談軟弱黃土隧道地表裂縫形成機理及處治技術

常 青 峰

(山西晉中路橋建設集團有限公司，山西 晉中 030600)

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談軟弱黃土隧道地表裂縫形成機理及處治技術

常 青 峰

(山西晉中路橋建設集團有限公司，山西 晉中 030600)

以山西省某黃土公路隧道為例，介紹了其工程概況，從開挖工序、土體變形兩方面，分析了其地表裂縫產生機理，并提出了圍巖加固、洞內處治、洞外處治三種解決措施，為類似工程提供參考。

黃土地層，隧道，地表裂縫，圍巖

0 引言

由于黃土地層具有特殊的結構性和強烈的水敏性，其工程性質較差、遇水濕陷性較重，在黃土隧道施工過程中極易產生地表塌陷、洞穴、地表裂縫等病害。其中，地表裂縫危害最為嚴重，影響到施工安全及后期運營安全；同時，地表裂縫對黃土地層的自然環境、水土流失等方面也造成極大的影響。目前，對于黃土地層地表裂縫的形成機理及防治措施，國內外學者們已開展了大量的研究工作，取得了一系列的科研成果。趙鵬飛[1]結合工程實例，首先分析了大斷面黃土隧道工況下的地表裂縫形成機理，其次探討了地表裂縫對黃土隧道長期性能的影響；張風生[2]通過調查鄭西客專黃土隧道地表裂縫情況，從理論分析角度分析了地表裂縫產生原因，總結地表裂縫的發展規律；葉朝良等人[3]依托鄭西客專黃土隧道，利用物理探測和人工探坑手段對地表裂縫進行了現場實測，并預判了裂縫發展深度。本文結合山西某黃土公路隧道的工程實踐，深入分析地表裂縫的產生機理，進而提出了圍巖加固、洞內、洞外加固等處治技術，從而為類似工程提供了技術支撐。

1 工程概況

山西某黃土公路隧道采用雙向四車道，為左右線分離式，左右線長度分別為2 560 m,2 535 m，行車道寬度為2×3.75 m，建筑界限為：凈高5.5 m，凈寬10.75 m。隧址區地貌單元屬黃土梁峁溝壑區，山梁總體呈北～南走向，長約1.5 km，地勢東南高，西北略低，山梁底部寬200 m～300 m，梁頂寬約30 m～50 m，兩側小型沖溝較發育。隧道進出口端地形條件均為階梯狀、斜坡狀，其坡度為40°～45°之間；洞身段地形條件為“U”溝谷，地形寬緩。隧址區分布有濕陷性較強的黃土地層，其具有高壓縮性。尤其是洞口段土體為坡洪積和風積的嚴重濕陷黃土狀土，呈褐黃色、稍濕、稍密狀，其成分以亞粘土為主，蟲孔、孔隙發育。

在該隧道施工過程中，洞口淺埋段開挖15 d后，隧道地表即出現裂縫，其從拱腳部位開始，以一定角度延伸至地表。該地表裂縫分布在隧道軸線兩側，并隨著掌子面的不斷開挖而沿平行于隧道軸線的方向延伸。在隧道洞身段開挖30 d～40 d后，沿著隧道中軸線兩側地表各出現一條縱向裂縫，且隨著施工的不斷進展，該裂縫不斷向前延伸。在隧道偏壓地段，其偏壓側出現一條不規則的裂縫，并有嚴重錯臺現象，錯臺最大高度為5 cm，裂縫最大寬度10 cm，如圖1,圖2所示。

2 地表裂縫產生機理

2.1 開挖工序的影響

黃土隧道洞口段圍巖常存在破碎、自穩時間短的特點，在隧道開挖過程中隧道洞口土體極易松動而引起整體下沉，且由于黃土地層內圍巖節理裂隙較為發育，土體極易沿節理開裂，此時圍巖體內產生松動圈，破壞了黃土圍巖承載拱的形成，極易造成冒頂、塌方、不均勻沉降等病害。

