董志黃土塬地區淺埋隧道施工地表縱向裂縫發展時空規律研究

來弘鵬， 黃鵬志， 劉禹陽， 劉俊平

(1. 長安大學， 陜西 西安 710064； 2. 銀西鐵路有限公司， 寧夏 吳忠 751100)

0 引言

淺埋黃土隧道施工過程中由于黃土地層特殊的垂直結構性，若施工不當，往往會在隧道上方地表產生平行于隧道中心線的縱向裂縫(見圖1)。這種地表裂縫不僅會影響隧道的施工安全和運營安全，還會導致隧道上方黃土塬居民區房屋開裂，帶來巨大的安全隱患與經濟損失。目前，針對黃土地層地表縱向裂縫的發展規律與防控措施，國內外學者已開展了一系列的研究工作，并取得了相應成果。葉朝良等[1]使用物理探測和人工探坑相結合的方法對黃土隧道地表縱向裂縫進行了實測并預測裂縫的發展深度，形成了整套預測地表裂縫深度的探坑方法；丁維利等[2]通過5種不同設備對裂縫深度和裂縫面方向進行了探測，提出黃土隧道地表裂縫分布和深度規律；朱永全[3]依托于鄭—西鐵路客運專線，在大量調查的基礎上，結合離散元軟件模擬分析，總結了不同埋深、不同施工方法下黃土隧道地表裂縫的發生與發展規律。以往對黃土隧道施工中地表縱向裂縫的研究多集中于裂縫的空間位置分布與裂縫的成因分析[4-5]，對裂縫的發展規律分析往往停留在二維平面空間，不夠深入，對在施工過程中預防地表縱向裂縫產生的作用有限。

圖1 現場地表縱向裂縫圖

綜上所述，對淺埋黃土隧道施工過程中地表縱向裂縫發展的時空規律還需進行更加深入的研究，特別是在空間維度上研究不同隧道埋深下裂縫的形態與特征，在時間維度上確定開裂起止時間與裂縫發展速度，綜合總結出地表縱向裂縫發展的時空規律，并提出減少地表縱向裂縫的施工防控措施建議。

1 工程概況

1.1 工程地質條件與隧道設計參數

所依托黃土隧道工程位于甘肅省慶陽市境內的董志黃土塬地區，董志塬是目前黃土高原現存面積最大、土層最厚的黃土塬，其地形地貌如圖2所示。該黃土塬表層為第四系上更新統黃土，其厚度約為15 m；位于上更新統黃土下部的是第四系中更新統黃土，厚度為150～200 m。受董志塬地形地貌及線路方案控制，隧道全部位于黃土層中。經過實地調查發現，其中地表縱向裂縫最為明顯的是隧道淺埋段(長約2 100 m)，埋深為20～40 m。

隧道斷面寬1 470 cm，高1 223 cm，橫截面積大。施工以三臺階留核心土七步開挖法進行隧道掘進，采用長度為4.5 m的φ42 mm超前小導管與長度為9 m的φ159 mm長管棚進行超前支護。隧道襯砌采用復合式襯砌，初期支護采用35 cm厚的C25噴射混凝土，I25a鋼拱架間距為60 cm，系統錨桿為φ22 mm砂漿錨桿，隧道二次襯砌為70 cm厚的C35鋼筋混凝土。

圖2 董志塬基本地形地貌

1.2 施工現場地表裂縫分布情況

為了解實際施工現場地表縱向裂縫的分布情況，在隧道埋深為30 m的 DK212+210隧道斷面正上方前后35 m范圍內的地面進行地表縱向裂縫調查，測量裂縫寬度、裂縫與隧道中線間的水平距離。調查發現，地表主要存在有2條對稱于隧道中線的地表縱向裂縫，如圖3所示。2條地表縱向裂縫彎曲發育但都大致平行于隧道中線，其中左邊裂縫與隧道中線之間水平距離平均為16.58 m，右邊裂縫與隧道中線之間水平距離平均為16.77 m，最大裂縫寬度為4.6 cm。現場測量過程如圖4所示。

