淺埋大斷面黃土隧道地表裂縫特征及形成機理淺析

令永春,趙永虎, 苗學云

(1.銀西鐵路有限公司,寧夏吳忠 751100； 2.中鐵西北科學研究院有限公司,蘭州 730000；3.中國中鐵科學研究院有限公司,成都 611731)

地表沉降變形與地表裂縫是黃土隧道淺埋段施工過程中最常見、危害最大的工程災害類型之一，嚴重者會導致地表建筑物開裂或出現(xiàn)隧道塌方，從而威脅施工人員生命安全及財產(chǎn)損失。因此，針對黃土隧道施工期內(nèi)淺埋段地表裂縫預防與處治技術是科研人員歷來研究的重點。

張風生[1]、丁維利等[2]采用坑探手段，對鄭西客運專線3條砂質(zhì)黃土隧道淺埋段地表裂縫發(fā)育特征及其成因進行了分析。牛斌等[3]研究了粉細砂地層隧道開挖過程中出現(xiàn)的地表沉降規(guī)律。鄭勇生等[4]通過現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)值仿真，對淺埋大斷面黏質(zhì)黃土隧道地表裂縫的形成機理進行了研究。王龍飛[5]總結(jié)了濕陷性黃土隧道進出口淺埋段的地表裂縫預防措施。王明年等[6]通過對鄭西客運專線12座黃土隧道地表裂縫現(xiàn)場調(diào)研和試驗，初步確定了深、淺埋隧道的分界深度。呂慶林等[7]總結(jié)了黃土隧道地表變形類型及其特征，分析了影響因素并提出處治措施。曹勇等[8]、羅濤[9]采用離散元3DEC計算方法，分析了不同埋深條件下施工開挖過程中新、老黃土節(jié)理的發(fā)展演化規(guī)律，從而深化了對地表裂縫形成機理的認識。陳海軍[10]研究表明黃土隧道淺埋段地表裂縫難以避免，需要采用洞內(nèi)控制措施來減小其發(fā)育規(guī)模。林德新[11]研究發(fā)現(xiàn)埋深在60 m內(nèi)的隧道在開挖過程中大多會出現(xiàn)15～70 mm寬度的地表裂縫。來弘鵬等[12]以銀西高鐵大斷面淺埋隧道為對象，系統(tǒng)總結(jié)了淺埋隧道施工地表縱向裂縫發(fā)展的時空規(guī)律。張成平等[13]初步研究了地層中的空洞區(qū)域?qū)Φ乇砹芽p的發(fā)育機理和影響規(guī)律。

上述研究成果針對洞口段、小段落淺埋段、黃土梁或黃土峁區(qū)山嶺隧道地表裂縫的防治提供了重要指導。然而目前針對董志塬區(qū)長段落大斷面淺埋黃土隧道的地表裂縫形成機理及其特征方面的研究鮮有報道，針對董志塬區(qū)長段落淺埋段大斷面黃土隧道地表裂縫防治措施或理念尚需深入探索和實踐。

鑒于此，以在建銀川至西安高速鐵路(以下簡稱“銀西高鐵”)上閣村隧道為工程實例，以其長段落大斷面淺埋黃土隧道地表裂縫為對象，基于現(xiàn)場調(diào)查、理論分析、文獻調(diào)研等手段，對董志塬區(qū)淺埋大斷面黃土隧道地表裂縫典型特征及其形成機理進行總結(jié)，并提出針對性施工對策及建議，以便為類似大斷面黃土隧道地表裂縫的預防與治理提供參考。

1 工程概況

銀西高鐵是我國“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)的重要組成部分，途經(jīng)甘肅時穿越被學術界譽為“世界黃土第一塬”的董志塬[14]。受地形地貌和線路方案等諸多因素控制，銀西高鐵均以長距離慢坡隧道形式穿越董志塬上塬面和下塬面，通過里程長達90 km[15]。其中淺埋連續(xù)分布距離最長、施工變形控制難度最大、地表裂縫發(fā)育最多的是位于慶陽市寧縣境內(nèi)的上閣村隧道。

