黃土隧道開挖對洞頂建筑物的影響分析

高宏剛

近年來，隨著我國公路事業(yè)的發(fā)展，隧道作為高速公路中重要的構造物，在交通樞紐中起到了舉足輕重的作用，甘肅境內典型隧道包括連—霍主干線甘肅天巉公路黃土隧道群、巉柳公路黃土隧道群、平涼—定西高速公路黃土隧道群、寶雞—天水高速公路黃土隧道等，但從已建成的黃土公路隧道反映出的問題來看，部分隧道存在不同程度的病害，主要反映在洞頂沉降量大，拱頂、拱腰縱向開裂及地表開裂、塌陷等，這種危害不但影響隧道施工、運營安全，還進一步危害了當地居民的生活及生產。考慮到公路隧道的開挖和地下小窯采空區(qū)對其上部地表建筑物危害的相似性，本文根據“小窯采空區(qū)穩(wěn)定性評價”的方法對平定高速公路靜寧隧道西側進出口段開挖過程中洞頂安全埋深及其影響范圍進行驗算、分析，并通過計算結果與現場地質調繪的互相驗證，為公路隧道頂部地表建筑物的穩(wěn)定性評價提供新的理論依據。

1 研究區(qū)工程概況

靜寧隧道位于靜寧縣平山、峽口、頭岔、小灣和趙家溝之間，設計為上下行分離的雙洞，上行線進、出口里程樁號為SK207+400，SK210+000，長2 600 m;下行線進、出口里程樁號為XK207+381，XK210+060，長2 679，屬松軟黃土和弱膠結巖石型長隧道。隧道西側進、出口位于黃土斜坡上，洞口前緣及兩側發(fā)育有黃土沖溝，黃土斜坡地表多田坎，坡度約54°～63°，黃土層厚21.5 m～25.8 m，鉆孔揭露深度范圍內未見有地下水。隧道開挖前地表地形完整，坡面整齊。隧道開挖后地表發(fā)生裂縫，2007年7月11日凌晨，隧道開挖至XK209+640時，地表發(fā)生沉陷，造成隧道頂部村民房屋倒塌，地表產生沉降裂縫。

2 研究區(qū)地層巖性

根據隧道勘察鉆探資料及室內試驗分析，研究區(qū)隧道進口段為第四系沖積黃土層，褐黃色，飽和，軟塑，局部潮濕，硬塑，土質較均勻，大孔隙發(fā)育，厚度變化大，其物理力學指標為:天然含水量W=21.86%～26.10%、天然孔隙比 e0=0.678～0.953、塑性指數 Ip=8.50～13.20、液性指數 IL=0.18～0.65、壓縮系數 a=0.14 MPa－1～0.42 MPa－1、壓縮模量 Es=4.22 MPa～11.31 MPa、剪應力 C=15.0 kPa～44.0 kPa、內摩擦角 φ =13.2°～24.5°，具中等偏高壓縮性。富含第四紀孔隙水，多呈飽和狀，呈易蠕動的松軟結構，圍巖極易坍塌變形，巖體Vp=351 m/s～970 m/s;受大氣降水和黃土層孔隙水影響，有滲水或滴水。

3 隧道安全埋深及兩側影響范圍估算

鑒于隧道開挖與小窯采空在開挖方式、過程、對周圍環(huán)境的影響等方面具相似性，根據巖土工程手冊第21章“小窯采空區(qū)穩(wěn)定性評價理論”對平定高速公路靜寧隧道淺埋段開挖過程中洞頂安全埋深及其影響范圍等進行驗算、分析，為工程的安全施工及隧道洞頂居民的征遷范圍提出建設性意見。

1)靜寧隧道西端進出口隧道安全埋深及其兩側影響范圍估算(見圖1)。

2)隧道安全埋深采用公式如下:

其中，H為隧道洞頂埋藏深度，m;H0為開挖臨界深度，m;a為隧道跨徑的一半，a=6.28 m;β取45°－φ/2;φ為巖土的內摩擦角，(°);CD 為影響寬度，m。

隧道已開挖段在上更新統(tǒng)沖積飽和黃土(Qal3)中通過，據施工圖設計階段試驗資料，飽和黃土物理力學指標為:天然含水量W=21.86%～26.10%、天然孔隙比 e0=0.678～0.953、塑性指數 Ip=8.50～13.20、液性指數 IL=0.18～0.65、壓縮系數 a=0.14 MPa－1～0.42 MPa－1、壓縮模量 Es=4.22 MPa～11.31 MPa、剪應力 C=15.0 kPa～44.0 kPa、內摩擦角 φ =13.2°～24.5°，具中等壓縮性。φ 分別取 13.5°，24.5°進行計算，結果見表1。

表1 隧道安全埋深及影響寬度計算結果

當H＜H0時，隧道洞頂不穩(wěn)定，會塌陷下沉。

當H0≤H≤1.5H0時，隧道洞頂穩(wěn)定性差，易發(fā)生塌陷下沉。

當H＞1.5H0時，隧道洞頂穩(wěn)定。

3)根據實測資料，靜寧隧道洞頂塌方段及受隧道開挖產生地表裂縫的埋深為72 m～79 m，其值小于該段黃土取最小內摩擦角值時的開挖臨界深度84.2 m，并且小于該段黃土取最大內摩擦角值時計算的安全深度值99.9 m(1.5倍的臨界深度)，屬會塌陷下沉范圍或易發(fā)生塌陷下沉的地段，計算結果與隧道開挖后實際產生的結果相符。

4)根據實測開挖時隧道塌陷段的埋深(H)及隧道兩側地表沉陷裂縫的影響范圍(CD)，代入上式反算隧道黃土的內摩擦角φ值。計算結果見表2。

表2 反算結果

由以上結果可以看出，在現階段開挖過程中產生的地表裂縫范圍與理論計算結果基本吻合，經反算驗證，下行線所得φ值位于飽和黃土內摩擦角變化范圍之內，與施設階段試驗結果基本吻合，上行線所得φ值雖位于飽和黃土內摩擦角變化范圍之外，與施設階段試驗結果有出入，結合該段鉆探資料分析，該段洞身處圍巖為一般新黃土夾層，其φ值應為20°～44.38°，所以反算結果與施設階段試驗結果相符。

4 結語

黃土是第四紀大陸松散堆積物，與人類活動密切相關，近年來陸續(xù)修建了一些黃土道路隧道，多數黃土隧道頂部地表均有居民點，隧道的修建對其頂部居民的生活和生命財產產生了很大的影響，隧道洞頂的居民搬遷問題一直以來是備受爭議的問題，本文是通過用小窯采空區(qū)穩(wěn)定性評價的理論，以隧道開挖和小窯開挖對其上部地表建筑物危害的相似性，通過理論計算與現場測量的相互印證，說明用小窯采空區(qū)穩(wěn)定性評價的理論計算隧道洞頂建筑物的安全埋深及安全范圍是現實可靠的。

［1］JTG D70-2004，公路隧道設計規(guī)范［S］.

［2］JTJ 064-98，公路工程地質勘察規(guī)范［S］.

［3］GB 50021-2001，巖土工程勘察規(guī)范［S］.

［4］童勇江，張厚泉.隧道明洞洞頂合理填土高度研究［Z］.