黄土隧道施工地表裂缝形成及控制技术

黄土隧道施工地表裂缝形成及控制技术

谢安山

中铁二十局集团第四工程有限公司山东青岛266100

摘要：黄土隧道埋深浅、工程地质条件复杂，隧道施工时易出现地表开裂、大变形等施工灾害。本文结合具体工程实例，分析了大断面黄土隧道地表裂缝的形成机理，探讨了地表裂缝对隧道长期稳定性的影响，提出了地表裂缝的控制措施和已有地表裂缝的处理措施，从而确保大断面隧道的施工安全。

关键词：黄土隧道施工；地表裂缝；形成机理；控制技术

1、前言

在重视环境保护，对工程质量和工程耐久性日益强调的今天，隧道工程地面裂缝问题已引起工程界的广泛重视。以往的黄土隧道工程因未进行可靠预防及控制，发生的地表大范围沉降及隧道衬砌开裂等病害屡见不鲜。此次结合在市政道路中的工程实例对地面裂缝的预防和治理进行探讨。

2、工程简介

兰州华林坪隧道为上下行分离式隧道，左线起讫里程为NzK13+023～NzK13+752，长729m；右线起讫里程NyK13+055～NyK13+769，长714m，为城市主干道一级公路隧道，暗挖拱形隧道三车道断面长316m，宽度为16.76m，二车道断面长923.5m，宽度为12.88m，设计行车速度60Km/h，按新奥法原理设计施工，采用双向施工，该隧道位于兰州市东部盆地内，最大埋深26m，最浅埋深3m，在地貌单元上属黄河南岸Ⅳ级阶地，地形起伏较大。隧道沿线地层结构主要为素填土、粉土、碎石土等，属Ⅴ级浅埋围岩，完整性差，稳定性差，土层湿陷系数较大，湿陷性黄土状粉土层厚度大于20m，场地内粉土层具IV级（很严重）自重湿陷性。地震动峰值加速度为0.20g，地震反应谱特征周期0.040s，对应的地震基本烈度为Ⅷ度。地表建筑物分布密集，隧道中线左右30m范围内地表有部分建筑物未拆除。

3、黄土隧道施工地表裂缝形成机理分析

3.1洞口段地质地貌

根据设计图纸及现场揭露的实际情况，出口洞口段为Ⅴ级浅埋，地质条件较差，该段原为节沟，全部为杂填土，右洞埋深11～14m，左洞埋深13～18m，左洞口进洞20m后地表为一陡坡，高度5m，洞口段存在浅埋、偏压现象。

3.2地表裂缝情况

隧道采用交叉中隔法（CRD法）施工，左线洞口开挖段洞顶地表相继出现4道裂缝，裂缝与洞口穿越地段基本垂直，初始裂缝宽度3～5mm，沉降12mm，右线洞口开挖后裂缝贯通并扩大，裂缝宽度8～10mm，沉降36mm。隧道于2012年12月～2013年2月后停止掌子面开挖，当时左线进洞30m，右线进洞20m。通过地表沉降观测及裂缝宽度测量等方式观察发现地表裂缝逐渐增大，影响范围扩大，地表裂缝、洞内位移变形随洞内开挖而呈增长趋势，初期支护喷射砼拱部出现裂纹，拱顶下沉速度2～5mm/d，最大7mm/d，累计下沉最大达35mm，洞径收敛未见异常。

3.3地表裂缝原因分析

经设计院地质补勘，排除了滑坡可能，并分析了地表裂缝产生的原因主要有以下几点：

（1）隧道上覆表层为杂填松软土，结构松散，稍湿，物理力学性能差，隧道施工中对上覆土层形成扰动，开挖使得山体原有的岩体稳定产生改变，山体内应力重新分配，在地表产生反射裂缝，松软土的工程性质决定了其必然因下沉而开裂，产生裂缝。（2）隧道出口段围岩为黄土、杂填土，围岩承载力低，在开挖后隧道基础产生整体的微小下沉，以致在地表产生反射裂缝。（3）隧道左线地形存在一定的偏压作用，隧道左侧临空面较高，导致隧道在施工过程中随着施工的推进，地表出现裂缝。（4）反坡施工，部分施工用水下渗到隧道基础下部土体，黄土遇水产生自重湿陷，使得地表下沉、开裂。⑸隧道上覆土层地表雨水下渗进入土体中产生水囊，也是地表下沉、开裂的一个因素。