圖3 現場地表縱向裂縫分布圖(單位： m)

圖4 現場地表裂縫測量

2 數值模型的建立與地表縱向裂縫位置的確定

2.1 數值幾何模型的建立

采用FLAC3D數值模擬軟件，建立三維有限差分數值計算模型，模型整體尺寸為70 m×100 m×85 m(長×寬×高)，如圖5所示。其中地層分為2層，表層為15 m厚的第四系上更新統黃土(Q3黃土)，以下均為第四系中更新統黃土(Q2黃土)。在模型前后、左右分別施加與其表面垂直的水平約束，在模型下表面施加豎直方向的約束，模型上表面為無約束的自由邊界，計算過程中只考慮重力的影響。針對地表裂縫最為明顯的淺埋段，將模型隧道埋深分為3種工況，分別為20、30、40 m。隧道模擬開挖采用三臺階七步開挖法，各參數與實際工程保持一致，如圖6所示。

圖5 數值計算模型圖

圖6 隧道開挖示意圖

2.2 模型物理力學參數

結合室內試驗測得黃土的相關物理參數并依據地質勘探報告確定圍巖的物理力學參數，圍巖和隧道襯砌均采用實體單元。圍巖采用雙線性應變軟化遍布節理本構模型，襯砌采用線彈性模型，超前小導管的加固作用等效成加固區。各材料物理力學參數如表1和表2所示。

2.3 地表縱向裂縫成因與模型中裂縫位置的確定方法

國內外學者研究發現，在淺埋黃土隧道的修建過程中往往會在地層中產生不均勻的沉降位移[6-8]，進而導致地表一定范圍內發生拉應力集中。當拉應力超過黃土的抗拉強度或黃土原有垂直節理裂隙的黏結強度后，地表將被拉開而產生可見的地表裂縫[9-11]，如圖7所示。而相對于地表淺層可見的拉裂破壞，在地表以下一定深度的土體由于自重產生擠壓作用，縱向裂縫的表現為滑動破壞面，但是該實際破壞面不會張開，其與地表淺層的可見裂縫連續并且向下延伸至隧道拱頂兩側。

表1 圍巖物理力學參數表

注：C1、φ1分別為黃土應變軟化前的黏聚力與摩擦角;C2、φ2分別為黃土應變軟化后的黏聚力與摩擦角;jc為節理面的連結強度;φ為節理面摩擦角;jdip為節理面傾角。

表2 隧道支護物理力學參數表

由于FLAC3D軟件在模擬過程中無法直觀地通過模型的開裂來確定裂縫位置，因此提出了將地層拉應力、地層水平位移、地層土體破壞區3個指標互相結合、互相補充、相互驗證的裂縫發展狀態綜合確定方法： 在地表淺層以地層拉應力最大點連線為主，輔以地層水平位移最大點連線與地表小范圍受拉破壞區，判斷地表淺層裂縫的發展狀態；在地層深部以地層水平位移最大點連線為主，輔以隧道周邊地層塑性破壞區位置，確定深層裂縫的發展狀態。裂縫發展狀態綜合確定方法如圖8所示。通過分析不同隧道埋深工況下地表縱向裂縫的空間發展狀態和不同時間點地表縱向裂縫的時間發展狀態，可研究地表縱向裂縫的發展時空規律。

圖7 地表縱向裂縫成因示意圖

圖8 裂縫發展狀態綜合確定方法

Fig. 8 Comprehensive determination method of crack development status

為了驗證數值模擬的真實性與裂縫發展狀態綜合確定方法的正確性，將模型中所得的地表縱向裂縫的平面分布位置與現場地表縱向裂縫調查數據進行比對，可以發現模擬結果與現場實際情況吻合良好。數值模型中裂縫與隧道中線之間水平距離平均為15.7 m，裂縫平均寬度為4.9 cm，與實際誤差在10%之內，說明模型對實際工程中的地表縱向裂縫能有效還原且裂縫發展狀態的確定方法可靠。

