客運專線鐵路隧道高陡坡洞口開裂整治技術研究

朱容辰

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安　710043)

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客運專線鐵路隧道高陡坡洞口開裂整治技術研究

朱容辰

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安710043)

摘要:以寶蘭客運專線塔稍村隧道為依托，分析隧道進口邊坡及洞內裂縫的成因，評價邊坡的穩(wěn)定性，并提出具體的處理措施。對該隧道地層巖性、構造屬性、圍巖等級等進行闡述，針對該邊坡建立系統(tǒng)的地表及洞內變形監(jiān)測網并進行鉆孔內位移測量工作，結合詳細的地質調查，查明隧道進口處邊坡、洞口擋墻、隧道內二襯裂縫的成因和基本特征，結合區(qū)段的工程地質特征，提出合理的工程處理措施，為類似工程的調查與處理提供參考。

關鍵詞:鐵路隧道;裂縫;監(jiān)測網;處理措施

新建鐵路寶雞至蘭州客運專線地跨陜西、甘肅兩省的四市7個縣(區(qū))，由西寶客專寶雞南站引出，分別經陜西省寶雞市渭濱區(qū)、甘肅省天水市麥積區(qū)和秦安縣、定西市通渭縣及安定區(qū)、蘭州市榆中縣和七里河區(qū)，全長約401 km。

塔稍村隧道位于陜西省寶雞市，地處渭河南岸西秦嶺中山區(qū)，隧道全長4926 m(起訖里程DK650 + 422～DK655+348)，為雙線隧道，最大埋深約360 m。進口端位于塔稍溝下游，出口端位于太寧溝。

1　工程地質特征

1.1地形地貌

圖1　塔稍村隧道進口坡面

該隧道進口位于西秦嶺北麓中低山區(qū)，地處塔稍村左岸斜坡中下部，隧道進口自然坡面35°～45°，兩側發(fā)育坡面溝槽，相對高差100～200 m，山坡多被植被覆蓋，如圖1所示。由于左側便道及隧道口施工，對坡面進行人工切坡，切坡后的人工邊坡坡度65°～80°。

1.2地層巖性

隧道進口坡腳為第四系全新統(tǒng)洪積黏質黃土，山頂覆蓋第四系上更新統(tǒng)風積黏質黃土。隧道進口基巖裸露，涉及地層為下元古界(Pt1)片巖夾大理巖，片巖為灰黑－灰色，大理巖為白色，細粒變晶結構，片狀構造，主要礦物成分為石英、云母、角閃石等。夾有大理巖夾層，巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育。片理產狀為N80°E～N80°W/40°～75°S，片理產狀與線路方向近一致或小角度相交，與坡面方向近垂直。根據(jù)定測及施工補充勘察成果資料并結合隧道進口開挖揭示，隧道進口表層巖體為全風化，多風化成土狀或角礫狀，局部原巖結構清晰，手捏即碎，全風化層厚12～16 m，強風化層為黃褐色，厚9～12 m，以下為弱風化層。

主要節(jié)理產狀:(1) N30°～40°E/60°～70°N，多為微張節(jié)理，節(jié)理面多平直粗糙，局部含泥質充填; (2) N10°～35°W/35°～53°N，為沿隧道坡面的不利結構面，節(jié)理面多平直，光滑，微張型，無充填或局部泥質充填，對隧道口坡面穩(wěn)定性有一定影響。

1.3地質構造

該隧道在前印支期以區(qū)域性褶皺和韌性變形為特征，在燕山—喜山期則以區(qū)域斷裂活動為特征，并伴隨大規(guī)模的酸性巖漿侵入，形成了寶雞以東的渭河斷陷盆地、元龍以西的天禮斷陷盆地和寶雞至元龍之間的侵入巖隆起帶，褶皺斷裂十分復雜［1-3］。

由于該地層時代較老，整體受花崗巖侵入影響嚴重，同時晁峪—坪頭—通洞斷裂(F1－2)自該隧道北面1～3 km處通過(圖2)，同時在該隧道進口端南面約600 m處即為燕山期花崗巖和元古界地層的接觸帶［4］，因此隧道口巖體受地質構造影響嚴重，巖體破碎。

