谈软弱黄土隧道地表裂缝形成机理及处治技术

常 青 峰

(山西晋中路桥建设集团有限公司，山西 晋中 030600)



谈软弱黄土隧道地表裂缝形成机理及处治技术

常 青 峰

(山西晋中路桥建设集团有限公司，山西 晋中 030600)

以山西省某黄土公路隧道为例，介绍了其工程概况，从开挖工序、土体变形两方面，分析了其地表裂缝产生机理，并提出了围岩加固、洞内处治、洞外处治三种解决措施，为类似工程提供参考。

黄土地层，隧道，地表裂缝，围岩

0 引言

由于黄土地层具有特殊的结构性和强烈的水敏性，其工程性质较差、遇水湿陷性较重，在黄土隧道施工过程中极易产生地表塌陷、洞穴、地表裂缝等病害。其中，地表裂缝危害最为严重，影响到施工安全及后期运营安全；同时，地表裂缝对黄土地层的自然环境、水土流失等方面也造成极大的影响。目前，对于黄土地层地表裂缝的形成机理及防治措施，国内外学者们已开展了大量的研究工作，取得了一系列的科研成果。赵鹏飞[1]结合工程实例，首先分析了大断面黄土隧道工况下的地表裂缝形成机理，其次探讨了地表裂缝对黄土隧道长期性能的影响；张风生[2]通过调查郑西客专黄土隧道地表裂缝情况，从理论分析角度分析了地表裂缝产生原因，总结地表裂缝的发展规律；叶朝良等人[3]依托郑西客专黄土隧道，利用物理探测和人工探坑手段对地表裂缝进行了现场实测，并预判了裂缝发展深度。本文结合山西某黄土公路隧道的工程实践，深入分析地表裂缝的产生机理，进而提出了围岩加固、洞内、洞外加固等处治技术，从而为类似工程提供了技术支撑。

1 工程概况

山西某黄土公路隧道采用双向四车道，为左右线分离式，左右线长度分别为2 560 m,2 535 m，行车道宽度为2×3.75 m，建筑界限为：净高5.5 m，净宽10.75 m。隧址区地貌单元属黄土梁峁沟壑区，山梁总体呈北～南走向，长约1.5 km，地势东南高，西北略低，山梁底部宽200 m～300 m，梁顶宽约30 m～50 m，两侧小型冲沟较发育。隧道进出口端地形条件均为阶梯状、斜坡状，其坡度为40°～45°之间；洞身段地形条件为“U”沟谷，地形宽缓。隧址区分布有湿陷性较强的黄土地层，其具有高压缩性。尤其是洞口段土体为坡洪积和风积的严重湿陷黄土状土，呈褐黄色、稍湿、稍密状，其成分以亚粘土为主，虫孔、孔隙发育。

在该隧道施工过程中，洞口浅埋段开挖15 d后，隧道地表即出现裂缝，其从拱脚部位开始，以一定角度延伸至地表。该地表裂缝分布在隧道轴线两侧，并随着掌子面的不断开挖而沿平行于隧道轴线的方向延伸。在隧道洞身段开挖30 d～40 d后，沿着隧道中轴线两侧地表各出现一条纵向裂缝，且随着施工的不断进展，该裂缝不断向前延伸。在隧道偏压地段，其偏压侧出现一条不规则的裂缝，并有严重错台现象，错台最大高度为5 cm，裂缝最大宽度10 cm，如图1,图2所示。

2 地表裂缝产生机理

2.1 开挖工序的影响

黄土隧道洞口段围岩常存在破碎、自稳时间短的特点，在隧道开挖过程中隧道洞口土体极易松动而引起整体下沉，且由于黄土地层内围岩节理裂隙较为发育，土体极易沿节理开裂，此时围岩体内产生松动圈，破坏了黄土围岩承载拱的形成，极易造成冒顶、塌方、不均匀沉降等病害。

随着隧道掌子面的不断向前开挖，纵向地表裂缝沿隧道轴线不断向前发展，而横向地表裂缝沿横向不断发展，且横向裂缝的宽度也不断增加。由于地表裂缝的发展，黄土围岩自承能力不断下降，拱效应不断降低，使得隧道上覆土体重量全部作用于支护结构上，导致支护结构受力过大，进而产生裂缝、错台、渗漏水等病害。根据该黄土隧道施工现场监测资料可知，当采用三台阶七步开挖法时，上台阶开挖后3 d内地表裂缝逐渐发展，其速度为4 mm/d～8 mm/d；当下台阶开挖时，裂缝发展速度普遍大于上台阶开挖时，其最大速率达到10 mm/d，而当仰拱开挖时，裂缝发展速率逐渐下降，最大速率为5.5 mm/d，且当仰拱闭合后，裂缝发展速率基本趋于稳定。

2.2 土体变形的影响

土体变形是指在隧道施工及运营过程中由于隧道开挖、地表水入渗、地表灌溉等原因引起的地层塌陷、开裂等破坏形式。在黄土隧道围岩中，竖向压应力较大，侧向压应力较小，尤其对于浅埋黄土隧道洞口段，黄土围岩自承能力极低，一旦发生少量变形或浸水，黄土地层迅速丧失自身承载力和稳定性。

