董志黃土塬地區(qū)淺埋隧道施工地表縱向裂縫發(fā)展時(shí)空規(guī)律研究

來(lái)弘鵬， 黃鵬志， 劉禹陽(yáng)， 劉俊平

(1. 長(zhǎng)安大學(xué)， 陜西 西安 710064； 2. 銀西鐵路有限公司， 寧夏 吳忠 751100)

0 引言

淺埋黃土隧道施工過(guò)程中由于黃土地層特殊的垂直結(jié)構(gòu)性，若施工不當(dāng)，往往會(huì)在隧道上方地表產(chǎn)生平行于隧道中心線的縱向裂縫(見(jiàn)圖1)。這種地表裂縫不僅會(huì)影響隧道的施工安全和運(yùn)營(yíng)安全，還會(huì)導(dǎo)致隧道上方黃土塬居民區(qū)房屋開(kāi)裂，帶來(lái)巨大的安全隱患與經(jīng)濟(jì)損失。目前，針對(duì)黃土地層地表縱向裂縫的發(fā)展規(guī)律與防控措施，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了一系列的研究工作，并取得了相應(yīng)成果。葉朝良等[1]使用物理探測(cè)和人工探坑相結(jié)合的方法對(duì)黃土隧道地表縱向裂縫進(jìn)行了實(shí)測(cè)并預(yù)測(cè)裂縫的發(fā)展深度，形成了整套預(yù)測(cè)地表裂縫深度的探坑方法；丁維利等[2]通過(guò)5種不同設(shè)備對(duì)裂縫深度和裂縫面方向進(jìn)行了探測(cè)，提出黃土隧道地表裂縫分布和深度規(guī)律；朱永全[3]依托于鄭—西鐵路客運(yùn)專線，在大量調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合離散元軟件模擬分析，總結(jié)了不同埋深、不同施工方法下黃土隧道地表裂縫的發(fā)生與發(fā)展規(guī)律。以往對(duì)黃土隧道施工中地表縱向裂縫的研究多集中于裂縫的空間位置分布與裂縫的成因分析[4-5]，對(duì)裂縫的發(fā)展規(guī)律分析往往停留在二維平面空間，不夠深入，對(duì)在施工過(guò)程中預(yù)防地表縱向裂縫產(chǎn)生的作用有限。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)地表縱向裂縫圖

綜上所述，對(duì)淺埋黃土隧道施工過(guò)程中地表縱向裂縫發(fā)展的時(shí)空規(guī)律還需進(jìn)行更加深入的研究，特別是在空間維度上研究不同隧道埋深下裂縫的形態(tài)與特征，在時(shí)間維度上確定開(kāi)裂起止時(shí)間與裂縫發(fā)展速度，綜合總結(jié)出地表縱向裂縫發(fā)展的時(shí)空規(guī)律，并提出減少地表縱向裂縫的施工防控措施建議。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件與隧道設(shè)計(jì)參數(shù)

所依托黃土隧道工程位于甘肅省慶陽(yáng)市境內(nèi)的董志黃土塬地區(qū)，董志塬是目前黃土高原現(xiàn)存面積最大、土層最厚的黃土塬，其地形地貌如圖2所示。該黃土塬表層為第四系上更新統(tǒng)黃土，其厚度約為15 m；位于上更新統(tǒng)黃土下部的是第四系中更新統(tǒng)黃土，厚度為150～200 m。受董志塬地形地貌及線路方案控制，隧道全部位于黃土層中。經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其中地表縱向裂縫最為明顯的是隧道淺埋段(長(zhǎng)約2 100 m)，埋深為20～40 m。

隧道斷面寬1 470 cm，高1 223 cm，橫截面積大。施工以三臺(tái)階留核心土七步開(kāi)挖法進(jìn)行隧道掘進(jìn)，采用長(zhǎng)度為4.5 m的φ42 mm超前小導(dǎo)管與長(zhǎng)度為9 m的φ159 mm長(zhǎng)管棚進(jìn)行超前支護(hù)。隧道襯砌采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)采用35 cm厚的C25噴射混凝土，I25a鋼拱架間距為60 cm，系統(tǒng)錨桿為φ22 mm砂漿錨桿，隧道二次襯砌為70 cm厚的C35鋼筋混凝土。

