客运专线铁路隧道高陡坡洞口开裂整治技术研究

朱容辰

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安　710043)



客运专线铁路隧道高陡坡洞口开裂整治技术研究

朱容辰

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043)

摘要:以宝兰客运专线塔稍村隧道为依托，分析隧道进口边坡及洞内裂缝的成因，评价边坡的稳定性，并提出具体的处理措施。对该隧道地层岩性、构造属性、围岩等级等进行阐述，针对该边坡建立系统的地表及洞内变形监测网并进行钻孔内位移测量工作，结合详细的地质调查，查明隧道进口处边坡、洞口挡墙、隧道内二衬裂缝的成因和基本特征，结合区段的工程地质特征，提出合理的工程处理措施，为类似工程的调查与处理提供参考。

关键词:铁路隧道;裂缝;监测网;处理措施

新建铁路宝鸡至兰州客运专线地跨陕西、甘肃两省的四市7个县(区)，由西宝客专宝鸡南站引出，分别经陕西省宝鸡市渭滨区、甘肃省天水市麦积区和秦安县、定西市通渭县及安定区、兰州市榆中县和七里河区，全长约401 km。

塔稍村隧道位于陕西省宝鸡市，地处渭河南岸西秦岭中山区，隧道全长4926 m(起讫里程DK650 + 422～DK655+348)，为双线隧道，最大埋深约360 m。进口端位于塔稍沟下游，出口端位于太宁沟。

1　工程地质特征

1.1地形地貌

图1　塔稍村隧道进口坡面

该隧道进口位于西秦岭北麓中低山区，地处塔稍村左岸斜坡中下部，隧道进口自然坡面35°～45°，两侧发育坡面沟槽，相对高差100～200 m，山坡多被植被覆盖，如图1所示。由于左侧便道及隧道口施工，对坡面进行人工切坡，切坡后的人工边坡坡度65°～80°。

1.2地层岩性

隧道进口坡脚为第四系全新统洪积黏质黄土，山顶覆盖第四系上更新统风积黏质黄土。隧道进口基岩裸露，涉及地层为下元古界(Pt1)片岩夹大理岩，片岩为灰黑－灰色，大理岩为白色，细粒变晶结构，片状构造，主要矿物成分为石英、云母、角闪石等。夹有大理岩夹层，岩体较破碎，节理裂隙较发育。片理产状为N80°E～N80°W/40°～75°S，片理产状与线路方向近一致或小角度相交，与坡面方向近垂直。根据定测及施工补充勘察成果资料并结合隧道进口开挖揭示，隧道进口表层岩体为全风化，多风化成土状或角砾状，局部原岩结构清晰，手捏即碎，全风化层厚12～16 m，强风化层为黄褐色，厚9～12 m，以下为弱风化层。

主要节理产状:(1) N30°～40°E/60°～70°N，多为微张节理，节理面多平直粗糙，局部含泥质充填; (2) N10°～35°W/35°～53°N，为沿隧道坡面的不利结构面，节理面多平直，光滑，微张型，无充填或局部泥质充填，对隧道口坡面稳定性有一定影响。

1.3地质构造

该隧道在前印支期以区域性褶皱和韧性变形为特征，在燕山—喜山期则以区域断裂活动为特征，并伴随大规模的酸性岩浆侵入，形成了宝鸡以东的渭河断陷盆地、元龙以西的天礼断陷盆地和宝鸡至元龙之间的侵入岩隆起带，褶皱断裂十分复杂［1-3］。

由于该地层时代较老，整体受花岗岩侵入影响严重，同时晁峪—坪头—通洞断裂(F1－2)自该隧道北面1～3 km处通过(图2)，同时在该隧道进口端南面约600 m处即为燕山期花岗岩和元古界地层的接触带［4］，因此隧道口岩体受地质构造影响严重，岩体破碎。

图2　塔稍村隧道进口区域地质图［5］

1.4水文地质

隧道进口段地下水主要为基岩裂隙水，属弱富水区，正常涌水量125.0 m3/d，最大涌水量357.0 m3/d。根据隧道进口开挖揭示，隧道进口岩体裂隙面潮湿，未见渗滴水现象，对掌子面稳定性较为有利。

该处位于宝鸡市渭滨区境内，属半干旱气候区，季节性温差较大，雨季和旱季分明，年降水量较少，年平均气温14.1℃，极端最高气温41.7℃，极端最低气温－11.3℃，年平均降水量595 mm，年最大降雨量906.0 mm，年平均蒸发量1 583.1 mm，主导风向以SSE为主，年平均风速3.2 m/s，最大瞬时风速大于17 m/s，年平均八级以上大风日数1.2 d，统计最大冻结深度50 cm［6］。

