黄土隧道开挖对洞顶建筑物的影响分析

高宏刚

近年来，随着我国公路事业的发展，隧道作为高速公路中重要的构造物，在交通枢纽中起到了举足轻重的作用，甘肃境内典型隧道包括连—霍主干线甘肃天巉公路黄土隧道群、巉柳公路黄土隧道群、平凉—定西高速公路黄土隧道群、宝鸡—天水高速公路黄土隧道等，但从已建成的黄土公路隧道反映出的问题来看，部分隧道存在不同程度的病害，主要反映在洞顶沉降量大，拱顶、拱腰纵向开裂及地表开裂、塌陷等，这种危害不但影响隧道施工、运营安全，还进一步危害了当地居民的生活及生产。考虑到公路隧道的开挖和地下小窑采空区对其上部地表建筑物危害的相似性，本文根据“小窑采空区稳定性评价”的方法对平定高速公路静宁隧道西侧进出口段开挖过程中洞顶安全埋深及其影响范围进行验算、分析，并通过计算结果与现场地质调绘的互相验证，为公路隧道顶部地表建筑物的稳定性评价提供新的理论依据。

1 研究区工程概况

静宁隧道位于静宁县平山、峡口、头岔、小湾和赵家沟之间，设计为上下行分离的双洞，上行线进、出口里程桩号为SK207+400，SK210+000，长2 600 m;下行线进、出口里程桩号为XK207+381，XK210+060，长2 679，属松软黄土和弱胶结岩石型长隧道。隧道西侧进、出口位于黄土斜坡上，洞口前缘及两侧发育有黄土冲沟，黄土斜坡地表多田坎，坡度约54°～63°，黄土层厚21.5 m～25.8 m，钻孔揭露深度范围内未见有地下水。隧道开挖前地表地形完整，坡面整齐。隧道开挖后地表发生裂缝，2007年7月11日凌晨，隧道开挖至XK209+640时，地表发生沉陷，造成隧道顶部村民房屋倒塌，地表产生沉降裂缝。

2 研究区地层岩性

根据隧道勘察钻探资料及室内试验分析，研究区隧道进口段为第四系冲积黄土层，褐黄色，饱和，软塑，局部潮湿，硬塑，土质较均匀，大孔隙发育，厚度变化大，其物理力学指标为:天然含水量W=21.86%～26.10%、天然孔隙比 e0=0.678～0.953、塑性指数 Ip=8.50～13.20、液性指数 IL=0.18～0.65、压缩系数 a=0.14 MPa－1～0.42 MPa－1、压缩模量 Es=4.22 MPa～11.31 MPa、剪应力 C=15.0 kPa～44.0 kPa、内摩擦角 φ =13.2°～24.5°，具中等偏高压缩性。富含第四纪孔隙水，多呈饱和状，呈易蠕动的松软结构，围岩极易坍塌变形，岩体Vp=351 m/s～970 m/s;受大气降水和黄土层孔隙水影响，有渗水或滴水。

3 隧道安全埋深及两侧影响范围估算

鉴于隧道开挖与小窑采空在开挖方式、过程、对周围环境的影响等方面具相似性，根据岩土工程手册第21章“小窑采空区稳定性评价理论”对平定高速公路静宁隧道浅埋段开挖过程中洞顶安全埋深及其影响范围等进行验算、分析，为工程的安全施工及隧道洞顶居民的征迁范围提出建设性意见。

1)静宁隧道西端进出口隧道安全埋深及其两侧影响范围估算(见图1)。

2)隧道安全埋深采用公式如下:

其中，H为隧道洞顶埋藏深度，m;H0为开挖临界深度，m;a为隧道跨径的一半，a=6.28 m;β取45°－φ/2;φ为岩土的内摩擦角，(°);CD 为影响宽度，m。

隧道已开挖段在上更新统冲积饱和黄土(Qal3)中通过，据施工图设计阶段试验资料，饱和黄土物理力学指标为:天然含水量W=21.86%～26.10%、天然孔隙比 e0=0.678～0.953、塑性指数 Ip=8.50～13.20、液性指数 IL=0.18～0.65、压缩系数 a=0.14 MPa－1～0.42 MPa－1、压缩模量 Es=4.22 MPa～11.31 MPa、剪应力 C=15.0 kPa～44.0 kPa、内摩擦角 φ =13.2°～24.5°，具中等压缩性。φ 分别取 13.5°，24.5°进行计算，结果见表1。

表1 隧道安全埋深及影响宽度计算结果

当H＜H0时，隧道洞顶不稳定，会塌陷下沉。

当H0≤H≤1.5H0时，隧道洞顶稳定性差，易发生塌陷下沉。

当H＞1.5H0时，隧道洞顶稳定。

3)根据实测资料，静宁隧道洞顶塌方段及受隧道开挖产生地表裂缝的埋深为72 m～79 m，其值小于该段黄土取最小内摩擦角值时的开挖临界深度84.2 m，并且小于该段黄土取最大内摩擦角值时计算的安全深度值99.9 m(1.5倍的临界深度)，属会塌陷下沉范围或易发生塌陷下沉的地段，计算结果与隧道开挖后实际产生的结果相符。

4)根据实测开挖时隧道塌陷段的埋深(H)及隧道两侧地表沉陷裂缝的影响范围(CD)，代入上式反算隧道黄土的内摩擦角φ值。计算结果见表2。

表2 反算结果

由以上结果可以看出，在现阶段开挖过程中产生的地表裂缝范围与理论计算结果基本吻合，经反算验证，下行线所得φ值位于饱和黄土内摩擦角变化范围之内，与施设阶段试验结果基本吻合，上行线所得φ值虽位于饱和黄土内摩擦角变化范围之外，与施设阶段试验结果有出入，结合该段钻探资料分析，该段洞身处围岩为一般新黄土夹层，其φ值应为20°～44.38°，所以反算结果与施设阶段试验结果相符。

4 结语

黄土是第四纪大陆松散堆积物，与人类活动密切相关，近年来陆续修建了一些黄土道路隧道，多数黄土隧道顶部地表均有居民点，隧道的修建对其顶部居民的生活和生命财产产生了很大的影响，隧道洞顶的居民搬迁问题一直以来是备受争议的问题，本文是通过用小窑采空区稳定性评价的理论，以隧道开挖和小窑开挖对其上部地表建筑物危害的相似性，通过理论计算与现场测量的相互印证，说明用小窑采空区稳定性评价的理论计算隧道洞顶建筑物的安全埋深及安全范围是现实可靠的。

［1］JTG D70-2004，公路隧道设计规范［S］.

［2］JTJ 064-98，公路工程地质勘察规范［S］.

［3］GB 50021-2001，岩土工程勘察规范［S］.

［4］童勇江，张厚泉.隧道明洞洞顶合理填土高度研究［Z］.