某黃土隧道淺埋段地表變形研究及治理方案

張乾翼 馮文強 賴國泉

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅蘭州 730000)

隧道開挖往往伴隨著應(yīng)力集中與釋放的過程，且這個過程并非瞬間完成，通常具有一定的空間效應(yīng)[1-3]，可能會導(dǎo)致地表沉降、水平位移等;當(dāng)隧道埋深較淺時，這種效應(yīng)及影響會更加明顯[4-8]。

對于深埋隧道開挖引起的地表變形問題，眾多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。 研究表明，隧道開挖引起的縱向地表移動與變形不容忽視[9-10];也有人認(rèn)為，隧道開挖只對工作面前后一定范圍的地表產(chǎn)生明顯影響[11-12]。但對黃土地區(qū)淺埋隧道引起的地表開裂變形研究較少，且缺乏相關(guān)處理措施。 以蘭州市南繞城高速公路崗家營隧道進(jìn)口段地表變形為研究背景，通過數(shù)值模擬計算及現(xiàn)場裂縫形態(tài)分析，總結(jié)此類地層條件下隧道開挖引起地表變形的原因，并提出了變形裂縫、陷穴等病害的處理措施建議，可為業(yè)內(nèi)類似問題的治理提供參考。

1 工程概況

崗家營隧道位于黃土梁區(qū)域，海拔在1 680 ～1 905 m 之間，黃土梁上覆蓋風(fēng)積黃土，地勢較平坦。隧道右 線 里 程 為YK25 + 780 ～YK28 + 020， 總 長2 240 m;左線里程為ZK25+754 ～ZK27+956，總長2 202 m，為分離式隧道。

隧址區(qū)地層主要為第四系風(fēng)積黃土和沖洪積黃土。 其中第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土覆蓋于該地區(qū)的黃土梁表面，厚度為10 ～25 m，淺黃色，主要由粉末顆粒組成，土質(zhì)相對均勻，孔隙發(fā)育，具濕陷性，陷穴發(fā)育;第四系中更新統(tǒng)沖洪積黃土分布在風(fēng)成黃土下部，黃棕色，土質(zhì)相對不均勻，孔隙不發(fā)育，具水平層理，見圖1。

圖1 地質(zhì)斷面

隨著隧道洞身向前掘進(jìn)，洞頂?shù)牡乇憝h(huán)向、縱向裂紋不斷發(fā)展，淺埋段環(huán)形裂紋最大寬度達(dá)到20 cm，深埋段已觀測到的環(huán)向裂紋寬度達(dá)到2 ～3 cm。 由于農(nóng)田灌溉，陷穴形成貫通狀態(tài)，多處地表塌陷或帶狀陷穴隨處可見，如圖2。

圖2 地表變形現(xiàn)狀

2 隧道進(jìn)口地表變形特征

根據(jù)現(xiàn)場裂縫特征(見表1)，總結(jié)規(guī)律如下:地表裂縫主要分布在隧道進(jìn)口段左線左側(cè)80 m 至右線右側(cè)50 m 范圍內(nèi)(見圖3)。 同時，靠近隧道進(jìn)口的淺埋隧道區(qū)域裂縫可見明顯拉張下錯，變形方向為隧道小里程方向，且地表土體松動明顯;大里程方向的裂縫主要為拉張裂縫，變形方向近似垂直線路。

圖3 地表變形位置

表1 隧道進(jìn)口地表變形特征

續(xù)表1

3 有限元數(shù)值模擬分析

(1)參數(shù)定義模型建立

選取裂縫集中的典型1-1 和2-2 斷面，采用二維有限元軟midas-GTS 進(jìn)行分析。 在屬性定義中，巖土采用平面單元，隧道初支采用梁單元[13-14]，模型邊界條件采用地面支撐，即模型底部限制垂直及水平位移，模型兩側(cè)限制水平位移[15-16]，根據(jù)地勘報告及本地區(qū)經(jīng)驗值綜合確定巖土體物理力學(xué)參數(shù)(見表2)。 初支狀態(tài)下的模型見圖4、圖5。

表2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖4 1-1 斷面數(shù)值模型

圖5 2-2 斷面數(shù)值模型

(2)模擬工況

通過模擬隧道洞身核心土開挖、初期支護(hù)和護(hù)拱施加的全過程，查看隧道開挖引起的塑性區(qū)。

(3)計算結(jié)果分析

總之,對耐藥肺結(jié)核患者實施個體化健康教育臨床效果肯定,對提高患者遵醫(yī)性、疾病相關(guān)知識掌握程度及護(hù)理滿意度具重要意義,值得推廣和借鑒。