上閣村隧道設計為雙線單洞，開挖寬度為14.8～15.2 m，最大開挖高度約為13.0 m，開挖斷面面積達160 m2，根據(jù)Q/CR 9511-2014《鐵路黃土隧道技術規(guī)范》隧道分級，屬于特大跨度大斷面黃土隧道。

隧道進口端約120 m及出口端約3 700 m段落均為連續(xù)分布的長段落淺埋段，地形平坦(圖1)，地表多為耕地，洞頂建(構)筑物密集分布。洞身均在地下水位線以上，淺埋段隧道埋深10～60 m(1.0～4.0倍洞徑)，洞身巖性為第四系上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土，圍巖穩(wěn)定性差，屬Ⅴ級圍巖。

圖1 上閣村隧道出口端地形地貌

為控制洞內(nèi)及地表變形，防止誘發(fā)地表沉降、地表裂縫、冒頂、坍塌等災害，施工中采用三臺階開挖預留核心土工法，對隧道開挖影響范圍內(nèi)的建(構)筑物密集分布區(qū)實施地表袖閥管注漿(圖2)、洞內(nèi)帷幕注漿、地表沉降變形監(jiān)測等綜合防控措施，以確保隧道施工安全[16]。

圖2 上閣村隧道出口端地表袖閥管注漿

2 淺埋隧道地表裂縫特征

針對上閣村隧道長段落淺埋大斷面黃土隧道施工過程中出現(xiàn)的地表裂縫、地表沉陷等病害，經(jīng)開挖后在現(xiàn)場及時調(diào)查、監(jiān)測，對上閣村隧道地表裂縫現(xiàn)場調(diào)研匯總結(jié)果如表1所示。從整體來看，董志塬區(qū)長段落淺埋大斷面黃土隧道施工過程中的地表裂縫發(fā)育典型特征，主要表現(xiàn)在裂縫分布位置、深度范圍、發(fā)育時間、隧道埋深和地表沉降變形等方面。

表1 上閣村隧道地表裂縫調(diào)研匯總

2.1 地表裂縫分布位置

主要集中在沿著隧道中線兩側(cè)12～26 m范圍內(nèi)，裂縫走向與隧道走向近似平行，兩條裂縫基本沿隧道中線對稱分布。裂縫寬度2～20 cm，在農(nóng)田耕地中連續(xù)分布，直至深、淺埋分界處裂縫消失。

2.2 地層裂縫深度范圍

由于董志塬區(qū)地表黏質(zhì)黃土層分布較均勻，開挖過程中首先在第四系中更系統(tǒng)黏質(zhì)黃土層(Q2eol)中出現(xiàn)潛在滑動面，并逐步向第四系上更系統(tǒng)黏質(zhì)黃土層(Q3eol)中擴展，導致整個開挖面頂部土體出現(xiàn)壓縮沉降或滑塌，當滑動面逐步向地表貫通后，在淺埋地段4.0倍洞徑深度范圍內(nèi)(約60 m)形成地表裂縫，并伴有冒頂、局部塌方的施工風險。因此，相對于黃土梁、峁區(qū)的隧道地表裂縫，董志塬區(qū)大斷面黃土隧道地表裂縫發(fā)育的深度更大、范圍更廣。

2.3 地表裂縫發(fā)育時間

從現(xiàn)場監(jiān)測來看，掌子面開挖后1～6 d內(nèi)是地表裂縫發(fā)育的關鍵時期，大多情況下距開挖掌子面前方1.0～1.5倍洞徑范圍內(nèi)土體均已出現(xiàn)輕微沉降，隨著掌子面的前移，沉降量逐步擴大，掌子面正上方地表裂縫發(fā)展趨勢增加，而掌子面正后方地表裂縫急劇發(fā)展，當整個斷面開挖并初支封閉成環(huán)后地表變形與地表裂縫發(fā)展趨勢逐步穩(wěn)定，因此，整個地表裂縫發(fā)育的時間規(guī)律可以總結(jié)為“孕育期-急劇變形期-平穩(wěn)期”三個階段。其中距離開挖掌子面前方1.0～1.5倍洞徑范圍施工時期是地表裂縫孕育的特殊時期，這也是地表裂縫預防和治理的最佳時期。而距掌子面后方1.0倍洞徑范圍內(nèi)的施工時期是地表沉降變形和地表裂縫發(fā)育的關鍵階段，也是現(xiàn)場監(jiān)控量測的重點。