隨著隧道掌子面的不斷向前開挖，縱向地表裂縫沿隧道軸線不斷向前發展，而橫向地表裂縫沿橫向不斷發展，且橫向裂縫的寬度也不斷增加。由于地表裂縫的發展，黃土圍巖自承能力不斷下降，拱效應不斷降低，使得隧道上覆土體重量全部作用于支護結構上，導致支護結構受力過大，進而產生裂縫、錯臺、滲漏水等病害。根據該黃土隧道施工現場監測資料可知，當采用三臺階七步開挖法時，上臺階開挖后3 d內地表裂縫逐漸發展，其速度為4 mm/d～8 mm/d；當下臺階開挖時，裂縫發展速度普遍大于上臺階開挖時，其最大速率達到10 mm/d，而當仰拱開挖時，裂縫發展速率逐漸下降，最大速率為5.5 mm/d，且當仰拱閉合后，裂縫發展速率基本趨于穩定。

2.2 土體變形的影響

土體變形是指在隧道施工及運營過程中由于隧道開挖、地表水入滲、地表灌溉等原因引起的地層塌陷、開裂等破壞形式。在黃土隧道圍巖中，豎向壓應力較大，側向壓應力較小，尤其對于淺埋黃土隧道洞口段，黃土圍巖自承能力極低，一旦發生少量變形或浸水，黃土地層迅速喪失自身承載力和穩定性。

由于黃土地層自承能力較差，在隧道仰拱閉合前，隧道支護結構尚未成環，隧道上覆土壓力全部作用于支護結構上，但支護結構不足以承擔洞身頂部的全部壓力。因此，當洞身頂部圍巖壓力較大時，若未及時施作仰拱，造成較大的拱頂壓力，必將導致地表裂縫的發生。尤其對于深埋隧道，掌子面開挖后圍巖應力重新分布，由于圍巖壓力較大，根據太沙基理論可知圍巖變形將產生破裂面，隨著時間的推移，破裂面逐漸發展至地表，其分布基本特征是沿隧道軸線對稱分布。

對于黃土地層中節理裂隙較發育的地段，地表水極易沿節理裂隙下滲后匯集在隧道支護結構背后，導致支護結構背后土體含水量增大，引起濕陷變形，進而引發地表裂縫的產生。在本依托工程中，洞身段位于黃土深切溝谷地段，其“U”形地段極易匯水，且該處隧道埋深僅有40 m，土質為素填土、雜填土、建筑垃圾等。因此，地表水極易沿土體內節理裂隙下滲入隧道周圍，引起濕陷沉降，嚴重影響隧道結構的自身穩定性。

3 地表裂縫處治措施

3.1 圍巖加固

由于高壓旋噴樁在施工過程中具有可操作性強、工期短、占地少等特點，且其在軟弱黃土地層中應用效果較好，因此本依托工程采用高壓旋噴樁對黃土隧道地表裂縫進行處治[4,5]。在高壓旋噴樁施工過程中，首先將高壓噴嘴鉆至設計深度，并利用高壓設備將漿液壓出，噴入既有黃土地層中，填充土體中的裂隙，并隨著漿液的逐步滲入，漿液與土體相互攪拌，隨后凝固形成高強度的注漿體，達到改良土體性能的目的。

根據依托工程的實際情況，確定高壓旋噴樁的參數，其樁徑為60 mm，長度為7.5 m，縱向、橫向間距1.2 m×1.2 m，且高壓旋噴樁主要布設在隧道仰拱部位。在隧道拱腳部位的兩側，各布設一根鎖腳錨管，其管徑為75 mm，長度為6 m，打設時應與水平線成30°夾角。根據依托工程的地質情況，本次注漿材料采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥漿，水灰比W∶C=0.75∶1，其初凝時間應小于12 h，終凝時間應小于24 h，28 d齡期的抗壓強度應不小于8 MPa。在施工過程中，鉆桿提升時的平均速度宜為20 cm/min，注漿速度為90 L/min。