4、约束地表裂缝支护变形施工技术

4.1技术措施

根据地表裂缝及拱部初支变形的形成原因，采取了小导管注浆加固基础及采用高压旋喷桩进行地表加固后回填反压的措施进行处理，具体技术措施如下：

⑴隧底及墙脚小导管注浆加固，对洞口开挖段的K13+650～K13+640段在隧道两侧拱脚处进行Ф42小导管注浆加固，每侧三排；对洞口已开挖未浇筑仰拱K13+640～K13+620段和未开挖的K13+620～K13+585段隧道两侧拱脚仰拱下和边墙进行Ф42小导管注浆加固，仰拱下每侧四排，边墙上每侧三排。小导管注浆加固横向间距0.8m，纵向间距1.0m，导管长3.5m，注浆采用水泥浆水灰比1：1。⑵洞口开挖段15m范围内采用高压旋喷桩进行地表加固。采用单管法，桩径600mm，桩心距为500mm，相邻桩相互咬合100mm，桩按等边三角点梅花状布置。旋喷桩处理深度为地表向下6m。旋喷体试验抗压强度为3.0-3.5MPa。每根旋喷桩承载力为250-300KN。注浆主要材料为水泥浆，采用PO42.5普通硅酸盐水泥，水灰比采用1：1并加入早强剂和速凝剂、水玻璃。送浆压为P=20-22Mpa；提升速度V=200mm/min；旋转速度r=20r/min；起到固结土体，防止渗水的作用。高压旋喷桩施工完成后，对右线偏压区域进行土方回填，回填高度为2.5m，使土体应力平衡。⑶尽快浇注二衬砼：对于洞口已施工仰拱段落，尽快浇注二衬砼，使隧道衬砌成环，整体受力。⑷明洞及时施工，及时进行前20m明洞衬砌和作明洞回填，提高洞口明洞回填土的高度，增强对仰坡的护脚稳定作用。

4.2施工注意事项

⑴尽可能减少对土体的扰动，严格按照“强支护、管超前、短进尺、弱爆破、紧支护、勤量测”方针进行施工。⑵做好洞顶地表防排水，将地表散水拦截归槽排入洞口排水系统或就近排出，防止雨水冲刷边坡浸泡表土以及地表水下渗。⑶隧道洞口土质地段采用人工开挖，减少对山体的扰动。⑷加强地表沉降及裂缝观测和洞内监控量测，及时对量测数据进行分析，反馈信息，坚持动态施工。

5、结语

此黄土双线隧道由于埋深浅，开挖断面面积大，较容易形成地表裂缝，加入渗入地表水等促使裂缝扩大，以致对隧道断面形成较大影响。因此，在进行该类型隧道施工时应采取如下措施确保隧道安全施工，为类似工程建设提供参考：

（１）采取扩大拱脚台阶法施工，增加基底承载面积，提高承载力。做好地表防排水工作。在雨季来临前对地表地势较低地段进行回填覆盖，将地表雨水及时引排，以免弱化围岩。合理安排施工工序，缩短各工序间隔时间，尽快闭合初期支护，以便形成闭合受力体系，控制隧道整体沉降，防止地表开裂。（２）做好隧道地表裂缝的处理，防止地表水从裂缝中灌入土体内，确保隧道施工与运营期间的安全。（３）加强隧道监控量测，对量测数据进行整理分析，及时评价既有支护和施工参数，指导、优化支护参数和施工方案，做到动态施工。

参考文献

[1]张伟．浅埋大断面黄土隧道地表裂缝成因及其防治措施［Ｊ］．现代城市轨道交通，２００７（３）．

[2]孔刚，大断面黄土隧道施工技术［Ｊ］.全国矿山建设学术会议文集，2008

[3]霍玉华，王晓州，孟飞彪，等.大断面黄土隧道快速掘进施工方法研究[J].铁道标准设计，2007，

[4]中铁第一勘察设计院．兰州市南山路华林坪隧道施工设计图［Ｒ］，２０１０