2.4 地表裂縫與地表沉降變形相關性

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，董志塬區(qū)淺埋段地表裂縫多發(fā)生于地表沉降值大于80～100 mm的地段，當隧道中心線附近地表沉降超過130 mm或沿中線兩側(cè)1.0～1.5倍洞徑范圍內(nèi)地表沉降達到50～104 mm時，地表就有可能產(chǎn)生縱向裂縫。因此，地表沉降變形越大，出現(xiàn)地表裂縫的風險越大。

2.5 地表裂縫與隧道埋深的相關性

上閣村隧道出口端洞身埋深大部分在60 m以內(nèi)，施工期內(nèi)絕大多數(shù)段落出現(xiàn)了地表裂縫，受施工工法、巖層分布的影響，董志塬區(qū)長段落大斷面黃土隧道的深、淺埋分界深度基本為50～60 m，即在4.0倍洞徑埋深范圍內(nèi)，隧道亦出現(xiàn)地表裂縫。從表1可知，當隧道埋深在20 m范圍內(nèi)時，地表出現(xiàn)縱向裂縫，且裂縫寬度為8～20 mm，兩條裂縫之間距離為23～32 m(1.5～2.1倍洞徑)。當隧道埋深在50～60 m范圍內(nèi)時，地表出現(xiàn)的裂縫數(shù)量較少，且裂縫寬度也減小至1～5 mm，兩條裂縫之間距離為29～52 m(1.9～3.5倍洞徑)。因此，董志塬區(qū)大斷面黃土隧道出現(xiàn)地表裂縫多在60 m以下，局部地段有所加深。地表裂縫寬度與隧道埋深呈負相關，裂縫間距與隧道埋深呈正相關，即隧道越深，地表裂縫寬度越小，裂縫間距越大；反之，隧道越淺，地表裂縫寬度越大，裂縫間距越小。

2.6 地表變形與降雨的相關性

結(jié)合對當?shù)赜昙镜慕涤炅拷y(tǒng)計資料，將施工期間7月份降雨量與隧道地表最大累計沉降變形量之間的相關性統(tǒng)計如圖3所示。圖4為出口端6月份的相鄰斷面在無降雨工況下的地表沉降變形監(jiān)測情況。對比圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，開挖后第3 d，未降雨和降雨條件下的最大地表沉降量分別約為38 mm和170 mm；至開挖后第6 d，未降雨和降雨條件下的最大地表沉降量分別約為74 mm和235 mm；變形基本達到穩(wěn)定時(開挖后第15 d)，未降雨和降雨條件下的最大地表沉降量分別約為102 mm和330 mm。可見，相對于未降雨工況，降雨條件下的地表沉降變形量很大。尤其在降雨條件下，前3 d、前6 d內(nèi)的地表沉降變形量分別達到穩(wěn)定變形量的51.5%、71.2%。

在施工方法、地層巖性、地形地貌、埋深、地下水位等其他因素均相同，僅僅降雨條件變化的對比工況下，降雨當天及降雨后1～3d內(nèi)，地表沉降變形加劇，當在雨季連續(xù)降雨后，地表變形有可能逐步發(fā)育為沿隧道中線對稱分布的地表縱向裂縫。因此，降雨對地表變形和累計沉降量的發(fā)展具有重要影響，降雨量對地表變形量的發(fā)展具有一定的“預兆性”和“前瞻性”。

究其原因，主要是由于長段落淺埋段大斷面黃土隧道施工過程中，會在隧道洞身頂部影響范圍內(nèi)的黃土層內(nèi)節(jié)理、洞穴等進一步擴大，甚至形成新的節(jié)理、裂隙、潛在貫通裂縫等，并逐步向地表擴張，降雨時地表積水沿著裂隙下滲，由于黃土的水敏性和濕陷性等特殊性，使得隧道頂部黃土層內(nèi)土體結(jié)構產(chǎn)生自重濕陷下沉而急劇變形，最終導致地表沉降變形過大，有可能演化為地表裂縫。因此，對于淺埋段大斷面黃土隧道在雨季施工中應重視地表防水和排水，以預防地表積水造成黃土隧道地表出現(xiàn)過大沉降變形或地表裂縫。