圖2　塔稍村隧道進口區(qū)域地質圖［5］

1.4水文地質

隧道進口段地下水主要為基巖裂隙水，屬弱富水區(qū)，正常涌水量125.0 m3/d，最大涌水量357.0 m3/d。根據(jù)隧道進口開挖揭示，隧道進口巖體裂隙面潮濕，未見滲滴水現(xiàn)象，對掌子面穩(wěn)定性較為有利。

該處位于寶雞市渭濱區(qū)境內，屬半干旱氣候區(qū)，季節(jié)性溫差較大，雨季和旱季分明，年降水量較少，年平均氣溫14.1℃，極端最高氣溫41.7℃，極端最低氣溫－11.3℃，年平均降水量595 mm，年最大降雨量906.0 mm，年平均蒸發(fā)量1 583.1 mm，主導風向以SSE為主，年平均風速3.2 m/s，最大瞬時風速大于17 m/s，年平均八級以上大風日數(shù)1.2 d，統(tǒng)計最大凍結深度50 cm［6］。

1.5地震動參數(shù)

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011—2001)、《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2001)，結合該項目地震安全性評價報告，該工程區(qū)屬地震動峰值加速度0.15g，抗震基本烈度為Ⅶ度，地震動反應譜特征周期為0.40 s［7］。

1.6隧道進口段圍巖分級

根據(jù)該隧道工程地質及水文地質條件分析，該隧道進口段設計圍巖分級見表1［8］。

表1　塔稍村隧道圍巖工程地質分級

2　施工后出現(xiàn)的裂縫

2.1施工過程介紹

2013年8月初隧道洞口左側開設便道切坡刷方，8月中旬隧道洞口切坡及仰坡坡面刷方，9月初開始導向墻施做，10月中旬完成洞門處所有管棚施工，11月底，隧道進口上臺階掌子面開挖至DK650+492(距離洞口49 m，埋深56 m)、中臺階開挖至DK650+484，下臺階尚未開挖，初支未按設計要求及時封閉，此時在地表及洞內第一次發(fā)現(xiàn)裂縫，直至2014年7月初上臺階掌子面開挖至DK650+534(距離洞口91 m，埋深80 m)、仰拱開挖至DK650+507.8、二襯施工至DK650+ 462.9時，進口段山體、洞內仰拱及二次襯砌均出現(xiàn)裂紋。

2.2地表橫向裂縫

隧道頂部DK650+450截水溝處，裂縫寬5～25 cm，錯距5～20 cm，延伸長度約25 m，裂縫使得截水溝變形開裂，裂縫傾向洞口，同時溝頂坡面有巖體掉落，導向墻拱頂右側開裂，裂縫寬度0.5～1.0 cm。現(xiàn)場照片見圖3、圖4。

圖3　洞頂截水溝開裂(一)

圖4　洞頂截水溝開裂(二)

2.3隧道兩側縱向裂縫

(1)裂縫1－裂縫2－裂縫4:位于DK650+432～DK650+474段(距離隧道中線左側41 m，距隧頂20～38 m)，裂縫與線路方向大致平行，裂縫寬12～18 cm，見圖5。

圖5　洞頂左側地表開裂

(2)裂縫5－裂縫6:位于DK650+467～DK650+ 528段(距離隧道中線左側46 m，距隧頂40～80 m)，裂縫與線路方向大致平行，裂縫寬5～8 cm。

(3)裂縫7:位于DK650+546～DK650+556段(距離隧道中線左側50 m，距隧頂90 m)，裂縫與線路方向大致平行，裂縫寬3～5 cm。

(4)裂縫8:位于DK650+470～DK650+479段(距離隧道中線右側12.5 m，距隧頂36 m)，裂縫與線路方向大致平行，裂縫寬3～5 cm。

(5)裂縫9:位于DK650+504～DK650+511段(距離隧道中線右側16.2 m，距隧頂78 m)，裂縫與線路方向大致平行，裂縫寬3～5 cm。

2.4隧道內裂縫

(1)里程DK650+443～DK650+453初期支護左側鎖腳錨管縮進噴混凝土表面2～3.4 cm，右側鎖腳錨管突出噴混凝土面約1 cm。

(2)里程DK650+445、DK650+452、DK650+461、DK650+465處拱部發(fā)現(xiàn)環(huán)向裂縫，裂縫寬度0.3～1.0 cm，長度約5 m。