3 董志黃土塬地區淺埋隧道施工地表縱向裂縫發展時空規律

3.1 地表縱向裂縫發展的空間規律

對20、30、40 m埋深條件下的黃土隧道施工進行模擬，得出地表縱向裂縫發育完全后的位置并繪制出裂縫在地層橫截面中的空間發展狀態圖，如圖9所示。對不同埋深下地表縱向裂縫發展特征進行分析，最后總結出地表縱向裂縫在地層中發展的空間規律，并用圖10進行直觀表達。

(a) 埋深20 m

(b) 埋深30 m

(c) 埋深40 m

Fig. 9 Spatial development status of surface longitudinal cracks under different buried depths (unit: m)

1)在隧道開挖輪廓線與黃土地層皆水平且軸對稱的情況下，由隧道施工引起的地表縱向裂縫對稱形成于隧道中線兩側。

2)地表縱向裂縫在地表淺層一定深度呈向下垂直狀，后逐漸向隧道中心線傾斜，總體呈“倒八字”形，最終止于隧道拱頂兩側。

圖10 地表縱向裂縫發展的空間規律圖

3)地表縱向裂縫與隧道開挖輪廓線相交于拱頂兩側拱腰，該交點與隧道初期支護受力集中點相同，與隧道埋深、隧道開挖方式無關。

4)不同埋深隧道施工所產生的地表縱向裂縫的傾斜角度(裂縫與水平面間夾角)大致相等。

5)地表縱向裂縫與隧道中線之間的水平距離隨著隧道埋深增大而增大。

3.2 地表縱向裂縫發展的時間規律

為了確定地表縱向裂縫發展的起止時間與發展速度，揭示地表縱向裂縫發展的時間規律，提取記錄了模型中地表縱向裂縫發展全過程中的裂縫深度變化。由于模型隧道每延米開挖時間相等，因此采用模型隧道的開挖長度(掌子面與模型邊界距離)作為表示施工進度的時間節點。為了避免數值模型中的尺寸效應，選取距模型邊界30 m的橫斷面作為監測斷面。通過對掌子面在不同位置時監測斷面地表縱向裂縫的深度監測，分析總結得出地表縱向裂縫發展的時間規律。

隧道埋深為20、30、40 m工況下的30 m處監測斷面地表縱向裂縫發展程度圖如圖11—13所示。橫軸為掌子面距隧道開挖起始位置(模型邊界)的距離。

圖11 埋深20 m工況下地表縱向裂縫深度發展過程

Fig. 11 Development process of crack depth under buried depth of 20 m

圖12 埋深30 m工況下地表縱向裂縫深度發展過程

Fig. 12 Development process of crack depth under buried depth of 30 m

圖13 埋深40 m工況下地表縱向裂縫深度發展過程

Fig. 13 Development process of crack depth under buried depth of 40 m

為了對比分析不同埋深下地表縱向裂縫的發展速度，將3個埋深的監測斷面地表縱向裂縫發展程度曲線進行比較，結果如圖14所示。

圖14 3個埋深工況下裂縫深度發展對比圖

Fig. 14 Comparison of crack depth development under three different buried depths

通過分析各埋深下裂縫發展的時間特征，總結出以下淺埋隧道施工地表縱向裂縫發展的時間規律：

1)不論隧道埋深大小，地表縱向裂縫在隧道掌子面未推進至監測斷面時就已經開始發展，具有時間上的超前性。

2)地表縱向裂縫的發展速度在時間上具有不均勻性，存在有快速發展階段，總體上呈現“緩—急—緩”的發展規律。

3)當隧道掌子面推進至位于監測斷面正下方時，無論隧道埋深大小，監測斷面處的地表縱向裂縫深度都已達到相應的最大值。

4)在淺埋條件下，隧道埋深越大，在監測斷面處的地表縱向裂縫出現越早，超前范圍越大，但發展較慢，快速發展階段持續時間較長；隧道埋深越小，地表縱向裂縫出現越晚，超前范圍越小但發展速度快，快速發展階段持續時間較短。