1.5地震动参数

根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)、《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001)，结合该项目地震安全性评价报告，该工程区属地震动峰值加速度0.15g，抗震基本烈度为Ⅶ度，地震动反应谱特征周期为0.40 s［7］。

1.6隧道进口段围岩分级

根据该隧道工程地质及水文地质条件分析，该隧道进口段设计围岩分级见表1［8］。

表1　塔稍村隧道围岩工程地质分级

2　施工后出现的裂缝

2.1施工过程介绍

2013年8月初隧道洞口左侧开设便道切坡刷方，8月中旬隧道洞口切坡及仰坡坡面刷方，9月初开始导向墙施做，10月中旬完成洞门处所有管棚施工，11月底，隧道进口上台阶掌子面开挖至DK650+492(距离洞口49 m，埋深56 m)、中台阶开挖至DK650+484，下台阶尚未开挖，初支未按设计要求及时封闭，此时在地表及洞内第一次发现裂缝，直至2014年7月初上台阶掌子面开挖至DK650+534(距离洞口91 m，埋深80 m)、仰拱开挖至DK650+507.8、二衬施工至DK650+ 462.9时，进口段山体、洞内仰拱及二次衬砌均出现裂纹。

2.2地表横向裂缝

隧道顶部DK650+450截水沟处，裂缝宽5～25 cm，错距5～20 cm，延伸长度约25 m，裂缝使得截水沟变形开裂，裂缝倾向洞口，同时沟顶坡面有岩体掉落，导向墙拱顶右侧开裂，裂缝宽度0.5～1.0 cm。现场照片见图3、图4。

图3　洞顶截水沟开裂(一)

图4　洞顶截水沟开裂(二)

2.3隧道两侧纵向裂缝

(1)裂缝1－裂缝2－裂缝4:位于DK650+432～DK650+474段(距离隧道中线左侧41 m，距隧顶20～38 m)，裂缝与线路方向大致平行，裂缝宽12～18 cm，见图5。

图5　洞顶左侧地表开裂

(2)裂缝5－裂缝6:位于DK650+467～DK650+ 528段(距离隧道中线左侧46 m，距隧顶40～80 m)，裂缝与线路方向大致平行，裂缝宽5～8 cm。

(3)裂缝7:位于DK650+546～DK650+556段(距离隧道中线左侧50 m，距隧顶90 m)，裂缝与线路方向大致平行，裂缝宽3～5 cm。

(4)裂缝8:位于DK650+470～DK650+479段(距离隧道中线右侧12.5 m，距隧顶36 m)，裂缝与线路方向大致平行，裂缝宽3～5 cm。

(5)裂缝9:位于DK650+504～DK650+511段(距离隧道中线右侧16.2 m，距隧顶78 m)，裂缝与线路方向大致平行，裂缝宽3～5 cm。

2.4隧道内裂缝

(1)里程DK650+443～DK650+453初期支护左侧锁脚锚管缩进喷混凝土表面2～3.4 cm，右侧锁脚锚管突出喷混凝土面约1 cm。

(2)里程DK650+445、DK650+452、DK650+461、DK650+465处拱部发现环向裂缝，裂缝宽度0.3～1.0 cm，长度约5 m。

(3)里程DK650+462仰拱右侧施工缝处出现裂缝，宽度0.2～0.3 cm; DK650+474左侧仰拱施工缝处出现裂缝，宽度1～3 cm，仰拱矮边墙处裂缝最大已达3 cm，并出现3 cm错台。

(4)明暗分界往大里程二次衬砌拱部(里程DK650+443～DK650 + 447)出现4条长2～4 m、宽0.1～0.3 cm裂纹。

(5)隧道内初期支护变形收敛较大，且拱部出现不规则裂纹，拱顶沉降最大值250 mm，最大水平收敛值277 mm，最大沉降速率10.6 mm/d，最大收敛速率4.7 mm/d。

3　裂缝产生原因分析

(1)隧道进口塔稍村左岸斜坡中下部，该处自然坡面35°～45°，两侧发育坡面沟槽，岩层为下元古界(Pt1)片岩及大理岩，表层覆盖层较薄，基岩多裸露，片理产状基本稳定与线路方向近一致，斜坡总体稳定。隧道洞口段下元古界片岩夹大理岩，地层时代老，历经多期次构造作用，岩体受地质构造作用影响严重，节理裂隙发育，局部褶皱及小断裂发育，岩体破碎、风化严重，根据钻探及洞内掌子面开挖综合分析，该隧道口表层为全－强风化层，风化层厚度为15～30 m，岩体风化后容易沿裂隙面开裂破坏。