圖2 董志塬基本地形地貌

1.2 施工現(xiàn)場(chǎng)地表裂縫分布情況

為了解實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)地表縱向裂縫的分布情況，在隧道埋深為30 m的 DK212+210隧道斷面正上方前后35 m范圍內(nèi)的地面進(jìn)行地表縱向裂縫調(diào)查，測(cè)量裂縫寬度、裂縫與隧道中線間的水平距離。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地表主要存在有2條對(duì)稱于隧道中線的地表縱向裂縫，如圖3所示。2條地表縱向裂縫彎曲發(fā)育但都大致平行于隧道中線，其中左邊裂縫與隧道中線之間水平距離平均為16.58 m，右邊裂縫與隧道中線之間水平距離平均為16.77 m，最大裂縫寬度為4.6 cm。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量過(guò)程如圖4所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)地表縱向裂縫分布圖(單位： m)

圖4 現(xiàn)場(chǎng)地表裂縫測(cè)量

2 數(shù)值模型的建立與地表縱向裂縫位置的確定

2.1 數(shù)值幾何模型的建立

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立三維有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算模型，模型整體尺寸為70 m×100 m×85 m(長(zhǎng)×寬×高)，如圖5所示。其中地層分為2層，表層為15 m厚的第四系上更新統(tǒng)黃土(Q3黃土)，以下均為第四系中更新統(tǒng)黃土(Q2黃土)。在模型前后、左右分別施加與其表面垂直的水平約束，在模型下表面施加豎直方向的約束，模型上表面為無(wú)約束的自由邊界，計(jì)算過(guò)程中只考慮重力的影響。針對(duì)地表裂縫最為明顯的淺埋段，將模型隧道埋深分為3種工況，分別為20、30、40 m。隧道模擬開(kāi)挖采用三臺(tái)階七步開(kāi)挖法，各參數(shù)與實(shí)際工程保持一致，如圖6所示。

圖5 數(shù)值計(jì)算模型圖

圖6 隧道開(kāi)挖示意圖

2.2 模型物理力學(xué)參數(shù)

結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得黃土的相關(guān)物理參數(shù)并依據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告確定圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，圍巖和隧道襯砌均采用實(shí)體單元。圍巖采用雙線性應(yīng)變軟化遍布節(jié)理本構(gòu)模型，襯砌采用線彈性模型，超前小導(dǎo)管的加固作用等效成加固區(qū)。各材料物理力學(xué)參數(shù)如表1和表2所示。

2.3 地表縱向裂縫成因與模型中裂縫位置的確定方法

國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在淺埋黃土隧道的修建過(guò)程中往往會(huì)在地層中產(chǎn)生不均勻的沉降位移[6-8]，進(jìn)而導(dǎo)致地表一定范圍內(nèi)發(fā)生拉應(yīng)力集中。當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)黃土的抗拉強(qiáng)度或黃土原有垂直節(jié)理裂隙的黏結(jié)強(qiáng)度后，地表將被拉開(kāi)而產(chǎn)生可見(jiàn)的地表裂縫[9-11]，如圖7所示。而相對(duì)于地表淺層可見(jiàn)的拉裂破壞，在地表以下一定深度的土體由于自重產(chǎn)生擠壓作用，縱向裂縫的表現(xiàn)為滑動(dòng)破壞面，但是該實(shí)際破壞面不會(huì)張開(kāi)，其與地表淺層的可見(jiàn)裂縫連續(xù)并且向下延伸至隧道拱頂兩側(cè)。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)表

注：C1、φ1分別為黃土應(yīng)變軟化前的黏聚力與摩擦角;C2、φ2分別為黃土應(yīng)變軟化后的黏聚力與摩擦角;jc為節(jié)理面的連結(jié)強(qiáng)度;φ為節(jié)理面摩擦角;jdip為節(jié)理面傾角。