圖3 地表變形量與降雨量關系

圖4 無降雨條件下地表沉降變形量監(jiān)測曲線

3 淺埋黃土隧道地表裂縫形成機理

由于第四系上更系統(tǒng)黏質(zhì)黃土自身的結(jié)構性，受掌子面開挖擾動影響，長段落淺埋段黃土地層圍巖壓力出現(xiàn)重分布，應力狀態(tài)由原始平衡狀態(tài)快速發(fā)展為不平衡狀態(tài)；隨著中下臺階土體的開挖而逐步調(diào)整，由于應力釋放和調(diào)整在洞頂局部形成應力集中區(qū)和應力不平衡區(qū)域，并由地層內(nèi)部逐漸向地表擴展，從而在淺埋段地層內(nèi)逐步形成具有滑動趨勢的“楔形體”，潛在滑動“楔形體”具有向隧道內(nèi)部開挖臨空面蠕動-接近滑動的趨勢；當滑動趨勢面土體拉應力或剪應力超過土體抗剪強度時即形成破壞面[17]，整個楔形體沿著滑動面向隧道內(nèi)部臨空面滑塌，并在地表形成明顯的縱向裂縫。

潛在滑動“楔形體”向臨空面發(fā)展的同時，由于黃土自身的各向異性，豎直方向黃土層內(nèi)的洞穴、節(jié)理、裂隙等進一步發(fā)育，土體的壓縮沉降變形加劇，洞頂圍巖的分層沉降累計后，引起地表沉降變形加劇或引發(fā)地表裂縫。而水平方向土體拉應力很小，在應力累計和應力釋放條件下，地表裂縫逐步向施工前方發(fā)展。

此外，淺埋黃土隧道頂部圍巖壓力以豎向壓力為主，側(cè)向壓力很小，隨著分部或臺階開挖、整個開挖斷面的擴大，開挖影響范圍內(nèi)的松動圈土體受力狀態(tài)、上覆土體自重、圍巖超前加固或初期支護等支撐體系不能保持協(xié)調(diào)變形與平衡時，洞頂圍巖難以形成承載拱，圍巖土體沿著隧道中線加速下沉，因而加劇了地表裂縫的發(fā)展。同時，地表裂縫沿著隧道開挖方向逐步發(fā)育，亦為后續(xù)斷面的沉降變形發(fā)展留下隱患。

滑動楔形體向洞內(nèi)開挖臨空面滑動的同時，滑動體自身重力對兩側(cè)附近土體產(chǎn)生側(cè)向推擠作用[17]，導致地表裂縫兩側(cè)土體產(chǎn)生輕微隆起現(xiàn)象，而兩條縱向裂縫內(nèi)土體沿著隧道中線呈現(xiàn)下凹并對稱分布，基本呈“鍋底狀”(圖5)。

因此，從地表裂縫的形成機理來看，控制和有效防止地表裂縫發(fā)生的關鍵在于對洞頂土體沉降變形的有效防控，改善黃土層力學性質(zhì)與強度，同時，需要加強洞內(nèi)支撐的強度與剛度，盡量減少對圍巖的長期擾動。

圖5 地表裂縫形成機理示意

4 施工建議

針對董志塬區(qū)長段落淺埋大斷面黃土隧道施工期內(nèi)出現(xiàn)的地表裂縫，可采取的施工措施如下。

(1)針對埋深較大(2.0～4.0倍洞徑)段，可采用超前小導管、鎖腳錨管等措施，同時盡早施作鋼拱架、鋼筋網(wǎng)、噴混凝土等初期支護，嚴格遵循施工步序，縮短支護時間，使初期支護盡早受力，將圍巖沉降變形控制于合理的時間與范圍內(nèi)。