(3)里程DK650+462仰拱右側施工縫處出現(xiàn)裂縫，寬度0.2～0.3 cm; DK650+474左側仰拱施工縫處出現(xiàn)裂縫，寬度1～3 cm，仰拱矮邊墻處裂縫最大已達3 cm，并出現(xiàn)3 cm錯臺。

(4)明暗分界往大里程二次襯砌拱部(里程DK650+443～DK650 + 447)出現(xiàn)4條長2～4 m、寬0.1～0.3 cm裂紋。

(5)隧道內初期支護變形收斂較大，且拱部出現(xiàn)不規(guī)則裂紋，拱頂沉降最大值250 mm，最大水平收斂值277 mm，最大沉降速率10.6 mm/d，最大收斂速率4.7 mm/d。

3　裂縫產生原因分析

(1)隧道進口塔稍村左岸斜坡中下部，該處自然坡面35°～45°，兩側發(fā)育坡面溝槽，巖層為下元古界(Pt1)片巖及大理巖，表層覆蓋層較薄，基巖多裸露，片理產狀基本穩(wěn)定與線路方向近一致，斜坡總體穩(wěn)定。隧道洞口段下元古界片巖夾大理巖，地層時代老，歷經多期次構造作用，巖體受地質構造作用影響嚴重，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部褶皺及小斷裂發(fā)育，巖體破碎、風化嚴重，根據(jù)鉆探及洞內掌子面開挖綜合分析，該隧道口表層為全－強風化層，風化層厚度為15～30 m，巖體風化后容易沿裂隙面開裂破壞。

(2)隧道地表出現(xiàn)的環(huán)向裂縫形成和發(fā)展的誘發(fā)因素如下:隧道洞口左側開設便道切坡刷方、隧道洞口切坡及仰坡坡面刷方，形成高陡邊坡，導致坡面形成卸荷臨空面，引發(fā)坡面橫(環(huán))向裂縫;隧道洞口段埋深較淺，巖層風化嚴重，多呈松散碎石類土狀，風化層的斜坡抗剪強度低;地表水沿節(jié)理裂隙面下滲，增加了上部坡體的重力，降低土石層的抗剪強度。

(3)縱向裂縫分布于隧道兩側(其中以左側發(fā)育) 20～50 m處，裂縫走向基本于隧道軸線平行或小角度相交，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，片理與隧道軸向一致。分析其形成原因，主要由于基巖巖體破碎，隧道施工開挖后，圍巖應力調整，初期支護變形大，圍巖形成較大松動圈，繼而引發(fā)隧道兩側產生縱向裂縫。

