浅谈黄土隧道含水率对隧道施工安全的影响

浅谈黄土隧道含水率对隧道施工安全的影响

刘,雷

中铁五局集团华南工程有限责任公司  523000

摘要：在黄土隧道施工中围岩含水是影响隧道施工安全性的主要因素之一，本文论述了，黄土隧道含水率对隧道施工中的作用及对隧道安全性的影响。分析了黄土隧道含水率的变化对土体结构的稳定性的变化引起的安全问题。

关键词：安全；含水；稳定性；黄土隧道；

引言

随着国家飞速的发展，城市化建设的步骤越来越快，城市与农村的差距不断缩小，沟通之间的公路建设更是大踏步迈进，公路建设中隧道工程的建设规模及施工难度更是不断地创新拔高。对于隧道施工的安全生产及施工而言，无论是在铁路、高速公路等道路建设施工中，隧道施工是其中最为重要的一个环节，其中黄土隧道是我国中西部公路建设过程中重要环节，通常黄土隧道的施工环境与地质较为复杂，给隧道施工增加了难度，而其中黄土隧道的含水是黄土隧道施工的安全性的控制一直是一个关键问题，由于此类工程项目施工环境的特殊性，造成的危害性也相对较大。黄土隧道工程施工过程中的技术相对而言是十分复杂的，同时也要大量的工作人员严格地完成这项工程。在工程实施的过程当中，不但需要相关工作人员具备更加专业的技术方面的能力，同时也要更多的安全管理人员对施工当中各种不同的环节进行安全管理。必须要能够更加有效地提高隧道施工过程当中的安全管理，只有这样才能够让施工更加高效，质量获得保障。因此制定相应的管理方案，对于施工的过程进行有效的监督就是不可缺少的。同时，在黄土隧道施工中围岩的含水是对隧道安全隐患的最大因素。因此，针对黄土隧道施工中隧道含水对施工安全性的问题是当前急需解决的问题，本文以临康广高速公路广通隧道为研究对象，探讨黄土隧道施工中含水对施工安全的影响。

一、工程概况：

（1）概况

广通隧道位于甘肃省临夏回族自治州广河县，进口位于临夏回族自治州广河县水泉乡克那村，路线自南向北，出口位于广河县祁家集镇孙家村南部高阶地。隧道临洮端进口有县乡道路可直达隧道洞口，隧道广河端洞口无道路，需新修便道车辆才能到达洞口。隧道为左右行分离式的双洞特长隧道。右线里程桩号为K28+658-K31+864，长3206m，左线里程桩号为ZK28+788-ZK31+990，长3202m，隧道最大埋深约234m。

（2）隧道地理位置

隧道穿越黄土梁，山体走向大致呈东北走向，隧道自南向北通过。隧道通过处最高地面高程约为2294m，临洮端洞口地面高程2062m左右；广河端洞口地面高程约1990m。隧道进口位于黄土冲沟处。隧道进口～K29+060位于黄土梁南坡，坡度48-55°，主要为崩坡积黄土状土覆盖，坡面冲刷下切严重，发育多条V型冲沟，地形破碎，陷穴发育，线路右侧发育黄土冲沟，紧邻线路，冲沟切割深度100m左右。K29+060～K31+180段，隧道穿越黄土梁，线路沿山脊线展布，山梁两侧冲沟下切较深，黄土梁较窄，左侧冲沟发育有大型滑坡。K31+180～隧道出口段为黄土梁北坡，平均坡度16°左右，坡面发育多条南北向V型冲沟，隧道出口段沿冲沟布设。

（3）隧道地质情况

通过地质勘察，隧址区地层主要包括全新统崩坡积黄土状土，上更新统风积黄土、冲积粉质黄土，中下更新统冲湖积黄土。洞口为湿陷性黄土，土质疏松，土体干强度低，浅黄褐色，稍湿，用手轻松可捏碎成粉末。

二、黄土的形成

黄土是干旱、半干旱气候条件下形成的一种特殊的大陆松散沉（堆）积物，以粉粒为主，包含细砂、粉土、黏粒等。黄土的特殊成因和物质组成，决定了黄土隧道围岩结构疏松，围岩差，通常被视为特殊类型的软弱围岩，故隧道开挖后往往不能保持自稳，洞顶由于压力等作用下沉，并导致节理裂隙发展、拓展，密集分布于洞顶和拱脚。黄土隧道围岩黄土体一般处于非饱和状态，这种天然条件下的三相状态，使黄土内部产生较强的基质吸引力，与黄土的胶结力一起构成了黄土结构强度，有利于黄土隧道的稳定[1]，也正是黄土的这种结构强度使得黄土能自稳。

三、黄土的湿陷性

黄土具有湿陷性[3] 黄土强度的特殊性必须得到足够重视，因为这通常是导致隧道施工塌方事故的关键。具体来讲，隧道开挖之前土体的应力是天然平衡的，受到机器作用后其自然应力会随之变化。除此之外，受到黄土强度相对较低的影响，径向塑性位移问题出现的概率会随着围岩应力增大而增加，如此一来就会形成塑性松动区，导致周边持续出现塑性变形，松动区面积一旦扩大，对隧道施工非常不利。深部黄土为饱水状态的情况下会完全丧失原有结构，进一步降低其实际承载力，若此时隧道施工已达到黄土区域的饱水层，就会有很大的概率引发围岩塌方事故。因为黄土垂直节理发育，隧道施工中疏松石质隧道能够发挥更好的效果。干燥环境中的黄土具备很高的强度与承载力，衬砌受力也不高，遇水后颗粒联结力会出现一定程度的下降，黄土强度也成正比下降，同时衬砌受力不均问题出现的概率会增大，并且因为隧道表层黄土厚度分布不均，导致形成偏压隧道，进而引发塌方等危害。