4 黃土隧道施工地表縱向裂縫的防控措施建議

4.1 地表縱向裂縫的防控理念

在給出地表縱向裂縫的防控建議之前，必須從地表裂縫的產生機制出發提出科學的防控理念[12-13]。黃土隧道施工過程中掌子面前方圍巖發生先行位移，在黃土地層中形成滑動楔形土體，進而在地表以沉降槽的形式對地面產生影響。在沉降槽的前沿由于土體位移量的不均，拉應力集中加之黃土特殊的垂直結構性，導致地表受拉張開，產生地表縱向裂縫[14-15]。根據以上地表縱向裂縫的產生機制，對應裂縫空間上和時間上的演化規律，可以提出2種不同防控理念：

1)在地層中控制掌子面前方圍巖先行位移。

2)在地表進行加固，防止地面開裂。

4.2 地表縱向裂縫的防控措施建議

根據2種不同的防控理念，可提出2類防控建議: 一類是通過洞內超前支護措施對掌子面前方圍巖進行加固，稱為洞內措施；另一類是對隧道上方地表進行預加固處理，稱為地表措施。具體建議方案如下：

1)采用注漿導管對隧道掌子面前方土體進行加固。該防控方案屬于洞內措施，是在隧道掌子面上臺階拱頂至拱腳范圍內施作注漿導管，具體導管長度根據土體參數與隧道埋深確定。該方案控制了掌子面前方圍巖先行位移，進而抑制了楔形土體的滑移，從根本上預防了地表縱向裂縫的產生，但成本可能較高，技術難度較大。

2)采用地表注漿對隧道上方地表進行加固。該方案屬于地表措施，根據隧道埋深與地層土體參數確定地表沉降槽的拉應力集中區，確定易發生地表開裂的敏感區后在該區域采用普通水泥漿進行鉆孔注漿或旋噴樁進行地表土體加固。此方案相較于洞內措施成本低，但在地表有居民區或農田的情況下難以實施。

2種防控建議方案效果、成本、實施條件不同，在實際施工中應根據現場地表實際情況將各方案科學合理地組合起來，進行分段分方案綜合治理。

5 結論與建議

本文依托于甘肅省慶陽市董志黃土塬地區淺埋鐵路隧道工程，通過現場調查與計算機數值模擬相結合的方式，分析了隧道施工所導致的地表縱向裂縫的形成原因，提出了將地層拉應力、地層水平位移、地層土體破壞區3個指標互相結合、互相補充、相互驗證的模型裂縫發展狀態綜合確定方法，從而揭示了裂縫發展的時空規律，同時給出了相應的地表裂縫防控措施建議。

1)淺埋隧道施工引起的地表縱向裂縫一般對稱形成于隧道中線兩側，在地表淺層呈向下垂直狀發育狀至一定深度后逐漸向隧道中心線傾斜發展，呈“倒八字”形，最終發育至隧道拱頂兩側。

2)在開挖方法相同、隧道斷面相同的情況下，不同埋深隧道地表縱向裂縫傾斜角度(裂縫與水平面間夾角)大致相等，且裂縫最終貫通時與拱腰相交位置相同，因而地表縱向裂縫與隧道中線之間的水平距離隨著隧道埋深增大而增大。

3)地表縱向裂縫發展具有時間上的超前性，其發展速度在時間上不均勻，總體上呈現“緩—急—緩”的發展速度規律。隧道埋深越大，地表縱向裂縫超前范圍越大，但裂縫的發展速度較慢；隧道埋深越小，地表縱向裂縫的超前范圍越小，但發展速度快。各埋深裂縫深度在掌子面到達監測斷面時已基本完全發育至最大值，后期擴展很小。

根據所得地表縱向裂縫發展時空規律，提出了相應的防控理念。建議在防控地表裂縫的過程中把握好地表裂縫形成的超前性，根據隧道埋深大小，采用洞內超前注漿加固的方式，做好隧道掌子面前方圍巖先行位移的控制工作，并結合地表加固措施，避免地表縱向裂縫對隧道施工及后期運營安全造成危害。