(2)針對松散、節(jié)理極其發(fā)育、極淺埋(1.0倍洞徑)、地表建(構)筑物復雜等特殊地段，采用地表袖閥管注漿、洞內(nèi)帷幕注漿等措施[16]，改善洞頂黃土圍巖力學性質(zhì)，增強圍巖整體自穩(wěn)性和自身強度，預防隧道圍巖內(nèi)部的潛在滑動面擴大甚至貫通，防止圍巖出現(xiàn)過大沉降變形或地表裂縫。

(3)建立地表與洞內(nèi)綜合監(jiān)測預警體系，實時監(jiān)測圍巖動態(tài)變化情況，提出防止黃土隧道出現(xiàn)地表裂縫的地表沉降變形控制標準或評價體系。建立洞內(nèi)外監(jiān)測預警制度，當洞內(nèi)或地表變形超出警戒值時，立即停止施工，采取相應措施后方可繼續(xù)施工。

(4)嘗試采用環(huán)向讓壓支護[18]、裝配式襯砌[19]等新型初期支護措施，使圍巖變形及受力控制體系更加合理，從而防止地表裂縫的出現(xiàn)。

(5)重視雨季地表排水措施，在雨季應加強地表降雨、地表積水的調(diào)研與觀測，防止雨水下滲導致出現(xiàn)過大沉降變形或地表裂縫。

(6)針對含水率較大的圍巖或斷面局部處于地下水位以上時，可采用洞內(nèi)排水、地表降水等輔助措施，尤其在高含水率地段可采用超前中管棚或大管棚、洞內(nèi)帷幕注漿、徑向注漿等措施，以消除或減弱地下水對圍巖的影響。

(7)對于已經(jīng)產(chǎn)生的地表裂縫，宜及時采用三七灰土、水泥砂漿等進行回填、封堵、夯實，并定期進行檢查，出現(xiàn)新開裂地段者及時補填。

5 結(jié)語

基于對董志塬區(qū)長段落淺埋大斷面黃土隧道地表裂縫現(xiàn)場調(diào)研，總結(jié)了地表裂縫的典型特征并分析了其形成機理，提出了施工建議，主要結(jié)論如下。

(1)董志塬區(qū)長段落淺埋大斷面黃土隧道地表裂縫沿隧道中線向兩側(cè)對稱分布，開挖影響范圍內(nèi)地面整體呈“鍋底狀”下凹形，地表裂縫寬度寬而深，基本貫通至隧道頂。

(2)地表裂縫寬度與隧道埋深呈負相關，裂縫間距與隧道埋深呈正相關。黃土隧道埋深在20 m內(nèi)時，地表裂縫間距為1.5～2.1倍洞徑，黃土隧道埋深在50～60 m內(nèi)時，地表裂縫間距為1.9～3.5倍洞徑。

(3)董志塬區(qū)長段落淺埋大斷面黃土隧道地表裂縫主要是由于潛在滑動“楔形體”向隧道內(nèi)部臨空面滑動、黃土層內(nèi)的洞穴裂隙等壓縮沉降、洞頂上覆土體自重與支撐體系強度不平衡等因素綜合導致的。

(4)地表裂縫發(fā)育主要經(jīng)歷“孕育期-急劇變形期-平穩(wěn)期”3個階段，距開挖掌子面前方1.0～1.5倍洞徑范圍的孕育期是地表裂縫預防和治理的最佳時期，距掌子面后方1.0倍洞徑范圍內(nèi)的施工時期是地表沉降變形和地表裂縫發(fā)育的關鍵階段，也是現(xiàn)場監(jiān)控量測的重點。

(5)降雨當天及降雨后1～3 d內(nèi)，地表沉降變形量達到穩(wěn)定變形量的50%以上，降雨量對地表變形量及地表裂縫的發(fā)展具有一定的“預兆性”和“前瞻性”。對于淺埋段黃土隧道在雨季施工中應重視地表防水和排水。

(6)結(jié)合隧道埋深、圍巖含水率等情況，選用超前小導管、中大管棚、鎖腳錨管、地表袖閥管注漿、洞內(nèi)帷幕注漿、徑向注漿、地表防排水和洞內(nèi)排水等綜合措施，改善黃土圍巖力學性質(zhì)，增強圍巖整體自穩(wěn)性和自身強度，能夠有效預防圍巖出現(xiàn)過大沉降變形或地表裂縫。