1 隧道坍塌影响因素
隧道坍塌是指在围岩软弱结构面的影响下，隧道开挖后围岩应力重分布过程中，岩土体的径向抗剪强度小于围岩应力，使围岩产生大量剥落、掉块的现象。影响隧道坍塌的主要因素有：①工程地质条件，包括地形地貌、地层岩性、地质构造等；②水文地质条件，包括地表水、地下水；③施工原因，如施工方法、施工工艺等。
2.2 本区红粘土的岩性特征
本地区红粘土从下之下具有明显的差异性，上部红粘土呈棕红色~深褐红色，硬塑~坚硬，土质较均一，裂隙发育，含有大量铁锰斑点及钙质结核，结核具有良好的成层性，顶部钙质密集成层；下部红粘土呈浅棕红色~淡黄色，硬塑，下段具有明显的被水改造的特征，其中砂质含量增多，夹杂有灰白色的砂层、砂砾石层、砾岩层、粉砂层、泥岩层。
2.3 坍塌段原因分析
1）工程地质原因：本地区在地质历史中构造运动较弱，断层不发育，可不考虑地质构造对坍塌的影响。本坍塌段在地貌上属于黄土梁，地形上位于河流的左侧，在地质历史中，风化、剥蚀较强，岩土体较破碎。洞身所处的红粘土结核、节理、裂隙较发育，形成典型的碎块状镶嵌结构，含水量小时强度高，隧道围岩自稳能力高，但当含水量增大，水沿着节理、裂隙渗流，土的物理力学性质发生明显的改变，导致其强度降低，自稳能力大大减弱，造成了隧道的坍塌。
2）水文地质原因：坍塌段附近发育有一条河流，受其影响，地下水位较高，位于仰拱下5m，施工期间受连续降雨影响，河水暴涨，一方面，水沿裂隙入渗到红粘土中，使其在水的作用下浸泡、溶蚀、软化，使其强度降低，促使围岩产生变形破坏，导致坍塌的发生。另一方面，水位的浮动变化使围岩中产生了动水压力，动水压力加速了红粘土的溶蚀、软化，加剧了岩体失稳和坍塌。综上，水在红粘土隧道坍塌过程中起到“催化剂”的作用。
3）施工方面原因：施工单位未严格按照设计说明执行，开挖进尺过大，初期支护未及时跟进，从面造成临空面过大，也是造成坍塌的一种原因。
综上分析本次红粘土隧道坍塌的主要原因是由于特殊的工程地质条件和水文地质条件造成的，施工过程中由于没有研究清楚红粘土的工程特性，没有足够认识到水文地质情况对红粘土工程性质的影响，从而引起坍塌的发生。
3 坍塌的处理措施
隧道坍塌的一般处理原则是先加固，防扩展，后处理。坍塌的处理分为初期处理、坍塌后段处理及坍塌段处理。
3.1 初期处理
为了稳定围岩，便于坍塌处理，首先对坍塌段进行回填反压，回填坍塌段内的空腔，加固坍塌体。
3.2 坍塌后段处理
以监测数据为依据，对坍塌区后段未变形部分进行加固处理，防止坍塌进一步蔓延。在坍塌段退后2m的位置处分别采用I20型钢对边墙和拱顶进行横、竖向临时支撑，在坍塌过度段施做8根3.0m的φ22锁脚注浆锚杆，将超前小导管、锁脚锚杆与钢拱架焊接成整体，同时向塌空区边缘注浆，使钢管所伸入的范围内通过注浆组成一个固结的灌浆层，从而达到在已支护段与塌空区交界处上、下一定范围内的围岩得到固结，以保证后方围岩稳定不向前坍塌。