4　工程處理措施

4.1地表裂縫處理措施

(1)裂縫寬度小于2 cm地段，沿地表裂縫開挖深度50 cm、寬度50 cm的溝槽，然后采用三七灰土分層夯實，并高于原地面10 cm。

(2)裂縫寬度大于2 cm地段，在沿裂縫開挖槽后，采用漏斗自重法對裂縫灌注1∶1的水泥砂漿，最后對溝槽采用三七灰土分層夯實，并高于原地面10 cm。

4.2隧道內處理措施

(1)對局部初支侵限需進行拆換的段落，必須在相鄰段兩端二次襯砌均已施做完畢后方能開始進行拆換。

(2)初支變形侵限處理必須遵循“先加固、后拆換”的原則，嚴格按照“拆換一段，支護一段”的工序要求進行施工，同時應及早施做二次襯砌［9］。

(3)隧道初支侵限段一次拆換和恢復的鋼架不得超過1榀，并需逐節(jié)進行拆換，初期支護拆換并一次施做二襯段落不大于6 m。

(4)拆換過程中應加強監(jiān)控量測，確保安全。

(5)對掌子面前方20 m范圍內圍巖等級由Ⅳ級調整為Ⅴ級，初期支護措施進行加強。

4.3隧道口邊仰坡加固措施

(1)根據(jù)既有資料分析隧道口坡面裂縫發(fā)展方向為洞內施工卸荷所致。施工現(xiàn)場應建立系統(tǒng)的變形監(jiān)測網對坡面穩(wěn)定性及洞內進行系統(tǒng)觀測，監(jiān)測過程中若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常或突變時，可及時采取應對措施進行處理。

(2) DK650+443隧道洞口明暗分界(距拱頂20 m，高程715 m)處開始邊坡按自然坡自上而下進行清理。

(3)格梁錨索加固洞口及施工便道邊坡。里程DK650+443～DK650+472、隧道左側100 m、右側43 m范圍內，地表采用格梁錨索對洞口及施工便道邊坡進行加固。

沿高程680 m坡腳處設置1道1.0 m高、0.4 m厚的C30混凝土護腳。

(4)預加固樁及錨索加固洞門。隧道進口兩側設置預加固樁。左側設置3根，右側設置2根(圖6)。樁長30 m，截面尺寸2.0 m×3.0 m，樁間距5 m，為便于樁身質量檢測，樁四角鋼筋內部分別預埋1根Φ5 cm的聲測管。

圖6　格梁錨索及加固樁平面布置

樁頂下1、3 m處各設1孔錨索(注意預留錨索孔)。預應力錨索自由段長35 m，錨固段(弱風化巖) 長10 m。

加固樁施工期間及施工完成后，應持續(xù)加強變形監(jiān)測。根據(jù)現(xiàn)場變形監(jiān)測資料分析研究成果，為邊坡加固、隧道施工提供基礎性依據(jù)。

5　邊坡變形監(jiān)測技術方案及監(jiān)測結果

5.1邊坡及孔內位移監(jiān)測技術方案

針對該邊坡建立了系統(tǒng)的變形監(jiān)測網，對裂縫、坡體及洞內變形進行系統(tǒng)觀測［10-11］，對觀測數(shù)據(jù)進行分析，利用鉆孔進行孔內位移觀測［12］，以便及時調整處理措施。

利用先進的測量技術，對斜坡變形(開裂)面進行整體觀測，是全面認識斜坡變形的重要手段，本隧道采用平行網格方式對坡面進行系統(tǒng)觀測，地表變形監(jiān)測點38個。同時根據(jù)隧道內變形和開裂情況，對隧道初期支護及二次襯砌進行系統(tǒng)觀測。洞內監(jiān)測網點的分布主要位于隧道初期支護及二次襯砌拱頂、兩側拱腳及邊墻附近，洞內變形監(jiān)測點25個。

根據(jù)隧道進口坡面裂縫發(fā)展趨勢，結合鉆探布置情況，對鉆孔Z－3、Z－5、Z－6開展鉆孔內位移測量工作。

5.2監(jiān)測結果

(1)橫向變形方面:地表監(jiān)測點及鉆孔Z－3測斜數(shù)據(jù)均顯示在格梁錨索及洞口預加固樁未施工完成以前，邊坡、洞口擋墻及隧道內二襯呈現(xiàn)出向線路右側移動趨勢，這與隧道進口存在一定偏壓有關。工程措施施工完成后變形速率趨于穩(wěn)定。

(2)縱向變形方面:地表及隧道內監(jiān)測點、鉆孔Z－3、Z－6測斜數(shù)據(jù)均顯示在格梁錨索及洞口預加固樁未施工完成以前，變形速率較大，邊坡、洞口擋墻呈現(xiàn)出向小里程移動趨勢，工程措施施工完成后變形速率趨于穩(wěn)定。

(3)垂直變化方面:地表監(jiān)測點及鉆孔Z－5、Z－6測斜數(shù)據(jù)顯示在格梁錨索及洞口預加固樁未施工完成以前，變形速率較大，邊坡呈現(xiàn)出向下移動趨勢，工程措施施工完成后變形速率趨于穩(wěn)定。洞口擋墻、隧道內二襯的垂直變形速率不大，較為穩(wěn)定。