表2 隧道支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)表

由于FLAC3D軟件在模擬過(guò)程中無(wú)法直觀地通過(guò)模型的開(kāi)裂來(lái)確定裂縫位置，因此提出了將地層拉應(yīng)力、地層水平位移、地層土體破壞區(qū)3個(gè)指標(biāo)互相結(jié)合、互相補(bǔ)充、相互驗(yàn)證的裂縫發(fā)展?fàn)顟B(tài)綜合確定方法： 在地表淺層以地層拉應(yīng)力最大點(diǎn)連線為主，輔以地層水平位移最大點(diǎn)連線與地表小范圍受拉破壞區(qū)，判斷地表淺層裂縫的發(fā)展?fàn)顟B(tài)；在地層深部以地層水平位移最大點(diǎn)連線為主，輔以隧道周邊地層塑性破壞區(qū)位置，確定深層裂縫的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。裂縫發(fā)展?fàn)顟B(tài)綜合確定方法如圖8所示。通過(guò)分析不同隧道埋深工況下地表縱向裂縫的空間發(fā)展?fàn)顟B(tài)和不同時(shí)間點(diǎn)地表縱向裂縫的時(shí)間發(fā)展?fàn)顟B(tài)，可研究地表縱向裂縫的發(fā)展時(shí)空規(guī)律。

圖7 地表縱向裂縫成因示意圖

圖8 裂縫發(fā)展?fàn)顟B(tài)綜合確定方法

Fig. 8 Comprehensive determination method of crack development status

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的真實(shí)性與裂縫發(fā)展?fàn)顟B(tài)綜合確定方法的正確性，將模型中所得的地表縱向裂縫的平面分布位置與現(xiàn)場(chǎng)地表縱向裂縫調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，可以發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況吻合良好。數(shù)值模型中裂縫與隧道中線之間水平距離平均為15.7 m，裂縫平均寬度為4.9 cm，與實(shí)際誤差在10%之內(nèi)，說(shuō)明模型對(duì)實(shí)際工程中的地表縱向裂縫能有效還原且裂縫發(fā)展?fàn)顟B(tài)的確定方法可靠。

3 董志黃土塬地區(qū)淺埋隧道施工地表縱向裂縫發(fā)展時(shí)空規(guī)律

3.1 地表縱向裂縫發(fā)展的空間規(guī)律

對(duì)20、30、40 m埋深條件下的黃土隧道施工進(jìn)行模擬，得出地表縱向裂縫發(fā)育完全后的位置并繪制出裂縫在地層橫截面中的空間發(fā)展?fàn)顟B(tài)圖，如圖9所示。對(duì)不同埋深下地表縱向裂縫發(fā)展特征進(jìn)行分析，最后總結(jié)出地表縱向裂縫在地層中發(fā)展的空間規(guī)律，并用圖10進(jìn)行直觀表達(dá)。

(a) 埋深20 m

(b) 埋深30 m

(c) 埋深40 m

Fig. 9 Spatial development status of surface longitudinal cracks under different buried depths (unit: m)

1)在隧道開(kāi)挖輪廓線與黃土地層皆水平且軸對(duì)稱的情況下，由隧道施工引起的地表縱向裂縫對(duì)稱形成于隧道中線兩側(cè)。

2)地表縱向裂縫在地表淺層一定深度呈向下垂直狀，后逐漸向隧道中心線傾斜，總體呈“倒八字”形，最終止于隧道拱頂兩側(cè)。

圖10 地表縱向裂縫發(fā)展的空間規(guī)律圖

3)地表縱向裂縫與隧道開(kāi)挖輪廓線相交于拱頂兩側(cè)拱腰，該交點(diǎn)與隧道初期支護(hù)受力集中點(diǎn)相同，與隧道埋深、隧道開(kāi)挖方式無(wú)關(guān)。

4)不同埋深隧道施工所產(chǎn)生的地表縱向裂縫的傾斜角度(裂縫與水平面間夾角)大致相等。

5)地表縱向裂縫與隧道中線之間的水平距離隨著隧道埋深增大而增大。

3.2 地表縱向裂縫發(fā)展的時(shí)間規(guī)律

為了確定地表縱向裂縫發(fā)展的起止時(shí)間與發(fā)展速度，揭示地表縱向裂縫發(fā)展的時(shí)間規(guī)律，提取記錄了模型中地表縱向裂縫發(fā)展全過(guò)程中的裂縫深度變化。由于模型隧道每延米開(kāi)挖時(shí)間相等，因此采用模型隧道的開(kāi)挖長(zhǎng)度(掌子面與模型邊界距離)作為表示施工進(jìn)度的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。為了避免數(shù)值模型中的尺寸效應(yīng)，選取距模型邊界30 m的橫斷面作為監(jiān)測(cè)斷面。通過(guò)對(duì)掌子面在不同位置時(shí)監(jiān)測(cè)斷面地表縱向裂縫的深度監(jiān)測(cè)，分析總結(jié)得出地表縱向裂縫發(fā)展的時(shí)間規(guī)律。