由于黄土地层自承能力较差，在隧道仰拱闭合前，隧道支护结构尚未成环，隧道上覆土压力全部作用于支护结构上，但支护结构不足以承担洞身顶部的全部压力。因此，当洞身顶部围岩压力较大时，若未及时施作仰拱，造成较大的拱顶压力，必将导致地表裂缝的发生。尤其对于深埋隧道，掌子面开挖后围岩应力重新分布，由于围岩压力较大，根据太沙基理论可知围岩变形将产生破裂面，随着时间的推移，破裂面逐渐发展至地表，其分布基本特征是沿隧道轴线对称分布。

对于黄土地层中节理裂隙较发育的地段，地表水极易沿节理裂隙下渗后汇集在隧道支护结构背后，导致支护结构背后土体含水量增大，引起湿陷变形，进而引发地表裂缝的产生。在本依托工程中，洞身段位于黄土深切沟谷地段，其“U”形地段极易汇水，且该处隧道埋深仅有40 m，土质为素填土、杂填土、建筑垃圾等。因此，地表水极易沿土体内节理裂隙下渗入隧道周围，引起湿陷沉降，严重影响隧道结构的自身稳定性。

3 地表裂缝处治措施

3.1 围岩加固

由于高压旋喷桩在施工过程中具有可操作性强、工期短、占地少等特点，且其在软弱黄土地层中应用效果较好，因此本依托工程采用高压旋喷桩对黄土隧道地表裂缝进行处治[4,5]。在高压旋喷桩施工过程中，首先将高压喷嘴钻至设计深度，并利用高压设备将浆液压出，喷入既有黄土地层中，填充土体中的裂隙，并随着浆液的逐步渗入，浆液与土体相互搅拌，随后凝固形成高强度的注浆体，达到改良土体性能的目的。

根据依托工程的实际情况，确定高压旋喷桩的参数，其桩径为60 mm，长度为7.5 m，纵向、横向间距1.2 m×1.2 m，且高压旋喷桩主要布设在隧道仰拱部位。在隧道拱脚部位的两侧，各布设一根锁脚锚管，其管径为75 mm，长度为6 m，打设时应与水平线成30°夹角。根据依托工程的地质情况，本次注浆材料采用P.O42.5普通硅酸盐水泥浆，水灰比W∶C=0.75∶1，其初凝时间应小于12 h，终凝时间应小于24 h，28 d龄期的抗压强度应不小于8 MPa。在施工过程中，钻杆提升时的平均速度宜为20 cm/min，注浆速度为90 L/min。

具体情况如图3,图4所示。

3.2 洞内处治措施

1)隧道洞内排水。由于依托工程的地下水位相对较高，极易导致黄土隧道基地因湿陷变形而失稳，为此本项目采用“以堵为主、堵排结合”的原则，从而最大程度的限制渗水，保证隧道围岩含水量较低。

2)调整施工参数。为最大限度提高黄土隧道支护结构的整体稳定性，首先将初期支护钢拱架间距由1 m缩小至0.6 m；同时，在拱脚处增设槽钢垫板或C30混凝土垫块，并增设锁脚锚杆及纵向连接筋的数量。在隧道开挖过程中，应尽早使得初期支护封闭成环，提高其整体受力性能；有条件的情况下，应采用机械进行环向开挖，并配合人工对开挖面进行修边，减小对黄土围岩的扰动。

3)加强洞内监测。由于监控量程是隧道信息化施工的重要手段，通过对监测数据的分析，可全面、客观的评价现有支护参数的合理性。对于该黄土隧道而言，应加大拱顶下沉、周边收敛的监测频率，及时对监测数据进行整理分析，并提出相应的合理化建议。

3.3 洞外处治措施

对于已经产生地表裂缝的情况，应采用地表注浆、回灌浆液等措施对地表裂缝进行封闭处理，同时对地表落水洞、陷穴、冲沟、裂隙进行全面回填密实，从而对地表进行防水处理。对于洞口段，应布设排水沟、边沟，完善地表排水系统，避免地表水入渗。对于黄土隧道洞口段的浅埋偏压地形，应尽早采取回填、反压等保持平衡的措施，使得隧道支护结构整体受力均匀，保证隧道的整体稳定性。

4 结语

本文以山西某黄土公路隧道作为工程案例，结合其水文地质、气象、地形地貌等情况，总结分析其地表裂缝形成机理，在此基础上研究地表裂缝处治措施，得出以下几点结论：

1)由于该黄土隧道进口段处于黄土塬的U型沟谷地段，且土体为素填土、杂填土垫层，因此地表水极易沿土体内裂隙下渗，导致黄土湿陷变形，引起地表裂缝的形成。

2)采用高压旋喷桩法对该黄土隧道围岩进行处理，其将能量高度集中的水泥浆液直接冲击土体，并使水泥浆液搅拌凝固成为高强度的固结体，大幅提高围岩的抗剪强度。

3)对于产生地表裂缝的软弱黄土隧道，洞内处治措施主要包括隧道洞内排水、调整施工参数、加强洞内监测；洞外处治措施主要包括地表注浆、回灌浆液、地表防排水。

[1] 赵鹏飞.大断面黄土隧道地表裂缝控制措施研究[J].山西建筑,2009,35(8):339-340.

[2] 张风生.大断面黄土隧道地表裂缝预防处理技术[J].铁道建筑技术,2013(S1):59-66.

[3] 叶朝良,朱永全,高新强.黄土隧道施工地表裂缝测试方法及深度预测[J].路基工程,2014(3):148-151.

[4] 叶朝良.黄土隧道施工地表裂缝形成机理及控制技术研究[D].成都：西南交通大学,2006.

[5] 贾金生,李 华.旋喷桩在黄土隧道地基加固中的应用[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，工程师

U457

A