(4)根據(jù)隧道口坡面裂縫發(fā)展趨勢分析，坡面裂縫在隧道內二次襯砌施工完成之后即趨于穩(wěn)定，由此可以判定隧道口山體坡面整體穩(wěn)定。

(5)根據(jù)洞口擋墻變形特點分析，洞口防護擋墻基礎主要位于坡面第四系覆蓋層中，加固樁施工時開挖基坑，導致該處有一定量的變形，屬正常現(xiàn)象。加固樁施工完成后該處已趨于穩(wěn)定。

(6)隧道鉆孔孔內位移監(jiān)測數(shù)據(jù)與地表變形監(jiān)測網監(jiān)測數(shù)據(jù)及變形方向基本吻合，由此可見隧道進口存在一定量的變形趨勢。格梁錨索及洞口預加固樁施工完成后，邊坡、洞口擋墻及隧道內二襯的變形速率均趨于穩(wěn)定。

6　結語

(1)塔稍村隧道進口地層巖性為下元古界(Pt1)片巖夾大理巖，片理產狀為N80°E～N80°W/40°～75°S，片理產狀與線路方向近一致或小角度相交，與坡面方向近垂直。由于該地層時代較老，整體受花崗巖侵入影響嚴重，同時晁峪－坪頭－通洞斷裂(F1－2)自該隧道北面1～3 km處通過，且在隧道進口端南面約600 m處即為燕山期花崗巖和元古界地層的接觸帶，因此隧道口巖體受地質構造影響嚴重，巖體破碎。

(2)隧道洞口左側開設便道切坡刷方、隧道洞口切坡及仰坡坡面刷方，形成高陡邊坡，導致坡面形成卸荷臨空面，同時地表水沿節(jié)理裂隙面下滲，增加了上部坡體的重力，降低土石層的抗剪強度，引發(fā)坡面橫(環(huán))向裂縫。

(3)縱向裂縫分布于隧道兩側20～50 m處，裂縫走向基本與隧道軸線平行或小角度相交，分析其形成原因主要為巖體破碎，隧道施工開挖后，圍巖應力調整，初期支護變形大，圍巖形成較大松動圈，繼而引發(fā)隧道兩側產生縱向裂縫。

(4)采用綜合措施對地表、隧道內及洞口邊坡均進行了加固，同時針對該邊坡建立了系統(tǒng)的變形監(jiān)測網和鉆孔內位移測量工作，對裂縫、坡體及洞內變形進行系統(tǒng)觀測，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定施做了地表及洞內加固措施以后，該坡面處于穩(wěn)定狀態(tài)。

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Research on Control of Tunnel Entrance Slope Cracks on Dedicated Passenger Railway Line

ZHU Rong-chen
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an 710043，China)

Abstract:The article，with reference to Ta Shao-Cun Tunnel on Baoji-Langzhou dedicated passenger line，analyzes the causes of cracks at the tunnel entrance slope and in-tunnel cracks，evaluates slope stability and puts forward some specific measures.The formation lithology，structural properties，and the grades of the surrounding rock are illustrated.The systematic network is established to monitor the deformation on the surface and in the tunnel and the displacement of the borehole.With reference to detailed geological investigation，the causes and basic characteristics of the cracks in the entrance slope，in the portal maintaining wall and in the second lining are identified.In the light of the engineering geological characteristics of the combination section，reasonable engineering treatment measures are put forward，which may serve as references for the investigation and treatment of similar projects.

Key words:Railway tunnel; Crack; Monitoring network; Treatment measures

作者簡介:朱容辰(1983—)，男，工程師，2009年畢業(yè)于成都理工大學地質工程專業(yè)，工學碩士，E-mail:48356337@ QQ.com。

收稿日期:2015-07-30;修回日期:2015-08-12

文章編號:1004-2954(2016) 03-0112-05

中圖分類號:U238; U457

文獻標識碼:A

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.024