隧道埋深為20、30、40 m工況下的30 m處監(jiān)測(cè)斷面地表縱向裂縫發(fā)展程度圖如圖11—13所示。橫軸為掌子面距隧道開(kāi)挖起始位置(模型邊界)的距離。

圖11 埋深20 m工況下地表縱向裂縫深度發(fā)展過(guò)程

Fig. 11 Development process of crack depth under buried depth of 20 m

圖12 埋深30 m工況下地表縱向裂縫深度發(fā)展過(guò)程

Fig. 12 Development process of crack depth under buried depth of 30 m

圖13 埋深40 m工況下地表縱向裂縫深度發(fā)展過(guò)程

Fig. 13 Development process of crack depth under buried depth of 40 m

為了對(duì)比分析不同埋深下地表縱向裂縫的發(fā)展速度，將3個(gè)埋深的監(jiān)測(cè)斷面地表縱向裂縫發(fā)展程度曲線進(jìn)行比較，結(jié)果如圖14所示。

圖14 3個(gè)埋深工況下裂縫深度發(fā)展對(duì)比圖

Fig. 14 Comparison of crack depth development under three different buried depths

通過(guò)分析各埋深下裂縫發(fā)展的時(shí)間特征，總結(jié)出以下淺埋隧道施工地表縱向裂縫發(fā)展的時(shí)間規(guī)律：

1)不論隧道埋深大小，地表縱向裂縫在隧道掌子面未推進(jìn)至監(jiān)測(cè)斷面時(shí)就已經(jīng)開(kāi)始發(fā)展，具有時(shí)間上的超前性。

2)地表縱向裂縫的發(fā)展速度在時(shí)間上具有不均勻性，存在有快速發(fā)展階段，總體上呈現(xiàn)“緩—急—緩”的發(fā)展規(guī)律。

3)當(dāng)隧道掌子面推進(jìn)至位于監(jiān)測(cè)斷面正下方時(shí)，無(wú)論隧道埋深大小，監(jiān)測(cè)斷面處的地表縱向裂縫深度都已達(dá)到相應(yīng)的最大值。

4)在淺埋條件下，隧道埋深越大，在監(jiān)測(cè)斷面處的地表縱向裂縫出現(xiàn)越早，超前范圍越大，但發(fā)展較慢，快速發(fā)展階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；隧道埋深越小，地表縱向裂縫出現(xiàn)越晚，超前范圍越小但發(fā)展速度快，快速發(fā)展階段持續(xù)時(shí)間較短。

4 黃土隧道施工地表縱向裂縫的防控措施建議

4.1 地表縱向裂縫的防控理念

在給出地表縱向裂縫的防控建議之前，必須從地表裂縫的產(chǎn)生機(jī)制出發(fā)提出科學(xué)的防控理念[12-13]。黃土隧道施工過(guò)程中掌子面前方圍巖發(fā)生先行位移，在黃土地層中形成滑動(dòng)楔形土體，進(jìn)而在地表以沉降槽的形式對(duì)地面產(chǎn)生影響。在沉降槽的前沿由于土體位移量的不均，拉應(yīng)力集中加之黃土特殊的垂直結(jié)構(gòu)性，導(dǎo)致地表受拉張開(kāi)，產(chǎn)生地表縱向裂縫[14-15]。根據(jù)以上地表縱向裂縫的產(chǎn)生機(jī)制，對(duì)應(yīng)裂縫空間上和時(shí)間上的演化規(guī)律，可以提出2種不同防控理念：