(2)隧道地表出现的环向裂缝形成和发展的诱发因素如下:隧道洞口左侧开设便道切坡刷方、隧道洞口切坡及仰坡坡面刷方，形成高陡边坡，导致坡面形成卸荷临空面，引发坡面横(环)向裂缝;隧道洞口段埋深较浅，岩层风化严重，多呈松散碎石类土状，风化层的斜坡抗剪强度低;地表水沿节理裂隙面下渗，增加了上部坡体的重力，降低土石层的抗剪强度。

(3)纵向裂缝分布于隧道两侧(其中以左侧发育) 20～50 m处，裂缝走向基本于隧道轴线平行或小角度相交，岩体节理裂隙发育，片理与隧道轴向一致。分析其形成原因，主要由于基岩岩体破碎，隧道施工开挖后，围岩应力调整，初期支护变形大，围岩形成较大松动圈，继而引发隧道两侧产生纵向裂缝。

4　工程处理措施

4.1地表裂缝处理措施

(1)裂缝宽度小于2 cm地段，沿地表裂缝开挖深度50 cm、宽度50 cm的沟槽，然后采用三七灰土分层夯实，并高于原地面10 cm。

(2)裂缝宽度大于2 cm地段，在沿裂缝开挖槽后，采用漏斗自重法对裂缝灌注1∶1的水泥砂浆，最后对沟槽采用三七灰土分层夯实，并高于原地面10 cm。

4.2隧道内处理措施

(1)对局部初支侵限需进行拆换的段落，必须在相邻段两端二次衬砌均已施做完毕后方能开始进行拆换。

(2)初支变形侵限处理必须遵循“先加固、后拆换”的原则，严格按照“拆换一段，支护一段”的工序要求进行施工，同时应及早施做二次衬砌［9］。

(3)隧道初支侵限段一次拆换和恢复的钢架不得超过1榀，并需逐节进行拆换，初期支护拆换并一次施做二衬段落不大于6 m。

(4)拆换过程中应加强监控量测，确保安全。

(5)对掌子面前方20 m范围内围岩等级由Ⅳ级调整为Ⅴ级，初期支护措施进行加强。

4.3隧道口边仰坡加固措施

(1)根据既有资料分析隧道口坡面裂缝发展方向为洞内施工卸荷所致。施工现场应建立系统的变形监测网对坡面稳定性及洞内进行系统观测，监测过程中若发现数据异常或突变时，可及时采取应对措施进行处理。

(2) DK650+443隧道洞口明暗分界(距拱顶20 m，高程715 m)处开始边坡按自然坡自上而下进行清理。

(3)格梁锚索加固洞口及施工便道边坡。里程DK650+443～DK650+472、隧道左侧100 m、右侧43 m范围内，地表采用格梁锚索对洞口及施工便道边坡进行加固。

沿高程680 m坡脚处设置1道1.0 m高、0.4 m厚的C30混凝土护脚。

(4)预加固桩及锚索加固洞门。隧道进口两侧设置预加固桩。左侧设置3根，右侧设置2根(图6)。桩长30 m，截面尺寸2.0 m×3.0 m，桩间距5 m，为便于桩身质量检测，桩四角钢筋内部分别预埋1根Φ5 cm的声测管。

图6　格梁锚索及加固桩平面布置

桩顶下1、3 m处各设1孔锚索(注意预留锚索孔)。预应力锚索自由段长35 m，锚固段(弱风化岩) 长10 m。

加固桩施工期间及施工完成后，应持续加强变形监测。根据现场变形监测资料分析研究成果，为边坡加固、隧道施工提供基础性依据。

5　边坡变形监测技术方案及监测结果

5.1边坡及孔内位移监测技术方案

针对该边坡建立了系统的变形监测网，对裂缝、坡体及洞内变形进行系统观测［10-11］，对观测数据进行分析，利用钻孔进行孔内位移观测［12］，以便及时调整处理措施。

利用先进的测量技术，对斜坡变形(开裂)面进行整体观测，是全面认识斜坡变形的重要手段，本隧道采用平行网格方式对坡面进行系统观测，地表变形监测点38个。同时根据隧道内变形和开裂情况，对隧道初期支护及二次衬砌进行系统观测。洞内监测网点的分布主要位于隧道初期支护及二次衬砌拱顶、两侧拱脚及边墙附近，洞内变形监测点25个。

