某黄土隧道浅埋段地表变形研究及治理方案

张乾翼 冯文强 赖国泉

(中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州 730000)

隧道开挖往往伴随着应力集中与释放的过程，且这个过程并非瞬间完成，通常具有一定的空间效应[1-3]，可能会导致地表沉降、水平位移等;当隧道埋深较浅时，这种效应及影响会更加明显[4-8]。

对于深埋隧道开挖引起的地表变形问题，众多学者进行了相关研究。 研究表明，隧道开挖引起的纵向地表移动与变形不容忽视[9-10];也有人认为，隧道开挖只对工作面前后一定范围的地表产生明显影响[11-12]。但对黄土地区浅埋隧道引起的地表开裂变形研究较少，且缺乏相关处理措施。 以兰州市南绕城高速公路岗家营隧道进口段地表变形为研究背景，通过数值模拟计算及现场裂缝形态分析，总结此类地层条件下隧道开挖引起地表变形的原因，并提出了变形裂缝、陷穴等病害的处理措施建议，可为业内类似问题的治理提供参考。

1 工程概况

岗家营隧道位于黄土梁区域，海拔在1 680 ～1 905 m 之间，黄土梁上覆盖风积黄土，地势较平坦。隧道右 线 里 程 为YK25 + 780 ～YK28 + 020， 总 长2 240 m;左线里程为ZK25+754 ～ZK27+956，总长2 202 m，为分离式隧道。

隧址区地层主要为第四系风积黄土和冲洪积黄土。 其中第四系上更新统风积黄土覆盖于该地区的黄土梁表面，厚度为10 ～25 m，浅黄色，主要由粉末颗粒组成，土质相对均匀，孔隙发育，具湿陷性，陷穴发育;第四系中更新统冲洪积黄土分布在风成黄土下部，黄棕色，土质相对不均匀，孔隙不发育，具水平层理，见图1。

图1 地质断面

随着隧道洞身向前掘进，洞顶的地表环向、纵向裂纹不断发展，浅埋段环形裂纹最大宽度达到20 cm，深埋段已观测到的环向裂纹宽度达到2 ～3 cm。 由于农田灌溉，陷穴形成贯通状态，多处地表塌陷或带状陷穴随处可见，如图2。

图2 地表变形现状

2 隧道进口地表变形特征

根据现场裂缝特征(见表1)，总结规律如下:地表裂缝主要分布在隧道进口段左线左侧80 m 至右线右侧50 m 范围内(见图3)。 同时，靠近隧道进口的浅埋隧道区域裂缝可见明显拉张下错，变形方向为隧道小里程方向，且地表土体松动明显;大里程方向的裂缝主要为拉张裂缝，变形方向近似垂直线路。

图3 地表变形位置

表1 隧道进口地表变形特征

续表1

3 有限元数值模拟分析

(1)参数定义模型建立

选取裂缝集中的典型1-1 和2-2 断面，采用二维有限元软midas-GTS 进行分析。 在属性定义中，岩土采用平面单元，隧道初支采用梁单元[13-14]，模型边界条件采用地面支撑，即模型底部限制垂直及水平位移，模型两侧限制水平位移[15-16]，根据地勘报告及本地区经验值综合确定岩土体物理力学参数(见表2)。 初支状态下的模型见图4、图5。

表2 岩土体物理力学参数

图4 1-1 断面数值模型

图5 2-2 断面数值模型

(2)模拟工况

通过模拟隧道洞身核心土开挖、初期支护和护拱施加的全过程，查看隧道开挖引起的塑性区。

(3)计算结果分析

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根据数值模拟计算结果(见图6、图7)，1-1 断面开隧道挖影响线与水平方向的夹角为50°～63°，2-2 断面开隧道挖影响线与水平方向的夹角为53°～55°。

其中，调查点411、415、418、419、420、421、423 在隧道开挖影响范围之内;调查点410、412、413、414、416、417、422 在隧道开挖影响边界外3～6 m。

图6 1-1 断面变形云图

图7 2-2 断面变形云图

数值模拟计算结果与现场变形情况基本一致，说明隧道进口地表变形与隧道开挖有关。

4 地表变形原因分析

通过现场调查与分析，并结合数值模拟与坡体岩层结构特征研究，得出隧道进口的地表变形主要有以下三个方面的原因。

(1)隧址区地表覆盖马兰黄土，具湿陷性，裂隙发育，大气降雨、农田灌溉水及居民生活用水易沿裂隙入渗，进入深层土体，软化其强度。 特殊的地层是变形的基础条件。

(2)隧址区山梁平缓，汇水面积较大，人造梯田不利于地表水的排泄，加之农田大多为水浇地，导致坡体土层含水率普遍偏高，土体力学指标偏低。 水是地表发生变形不可或缺的条件之一。

(3)隧道开挖导致围岩松弛，隧道内土体的垮塌更加大了松弛圈的范围，在坡体内部产生新的临空面，进而引起地下水向隧道开挖区域汇集，致使隧道顶部土体向隧道位置塌陷，引发地表变形。 隧道埋深越浅，这种变形越剧烈[17]。

5 治理方案

5.1 治理难点

5.2 治理措施

考虑到上述治理难点，对地表裂缝及陷穴采用种植土盖面回填法。

(1)裂缝处理

开挖裂缝至槽底后进行水泥土封闭夯填，上部采用黄土及种植土进行回填夯实。 具体为:以裂缝为开槽中心，槽深1.5 m，边坡比为1 ∶0.3 ～1 ∶0.5，槽底宽以开挖后裂缝为中心，两边在裂缝外侧各不小于25 cm。 开挖后槽内自下而上分别采用2 ∶8 水泥土、黄土及种植土回填，其中水泥土及黄土厚度分别为30 cm、70 cm。 压实度均不小于0.9。 最上部采用种植土回填，厚50 cm，回填密度不小于周围土体的天然密度，见图8。

图8 裂缝处理剖面(单位：m)

(2)陷穴处理

直径1.0 m 以内的陷穴，开挖后分层夯实;直径1.0 m 以上的陷穴，直接进行分层夯实。 开挖坡比为1 ∶0.3～1 ∶0.5，开挖后上部50 cm 采用种植土回填，回填密度不小于周围土体的天然密度。 50 cm 以下范围采用2 ∶8 水泥土分层夯填，其压实度不小于0.9。

(3)农田整平处理

对地面变形较大的农田进行整平处理，先挖出上层种植土(20 cm)，然后平整土地，最后回填种植土(30 cm)。

6 结论

(1)在地形平缓、地表水易于下渗的黄土地区，水是地表变形不可或缺的条件之一。

(2)隧道开挖易引起围岩松弛，尤其在黄土隧道内，土体松弛圈的范围会增大，在坡体内部形成新的临空面后，易引发地表变形，越是埋深浅的地方变形越剧烈。

(3)应加强监测，尤其是隧道收敛变形监测、仰拱沉降监测，待隧道稳定后，再进行地表裂缝处理，并完善地表排水系统。

(4)对于耕种用地范围内的地表裂缝及陷穴，可采用种植土盖面回填法进行处理。