1)在地層中控制掌子面前方圍巖先行位移。

2)在地表進(jìn)行加固，防止地面開(kāi)裂。

4.2 地表縱向裂縫的防控措施建議

根據(jù)2種不同的防控理念，可提出2類防控建議: 一類是通過(guò)洞內(nèi)超前支護(hù)措施對(duì)掌子面前方圍巖進(jìn)行加固，稱為洞內(nèi)措施；另一類是對(duì)隧道上方地表進(jìn)行預(yù)加固處理，稱為地表措施。具體建議方案如下：

1)采用注漿導(dǎo)管對(duì)隧道掌子面前方土體進(jìn)行加固。該防控方案屬于洞內(nèi)措施，是在隧道掌子面上臺(tái)階拱頂至拱腳范圍內(nèi)施作注漿導(dǎo)管，具體導(dǎo)管長(zhǎng)度根據(jù)土體參數(shù)與隧道埋深確定。該方案控制了掌子面前方圍巖先行位移，進(jìn)而抑制了楔形土體的滑移，從根本上預(yù)防了地表縱向裂縫的產(chǎn)生，但成本可能較高，技術(shù)難度較大。

2)采用地表注漿對(duì)隧道上方地表進(jìn)行加固。該方案屬于地表措施，根據(jù)隧道埋深與地層土體參數(shù)確定地表沉降槽的拉應(yīng)力集中區(qū)，確定易發(fā)生地表開(kāi)裂的敏感區(qū)后在該區(qū)域采用普通水泥漿進(jìn)行鉆孔注漿或旋噴樁進(jìn)行地表土體加固。此方案相較于洞內(nèi)措施成本低，但在地表有居民區(qū)或農(nóng)田的情況下難以實(shí)施。

2種防控建議方案效果、成本、實(shí)施條件不同，在實(shí)際施工中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地表實(shí)際情況將各方案科學(xué)合理地組合起來(lái)，進(jìn)行分段分方案綜合治理。

5 結(jié)論與建議

本文依托于甘肅省慶陽(yáng)市董志黃土塬地區(qū)淺埋鐵路隧道工程，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，分析了隧道施工所導(dǎo)致的地表縱向裂縫的形成原因，提出了將地層拉應(yīng)力、地層水平位移、地層土體破壞區(qū)3個(gè)指標(biāo)互相結(jié)合、互相補(bǔ)充、相互驗(yàn)證的模型裂縫發(fā)展?fàn)顟B(tài)綜合確定方法，從而揭示了裂縫發(fā)展的時(shí)空規(guī)律，同時(shí)給出了相應(yīng)的地表裂縫防控措施建議。

1)淺埋隧道施工引起的地表縱向裂縫一般對(duì)稱形成于隧道中線兩側(cè)，在地表淺層呈向下垂直狀發(fā)育狀至一定深度后逐漸向隧道中心線傾斜發(fā)展，呈“倒八字”形，最終發(fā)育至隧道拱頂兩側(cè)。

2)在開(kāi)挖方法相同、隧道斷面相同的情況下，不同埋深隧道地表縱向裂縫傾斜角度(裂縫與水平面間夾角)大致相等，且裂縫最終貫通時(shí)與拱腰相交位置相同，因而地表縱向裂縫與隧道中線之間的水平距離隨著隧道埋深增大而增大。

3)地表縱向裂縫發(fā)展具有時(shí)間上的超前性，其發(fā)展速度在時(shí)間上不均勻，總體上呈現(xiàn)“緩—急—緩”的發(fā)展速度規(guī)律。隧道埋深越大，地表縱向裂縫超前范圍越大，但裂縫的發(fā)展速度較慢；隧道埋深越小，地表縱向裂縫的超前范圍越小，但發(fā)展速度快。各埋深裂縫深度在掌子面到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)已基本完全發(fā)育至最大值，后期擴(kuò)展很小。

根據(jù)所得地表縱向裂縫發(fā)展時(shí)空規(guī)律，提出了相應(yīng)的防控理念。建議在防控地表裂縫的過(guò)程中把握好地表裂縫形成的超前性，根據(jù)隧道埋深大小，采用洞內(nèi)超前注漿加固的方式，做好隧道掌子面前方圍巖先行位移的控制工作，并結(jié)合地表加固措施，避免地表縱向裂縫對(duì)隧道施工及后期運(yùn)營(yíng)安全造成危害。