根据隧道进口坡面裂缝发展趋势，结合钻探布置情况，对钻孔Z－3、Z－5、Z－6开展钻孔内位移测量工作。

5.2监测结果

(1)横向变形方面:地表监测点及钻孔Z－3测斜数据均显示在格梁锚索及洞口预加固桩未施工完成以前，边坡、洞口挡墙及隧道内二衬呈现出向线路右侧移动趋势，这与隧道进口存在一定偏压有关。工程措施施工完成后变形速率趋于稳定。

(2)纵向变形方面:地表及隧道内监测点、钻孔Z－3、Z－6测斜数据均显示在格梁锚索及洞口预加固桩未施工完成以前，变形速率较大，边坡、洞口挡墙呈现出向小里程移动趋势，工程措施施工完成后变形速率趋于稳定。

(3)垂直变化方面:地表监测点及钻孔Z－5、Z－6测斜数据显示在格梁锚索及洞口预加固桩未施工完成以前，变形速率较大，边坡呈现出向下移动趋势，工程措施施工完成后变形速率趋于稳定。洞口挡墙、隧道内二衬的垂直变形速率不大，较为稳定。

(4)根据隧道口坡面裂缝发展趋势分析，坡面裂缝在隧道内二次衬砌施工完成之后即趋于稳定，由此可以判定隧道口山体坡面整体稳定。

(5)根据洞口挡墙变形特点分析，洞口防护挡墙基础主要位于坡面第四系覆盖层中，加固桩施工时开挖基坑，导致该处有一定量的变形，属正常现象。加固桩施工完成后该处已趋于稳定。

(6)隧道钻孔孔内位移监测数据与地表变形监测网监测数据及变形方向基本吻合，由此可见隧道进口存在一定量的变形趋势。格梁锚索及洞口预加固桩施工完成后，边坡、洞口挡墙及隧道内二衬的变形速率均趋于稳定。

6　结语

(1)塔稍村隧道进口地层岩性为下元古界(Pt1)片岩夹大理岩，片理产状为N80°E～N80°W/40°～75°S，片理产状与线路方向近一致或小角度相交，与坡面方向近垂直。由于该地层时代较老，整体受花岗岩侵入影响严重，同时晁峪－坪头－通洞断裂(F1－2)自该隧道北面1～3 km处通过，且在隧道进口端南面约600 m处即为燕山期花岗岩和元古界地层的接触带，因此隧道口岩体受地质构造影响严重，岩体破碎。

(2)隧道洞口左侧开设便道切坡刷方、隧道洞口切坡及仰坡坡面刷方，形成高陡边坡，导致坡面形成卸荷临空面，同时地表水沿节理裂隙面下渗，增加了上部坡体的重力，降低土石层的抗剪强度，引发坡面横(环)向裂缝。

(3)纵向裂缝分布于隧道两侧20～50 m处，裂缝走向基本与隧道轴线平行或小角度相交，分析其形成原因主要为岩体破碎，隧道施工开挖后，围岩应力调整，初期支护变形大，围岩形成较大松动圈，继而引发隧道两侧产生纵向裂缝。

(4)采用综合措施对地表、隧道内及洞口边坡均进行了加固，同时针对该边坡建立了系统的变形监测网和钻孔内位移测量工作，对裂缝、坡体及洞内变形进行系统观测，分析监测数据，确定施做了地表及洞内加固措施以后，该坡面处于稳定状态。

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Research on Control of Tunnel Entrance Slope Cracks on Dedicated Passenger Railway Line

ZHU Rong-chen
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an 710043，China)

Abstract:The article，with reference to Ta Shao-Cun Tunnel on Baoji-Langzhou dedicated passenger line，analyzes the causes of cracks at the tunnel entrance slope and in-tunnel cracks，evaluates slope stability and puts forward some specific measures.The formation lithology，structural properties，and the grades of the surrounding rock are illustrated.The systematic network is established to monitor the deformation on the surface and in the tunnel and the displacement of the borehole.With reference to detailed geological investigation，the causes and basic characteristics of the cracks in the entrance slope，in the portal maintaining wall and in the second lining are identified.In the light of the engineering geological characteristics of the combination section，reasonable engineering treatment measures are put forward，which may serve as references for the investigation and treatment of similar projects.

Key words:Railway tunnel; Crack; Monitoring network; Treatment measures

作者简介:朱容辰(1983—)，男，工程师，2009年毕业于成都理工大学地质工程专业，工学硕士，E-mail:48356337@ QQ.com。

收稿日期:2015-07-30;修回日期:2015-08-12

文章编号:1004-2954(2016) 03-0112-05

中图分类号:U238; U457

文献标识码:A

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.024