公路黄土隧道地表变形病害成因分析与防治措施.doc

公路黄土隧道地表变形病害成因分析与防治措施王骑虎（甘肃省交通规划勘察设计院，兰州730020）摘要通过对甘肃省6座公路黄土隧道地表变形病害的调查研究，黄土区隧道穿越区地表变形主要有裂缝、塌陷和陷穴，其中裂缝变形以纵向裂缝变形为主。并在此基础上，分析了隧道地表病害的分布规律、形成原因和危害性，并提出了综合防治措施。关键词公路黄土隧道；地表变形病害；成因分析；防治措施0 问题的提出2007年3月至7月，作者先后对已建的巉柳高速公路新庄岭隧道和在建的平定高速公路静宁隧道共6座隧道地表变形病害进行现场调查，发现静宁等5座隧道在 施工过程，在黄土浅埋段出现大量裂缝，致使洞顶居民宅院开裂和塌方，造成j较大的财产损失；运营中的新庄岭隧道因耕地灌溉和降雨，地表出现大量裂缝和陷 穴，隧道衬砌发生变形破坏。据统计，在甘肃省内已建和在建的黄土公路隧道近20座，地表病害成为黄土隧道重要的工程地质问题之一。作者认为，地表病害可分 为两类，即原生病害和次生变形病害，前者指由于黄土本身的结构和湿陷性而引起的，如地表分布的陷穴、落水洞、黄土桥及黄土冲沟等；后者指隧道开挖后，地表 水入渗引起的地表变形病害，如地表裂缝、地表塌陷等。随着我国经济的高速发展，黄土地区的隧道建设越来越多，有必要对已有的黄土隧道病害的发育类型、分布 及其成因进行深入研究，为类似工程的设计施工提供参考依据。1 黄土隧道工程地质条件本次调查的6座隧道均处陇西黄土高原黄土梁地区，隧道穿越南北向延伸的丘陵，地貌上属侵蚀-剥蚀、堆积黄土梁区。以分水岭为界，中间高两侧低，冲沟切割较浅，高差120340.0m，山坡自然坡度2030。黄土隧道地层结构可分细为三种情况：风积一般新黄土-冲积饱和黄土-冲洪积老黄土-泥岩，如静宁隧道；风积一般新黄土-冲积饱和黄土-泥岩，如卧龙隧道、老君隧道以及太平隧道；风积一般新黄土-冲积饱和黄土-老黄土，如青岚隧道和新庄岭隧道。据岩土工程地质特性，可划分为三层：表部湿陷层：披挂式覆盖于黄土梁表层的风积一般新黄土（Q3eol），土质均匀，结构疏松稍密，大孔隙发育，具垂 直节理，层厚11.048.8m。隧道浅埋段属于自重湿陷性场地，地基湿陷等级为级，湿陷性黄土厚度为18.0045.50m。核部软岩层：黄土 梁核部或为老黄土（Q2 al+pl）或为泥岩（E）。老黄土呈硬塑软塑，土质较均匀，大孔隙发育，具微斜层理，局部微带红色，含亚粘土团块，呈团粒结构，层厚 3.0544.0m；泥岩系碎屑沉积，泥质结构，层状构造，层理不清楚，成岩性差，湿水易软化，缩水干裂，节理较发育，岩体呈厚层状，岩质较均匀，粉砂 质含量高，局部见砂岩呈透镜状夹层，其抗压强度小于5MPa，属极软岩。中间饱和层：黄土梁两侧山坡段，在表层黄土和底部软岩之间分布冲积饱和黄土 （Q3al），呈饱和软塑，局部硬塑，土质不均匀，结构较密实，具水平层理。层厚3.0544.0m。除新庄岭隧道外，其余隧隧道段陷穴等黄土不良地质现象不发育。特殊性岩土有湿陷性黄土和饱和黄土。2 黄土隧道地表变形分布规律根据现场调查，隧道穿越区出现的地表变形主要有裂缝、塌陷、陷穴。2.1 地表裂缝发育规模据调查，黄土隧道在施工过程和运营阶段，出现大量的裂缝，见表1。由表可见，黄土隧道地表裂缝以纵向裂缝为主。