四、含水率对黄土隧道结构的影响

由于开挖前黄土中的孔隙裂隙水存在于被封闭的环境中，处于平衡状态，是近乎静止的，在没有外来压力的情况下，不会产生渗流。而开挖后形成的空间使周围土体 及孔隙裂隙水失去支撑环境，形成新的水力坡度 ，破坏了水的静力平衡。当新水力坡度大于黄土的起始坡降时，水开始在土体中渗透，其结果是：水的流动及溶蚀带走细颗粒及可溶性矿物，并在开挖面附近对黄土产生崩解破坏作用，产生渗透变形，使临空面失去平衡而变形甚至塌陷。

黄土结构强度随含水量的增加而迅速降低，土体很快由稳定状态转化为不稳定状态，造成塌方、垮塌等地质灾害。在黄土隧道洞体施工中，必须严格按照“短台阶、强支护、早成环、紧二衬”的原则进行。采取及时有效的支护措施是确保施工安全的关键。在黄土隧道施工中，进行的洞体断面开挖，不可避免形成了黄土层的扰动，塌方在支护缺陷的影响下就会形成。在高速公路建设中，黄土隧道施工中易发生洞内坍塌和地表沉陷等问题。新黄土一般覆盖在老黄土之上，呈松散结构状，垂直节理面上易形成竖向软弱层。老黄土颗粒间的孔隙经过地质严密积压而湿陷性[2]一般较小。当穿越地层土体承载力与地应力相比较低，塑性变形特别容易发生，当土体蠕变过大时容易导致塌方的形成。黄土土质松软、承载力低，且黄土变形具有突变性、非连续性和不可逆性。黄土隧道施工风险非常大，特别是洞体支护不足时，出现施工安全问题就不可避免。做好黄土隧道施工中的安全控制，可有效确保隧道施工的安全管理。不但影响隧道工程的施工和建成后的结构稳定，而且产生相应的隧道病害，影响隧道正常使用时的安全。对隧道施工建设以及运营养护的安全产生很大的影响。且黄土含水量的增加，导致隧道衬砌裂损 、腐蚀，以及混凝土中的钢筋锈蚀、仰拱翻浆冒泥和隧底吊空等隧道病害。 

五、含水率对围岩稳定性的影响

三台阶开挖法是最常用的黄土隧道洞体开挖方法之一，应根据施工现场实际情况控制开挖进度。为确保洞体稳定，开挖台阶长度，应严格控制，严禁超安全步距开挖。结合监控量测信息，按照“动态设计，信息化施工”的理念合理调整，确保隧道结构稳定。通过对不同的掌子面黄土的含水率的测定相对喷射混凝土回弹量的影响是显著的，随着初始含水率低增大喷射混凝土的回弹量增大，并伴随黄土块的掉落，从而造成初期支护的不能完全地起到承载的作用，核心土起不到支撑作用，严重的会造成拱架变形[3]引起坍塌破坏，甚至造成巨大的安全事故。

当隧道含水率不变时，黄土隧道的安全系数[4]随着跨度的增大而不断减小，说明黄土隧道施工时开挖跨度增大将降低隧道的稳定性，隧道的自稳能力不断降低，对于高含水率大跨度黄土隧道应进行分部开挖保证隧道的稳定性。隧道围岩的安全系数随着含水率的增大不断减小，因为含水率的增大不仅导致黄土的结构性降低还使其抗剪强度减小，从而导致隧道围岩的稳定性降低。

六、土体含水率与沉降量的关系

根据有关研究表明，以沉降量为参数进行分析，取值均为变形稳定后的最终沉降量，含水率与沉降量变化关系，含水率小于或大于沉降量均随减小或增大而增大，围岩稳定性较差，施工过程中容易掉块，可能出现围岩沿滑层层状剥落等现象，施工过程中应严格控制循环进尺。

七、 结 论

综上所述，在黄土隧道工程施工中，黄土隧道工程建设难度以及风险非常大，所处环境非常复杂，同时其中存在着非常大的安全隐患，因此在整个建设过程中，要对隧道工程安全工作进行管理和控制。在隧道埋深、地质条件、施工方法基本不变的情况下、围岩含水率影响隧道围岩稳定性、对施工安全和进度起到控制性作用的因素，特别是在隧道含水率变化的情况下。黄土隧道的安全系数随着跨度的增大而降低，同时对隧道的破坏系数也不断增大，黄土隧道的稳定性随着含水率的增大而不断降低。所以必须对隧道施工中因含水变化而引起的安全问题进行预防和控制，保证施工人员生命安全，同时也对于黄土隧道工程质量提供了保障作用，对黄土隧道工程中事故发生情况最大程度降低。

参考文献

[1]周康祥；骆维斌.土体含水率对黄土隧道施工过程稳定性的影响[J] 建设科技， 2020，16: 93-96.

[2]郑伯松，左奇.湿陷性黄土隧道洞口浅埋段施工防塌方安全控制[J].四川建筑，2012，03：239-241.

[3]曲用新，张永双等，陕北晋西黄土湿陷的初步研究，工程地质学报，第九卷，第三期（2001）

[4]赵永虎；罗浩洋；苗学云；白明禄；米维军；黄土隧道围岩含水率变化及拱架受力特征研究 [J].铁道标准设 计 ,2019,63(04):128-131+147.

[5]张引江．黄土隧道施工安全问题与控制措施［J］．工业，2016，8（3）：16-18