根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果(見圖6、圖7)，1-1 斷面開隧道挖影響線與水平方向的夾角為50°～63°，2-2 斷面開隧道挖影響線與水平方向的夾角為53°～55°。

其中，調(diào)查點411、415、418、419、420、421、423 在隧道開挖影響范圍之內(nèi);調(diào)查點410、412、413、414、416、417、422 在隧道開挖影響邊界外3～6 m。

圖6 1-1 斷面變形云圖

圖7 2-2 斷面變形云圖

數(shù)值模擬計算結(jié)果與現(xiàn)場變形情況基本一致，說明隧道進(jìn)口地表變形與隧道開挖有關(guān)。

4 地表變形原因分析

通過現(xiàn)場調(diào)查與分析，并結(jié)合數(shù)值模擬與坡體巖層結(jié)構(gòu)特征研究，得出隧道進(jìn)口的地表變形主要有以下三個方面的原因。

(1)隧址區(qū)地表覆蓋馬蘭黃土，具濕陷性，裂隙發(fā)育，大氣降雨、農(nóng)田灌溉水及居民生活用水易沿裂隙入滲，進(jìn)入深層土體，軟化其強度。 特殊的地層是變形的基礎(chǔ)條件。

(2)隧址區(qū)山梁平緩，匯水面積較大，人造梯田不利于地表水的排泄，加之農(nóng)田大多為水澆地，導(dǎo)致坡體土層含水率普遍偏高，土體力學(xué)指標(biāo)偏低。 水是地表發(fā)生變形不可或缺的條件之一。

(3)隧道開挖導(dǎo)致圍巖松弛，隧道內(nèi)土體的垮塌更加大了松弛圈的范圍，在坡體內(nèi)部產(chǎn)生新的臨空面，進(jìn)而引起地下水向隧道開挖區(qū)域匯集，致使隧道頂部土體向隧道位置塌陷，引發(fā)地表變形。 隧道埋深越淺，這種變形越劇烈[17]。

5 治理方案

5.1 治理難點

5.2 治理措施

考慮到上述治理難點，對地表裂縫及陷穴采用種植土蓋面回填法。

(1)裂縫處理

開挖裂縫至槽底后進(jìn)行水泥土封閉夯填，上部采用黃土及種植土進(jìn)行回填夯實。 具體為:以裂縫為開槽中心，槽深1.5 m，邊坡比為1 ∶0.3 ～1 ∶0.5，槽底寬以開挖后裂縫為中心，兩邊在裂縫外側(cè)各不小于25 cm。 開挖后槽內(nèi)自下而上分別采用2 ∶8 水泥土、黃土及種植土回填，其中水泥土及黃土厚度分別為30 cm、70 cm。 壓實度均不小于0.9。 最上部采用種植土回填，厚50 cm，回填密度不小于周圍土體的天然密度，見圖8。

圖8 裂縫處理剖面(單位：m)

(2)陷穴處理

直徑1.0 m 以內(nèi)的陷穴，開挖后分層夯實;直徑1.0 m 以上的陷穴，直接進(jìn)行分層夯實。 開挖坡比為1 ∶0.3～1 ∶0.5，開挖后上部50 cm 采用種植土回填，回填密度不小于周圍土體的天然密度。 50 cm 以下范圍采用2 ∶8 水泥土分層夯填，其壓實度不小于0.9。

(3)農(nóng)田整平處理

對地面變形較大的農(nóng)田進(jìn)行整平處理，先挖出上層種植土(20 cm)，然后平整土地，最后回填種植土(30 cm)。

6 結(jié)論

(1)在地形平緩、地表水易于下滲的黃土地區(qū)，水是地表變形不可或缺的條件之一。

(2)隧道開挖易引起圍巖松弛，尤其在黃土隧道內(nèi)，土體松弛圈的范圍會增大，在坡體內(nèi)部形成新的臨空面后，易引發(fā)地表變形，越是埋深淺的地方變形越劇烈。

(3)應(yīng)加強監(jiān)測，尤其是隧道收斂變形監(jiān)測、仰拱沉降監(jiān)測，待隧道穩(wěn)定后，再進(jìn)行地表裂縫處理，并完善地表排水系統(tǒng)。

(4)對于耕種用地范圍內(nèi)的地表裂縫及陷穴，可采用種植土蓋面回填法進(jìn)行處理。