表1 部分隧道裂缝统计表序号 隧道名称 纵向裂缝（条/总长） 横向裂缝（条/总长） 环向裂缝（条/总长） 备注1 静宁隧道 15/3560 2/46 3/51 2 卧龙隧道 11/1296 4/126 3/52 3 新庄岭隧道 30/4420 0/0 0/0 2.2 地表裂缝发育分布规律（1）纵向裂缝在建的平定高速公路5座隧道地表的裂缝主要分布在隧道两端黄土浅埋段拱顶，黄土埋深20120m。裂缝多呈近东西向展布，与隧道轴线基本平行，属于张性 纵向裂缝。平行隧道轴线最少4条，最多11条，一般有47条。纵向裂缝大多呈锯齿状延伸，一般宽13cm，最大1550cm，可见深度36cm， 最大深度60120cm，在未开耕的地表明显，在地坎上有明显的拉裂缝。另外，在新庄岭隧道施工过程中，曾在K60+900K61+250的隧道两侧 发生两条贯通性裂缝，裂缝长约250400m，地表揭露不明显。运营的新庄岭隧道地表发现近30条裂缝，其中连续贯通裂缝27条，分布面积约400260m2，裂缝总长约4420m。裂缝主要出现在 SK61+150SK61+450右80m、XK61+200XK61+600左110m的区域内，多呈近东西向方向展布（与隧道轴线平行），局部有 个别裂缝近南北向发展，地表可见宽度在0.12.5m之间，深度0.64.5m之间，长度200400m。纵向裂缝，根据分布位置，可分为上下行之间的裂缝和平行于隧道侧墙的裂缝两种；按应力性质和形成机理，可分为拉张裂缝，剪张裂缝。通过调查，大多隧道中纵 向裂缝起于隧道两侧开挖界限，终于隧道埋深超过120m的段落。隧道仰坡发育多，间距小，例如静宁隧道上行线东端洞口洞顶截水沟有10条裂缝，间距 17m；在洞口仰坡三、四级平台分布小落水洞，宽1040cm，可见深度2060cm。纵向裂缝单条发育和成束状形成裂缝带。延伸长的单条裂缝大多呈锯齿状，局部出现有分叉和交汇现象。局部地段平行发育24条裂缝，如在贯通与静宁隧道下行 线的纵向裂缝在XK209+795左侧610m处山路陡坎上发育三条裂缝，裂缝宽24cm，深度3050 cm，间距2.53.5m。在XK209+660左侧40m处裂缝最明显，裂缝宽1025cm，深度46cm。（2）横向裂缝静宁隧道为XK209+800南侧40m120m范围公路内侧发育一条横向裂缝，裂缝宽26cm，长30m，深度30cm。公路内侧明显沉降，地势相对低洼，地表水容易汇集。（3）环向裂缝在一般新黄土段，分布连接纵向裂缝的呈弧形断续状延伸的环向裂缝。例如，卧龙隧道XK244+500南侧5m北侧15m发育1条环向裂缝，宽 13cm，深度3cm左右；XK244+600+630北侧30mXK244+640南侧20m范围内，发育3条裂缝，裂缝宽12cm，深度 35cm；SK244+530北侧18mSK244+550南侧10m处，发育2条环向裂缝；SK244+530北侧18mSK244+540南侧 6m，发育1条环向裂缝，裂缝宽12cm，局部宽545cm，深度3100cm，沉降差210cm。2.3陷穴的发育规律在新庄岭隧址区，共调查陷穴96个，其中对隧道工程有严重影响的有73个，大多分布在水渠下游、地坎下、沟底和沟坎边缘。陷穴在地表多呈圆形，个别为不规 则椭圆形，地表可见直径在0.220m之间，深0.220m不等，陷穴内部形状多呈下部扩展型，个别为漏斗型（口大底小）。2.4塌陷的发育规律2007年7月11日临晨，平定高速静宁隧道下行线K209+500K209+600处发生地面下陷，造成了很大人员及财产损失。