具體情況如圖3,圖4所示。

3.2 洞內處治措施

1)隧道洞內排水。由于依托工程的地下水位相對較高，極易導致黃土隧道基地因濕陷變形而失穩，為此本項目采用“以堵為主、堵排結合”的原則，從而最大程度的限制滲水，保證隧道圍巖含水量較低。

2)調整施工參數。為最大限度提高黃土隧道支護結構的整體穩定性，首先將初期支護鋼拱架間距由1 m縮小至0.6 m；同時，在拱腳處增設槽鋼墊板或C30混凝土墊塊，并增設鎖腳錨桿及縱向連接筋的數量。在隧道開挖過程中，應盡早使得初期支護封閉成環，提高其整體受力性能；有條件的情況下，應采用機械進行環向開挖，并配合人工對開挖面進行修邊，減小對黃土圍巖的擾動。

3)加強洞內監測。由于監控量程是隧道信息化施工的重要手段，通過對監測數據的分析，可全面、客觀的評價現有支護參數的合理性。對于該黃土隧道而言，應加大拱頂下沉、周邊收斂的監測頻率，及時對監測數據進行整理分析，并提出相應的合理化建議。

3.3 洞外處治措施

對于已經產生地表裂縫的情況，應采用地表注漿、回灌漿液等措施對地表裂縫進行封閉處理，同時對地表落水洞、陷穴、沖溝、裂隙進行全面回填密實，從而對地表進行防水處理。對于洞口段，應布設排水溝、邊溝，完善地表排水系統，避免地表水入滲。對于黃土隧道洞口段的淺埋偏壓地形，應盡早采取回填、反壓等保持平衡的措施，使得隧道支護結構整體受力均勻，保證隧道的整體穩定性。

4 結語

本文以山西某黃土公路隧道作為工程案例，結合其水文地質、氣象、地形地貌等情況，總結分析其地表裂縫形成機理，在此基礎上研究地表裂縫處治措施，得出以下幾點結論：

1)由于該黃土隧道進口段處于黃土塬的U型溝谷地段，且土體為素填土、雜填土墊層，因此地表水極易沿土體內裂隙下滲，導致黃土濕陷變形，引起地表裂縫的形成。

2)采用高壓旋噴樁法對該黃土隧道圍巖進行處理，其將能量高度集中的水泥漿液直接沖擊土體，并使水泥漿液攪拌凝固成為高強度的固結體，大幅提高圍巖的抗剪強度。

3)對于產生地表裂縫的軟弱黃土隧道，洞內處治措施主要包括隧道洞內排水、調整施工參數、加強洞內監測；洞外處治措施主要包括地表注漿、回灌漿液、地表防排水。

[1] 趙鵬飛.大斷面黃土隧道地表裂縫控制措施研究[J].山西建筑,2009,35(8):339-340.

[2] 張風生.大斷面黃土隧道地表裂縫預防處理技術[J].鐵道建筑技術,2013(S1):59-66.

[3] 葉朝良,朱永全,高新強.黃土隧道施工地表裂縫測試方法及深度預測[J].路基工程,2014(3):148-151.

[4] 葉朝良.黃土隧道施工地表裂縫形成機理及控制技術研究[D].成都：西南交通大學,2006.

[5] 賈金生,李 華.旋噴樁在黃土隧道地基加固中的應用[J].青海交通科技,2010(sup):102-103.

Discussion on the formation mechanism and treatment technology of surface cracks in weak loess tunnel

Chang Qingfeng

(ShanxiJinzhongRoadandBridgeConstructionGroupLimitedCompany,Jinzhong030600,China)

Taking a loess highway tunnel in Shanxi as an example, this paper introduced its engineering general situation, from the excavation process, soil deformation two aspects, analyzed its formation mechanism of surface cracks, and put forward the surrounding rock reinforcement, in tunnel treatment, exterior tunnel treatment three kinds of solutions, provided reference for similar engineering.

loess stratum, tunnel, surface crack, surrounding rock

1009-6825(2017)17-0148-02

2017-03-18

常青峰(1974- )，女，工程師

U457

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