卧龙隧道在下行线东出 口端北侧二级开挖边坡靠近端洞顶二级仰坡交界处5m左右、高出仰坡一级平台6m左右发育一处陷穴，施工单位未完全回填，残余洞口直径60cm，深度 1.5m。在新庄岭隧址区，陷穴相对较发育，地面上呈大体串珠状排列，陷穴经地表水大量渗入后，经常出现下部互相贯通连续现象，形成较大地下暗沟，并出现 地面的沉降和较大的裂缝。在上述SK61+150SK61+450右80m、XK61+200XK61+600左110m区域内裂缝相当发育，其形成应与黄土的性质有关，隧址 区黄土具大孔隙，垂直节理、裂隙很发育，当地表形成陷穴后，大气降水、农田灌溉水进入陷穴，沿黄土孔隙、节理和裂隙快速下渗，不断进行冲、溶蚀作用，进而 形成地下裂缝。3黄土隧道地表变形成因分析根据裂缝发生时间和规模、施工方法，初步认为：隧道地表裂缝是在隧道开挖和持续降雨双重因素隧道拱顶发生下沉所形成的。引起地表发生变形病害受三个方面因素影响：（1）裂缝发生段隧道围岩结构为一般新黄土，下伏饱和黄土，一般性黄土垂直节理发育，抗剪能力弱，饱和黄土土体呈软塑流塑状,强度较低，灵敏度较高，开挖扰动大，产生较大变形，是内在因素。（2）开挖过程采用上下台阶法，二衬间隔时间过长，对拱顶上方黄土影响很大，是外在因素。（3）隧道施工阶段恰遇多年罕见持续降雨，上覆欠固结的黄土的垂直节理发育，黄土发生湿陷，自稳能力急剧下降，是诱发因素。4黄土隧道地表变形的危害和防治措施4.1隧道地表变形的危害（1）物理危害地表裂缝的形成，为大气降水（地表水）入渗提供了便利的通道。如不及时进行工程处治，降雨或地表水集中沿裂缝下渗时，裂缝不断加深、扩张、贯通，形成裂缝 集中发育带，造成地面沉降发生。水继续入渗，深部黄土发生湿陷，土体软化，强度降低，引起裂缝贯通至地表，发生地表塌陷。在隧道衬砌和黄土之间形成饱和土 层，影响隧道安全运营。如新庄岭SK61+150SK61+450右80m、XK61+200XK61+600左110m处，地表裂缝发育，致使魏家 沟村119#、120#等4户居民房屋上出现多条裂缝，宽一般在135mm之间；平定高速公路隧道施工过程出现裂缝，致使隧道上方居民搬迁，如卧龙隧道 裂缝LF8贯通，造成村民房屋倒塌。（2）化学危害黄土含盐量较大，主要以碳酸盐为主，其次为硫酸盐和氯化物，第三系基岩含盐量高。贯通裂缝一方面为大量水入渗提供通道，另一方面为水土化学作用提供了空间，使成HCO3SO4-Na型孔隙裂隙潜水中硫酸根离子在水中积聚，导致地下水对混凝土具结晶类腐蚀加剧。4.2综合防治措施探讨（1）施工前，在详细勘察基础上，分析预测可能发生的地表变形类型，圈定浅埋段隧道可能发生地表裂缝范围。（2）选择合理的隧道开挖方法，建议采用双侧壁导坑分部开挖法和超短台阶分部开挖，慎用上下台阶法施工。（3）施工过程出现裂缝后，首先，对裂缝延伸段落和开挖陷穴陷坑回填压实。其次，加强裂缝区地表防排水系统，在裂缝发育区以外5 m周外布设环向截水沟，防止地表水坡面流水渗入和灌入裂缝，并作好截水沟周边铺设土工膜进行防渗处理，建立裂缝和地表沉降观测系统。（4）既有隧道的地表裂缝，建议对裂缝区进行开挖夯实铺防渗层逐层回填夯实同时，应加强地表水的管理和疏排，采取水地变旱地措施，防止农灌水 沿裂缝下渗。例如，在K61+400左右村中已有水渠附近，对出现渗漏引起的陷穴、裂缝，进行夯填处理外，还应对该水渠的原有混凝土水渠拆除，在渠体下加 铺防渗材料，对土质水渠应先在渠底进行夯实处理，并加铺防渗材料，然后再架设水渠。参考文献：1