大断面隧道黄土浅埋地表裂缝成因及其防治措施

大断面隧道黄土浅埋地表裂缝成因及其防治措施

摘 要 结合大西铁路客运专线两宜隧道地表裂缝的处理过程，对浅埋大断面黄土隧道施工中出现的地表裂缝原因进行了分析，提出了该类隧道地表裂缝的防治措施。

关键词 大断面隧道 黄土浅埋 地表裂缝 防治措施

1.引言

在隧道施工中，黄土属于软弱围岩，湿陷性是其区别于其他软弱围岩最显著的特征。浅埋大断面黄土隧道在施工过程中， 由于埋深浅、开挖断面大，加之黄土工程特性差和遇水湿陷的特点，往往容易引起地表的不均匀下沉而形成地表裂缝。

地表裂缝是浅埋大断面黄土隧道施工中的常见问题。地表裂缝的防治是否及时合理，对隧道工程的施工安全、隧道结构的整体稳定起着举足轻重的作用。因此，正确分析地表裂缝的成因及发展趋势，采取合理有效的工程措施进行防治，是保证隧道结构稳定及安全施工的有效途径。

2.工程实例 2.1 工程概况

两宜隧道全长2243m，隧道起讫里程为DK721+541～DK723+784，隧道进出口分别有29m、314m的明挖段。隧道所穿越黄土台塬塬面完整，地形较平坦开阔，地表附着物为果树、玉米、小麦，分布有小规模陷穴、水窖。地层地表主要以第四系中更新统风积砂质黄土为主；下伏第四系中更新统黏质黄土，属自重湿陷性黄土，湿陷等级为Ⅲ～Ⅳ级。隧道上覆土层厚度为4～42 m，开挖面积162 m2 ，属于全隧浅埋大断面黄土隧道。 2．2 开挖及支护

该隧道从进、出口进洞同时掘进，采用双侧壁导坑法、CRD法和三台阶七步开挖法开挖。开挖成型后，紧跟超前支护和锚杆、型钢钢架、钢筋网和喷射混凝土组成初期支护。隧道开挖方法见下图1、2、3。

三台阶七步开挖法开挖照片

2.3 地表裂缝的发展情况

2010年11月18日， 隧道掘进至DK722+000时，地表出现平行于隧道中线的1 、2 裂缝，宽度30～70 mm，分别距离中线12 m和l5 m。掌子面里程前端15m地表出现横向裂缝与两侧纵向裂缝贯通，形成环向裂缝(最大缝宽3cm)，裂缝最大错台达8cm。所有裂缝随掌子面的掘进而发展。11月18日停止开挖， 并加快了仰拱施工速度， 同时采取了封闭地表裂缝、回填夯实陷穴的处理措施，期间裂缝未见明显变化。7月19日恢复开挖后， 裂缝仍随掌子面的掘进而继续发展。

3.地表裂缝原因分析

量测数据表明，浅埋大断面隧道地表裂缝的出现与发展往往发生在仰拱施作以前，尤其在各台阶开挖过程中及初期支护完成短时间内，地表裂缝发展明显，仰拱施作完毕后则基本趋于稳定。综合各种因素考虑，裂缝产生的主要原因如下。

3.1 工程地质条件

(1)松软土。隧道上覆土层表层为松软土，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，土体因扰动而下沉，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)黄土。该段隧道所处工程地质条件为新黄土，具有孔隙比大、抗水性差，

遇水极易崩解、潜蚀等特性，属于自重湿陷性黄土。因地表附着物为果树、玉米、小麦，受季节灌溉和雨水的作用，决定了其遇水必然产生自重湿陷，使地表下沉、开裂。

(3)冲沟、陷穴。隧道地表分布少量黄土陷穴，在对果园和小麦进行灌溉时，一方面，水流下渗使陷穴连通，在陷穴内部形成了一个水流通道，水流通道周围土体含水量增加，黄土因含水量增加而产生自重湿陷，引起地表的不均匀下沉而产生裂缝；另一方面，水流下渗使地表陷穴连通、扩大，在农田灌溉时发现水流下渗现象严重(最长时间灌溉8 h，地表无积水)，部分陷穴因水流作用而塌落，引起地表不均匀下沉而形成裂缝。

3.2 隧道整体下沉

(1)初期支护的变形较大。两宜隧道为全隧浅埋大断面黄土隧道，上覆土层为新黄土，土质松软、土壤粘结力差。受灌溉用水及雨水下渗浸泡作用，土体含水量增加，隧道上部地压力明显增加。一方面，受隧道开挖的扰动，围岩自稳能力降低， 隧道上部土体沿破裂面形成楔形漏斗，荷载基本都作用在初期支护上；另一方面，由于仰拱未及时跟进，全断面初期支护未及时封闭成环，不能形成一个完整的受力结构，导致作用在初期支护上的荷载过大，从而引起拱顶和地表下沉，产生裂缝。

(2)拱脚处黄土承载力不足。两宜隧道所处工程地质条件为新黄土段，土质松软、孔隙率大、压缩性高、承载力较低。在分部开挖钢拱架施作后，钢拱架拱脚处由于地基承载力不足而下沉， 中导坑和下导坑的开挖造成拱脚继续下沉，导致

拱顶亦继续下沉，从而引起地表下沉开裂。

(3)地基承载力不足。地表水下渗至隧道基底，造成基底土体含水量增加， 引起土体产生湿陷变形和承载力明显下降，加之在隧道施工过程中机械、车辆行走对隧道基底产生扰动，造成隧道整体下沉，引起地表下沉、开裂。

4.处理措施

在裂缝出现后，立即对地表进行了封闭处理，并加强监控量测，迅速对量测资料进行整理分析，及时调整相应支护参数，优化施工方案，使地表裂缝得到有效控制。在裂缝出现、发展、稳定的整个过程中，具体采取了以下处理措施。

4.1 地表处理措施

(1)裂缝处理。对地表裂缝进行了灌注水泥浆和水泥土封闭处理，并进行夯实。

(2)陷穴处理。探明隧道拱顶地表陷穴位置、大小，并用水泥土回填夯实，将穴口地面整平夯实为凸形， 防止积水下渗。

(3)地表防排水处理。在洞顶可能出现裂缝区段铺设防水雨布，并设置截、排水沟对地表积水进行引排。

4.2 洞内处理措施

(1)调整型钢钢架间距， 由原设计的0．8 m调整为0．6 m，在钢架拱脚处增设槽钢垫块或混凝土垫块，增加纵向连接钢筋和锁脚锚杆的数量，增加初期支护的整体刚度。

(2)优化施工组织，缩短各工序的时间间隔，使各工序之间衔接紧凑，减少开挖面的暴露时间。

(3)抓紧仰拱施工，仰拱与掌子面的距离控制在30 m以内，使初期支护尽早封闭成环， 形成一个完整的受力结构，提前施作二次衬砌。

4.3 监控量测

(1)地表观测。在地表沿隧道纵向每5 m布设一个观测断面，每个断面布置16个观测点，对地表沉降进行密切观测。

(2)洞内观测。加大拱顶下沉、净空收敛的观测频率， 并及时对观测数据进行整理分析，反馈指导施工，及时调整支护参数。

5.防治措施

浅埋大断面黄土隧道埋深浅、黄土工程特性差、开挖断面大、国内外无成熟经验可供参考，施工困难大。在施工中把握浅埋大断面黄土隧道的特点，是安全、高效地进行浅 埋大断面黄土隧道施工的关键，为此，应采取如下防治措施。

(1)施工前探明可能对隧道施工产生危害的陷穴位置、大小，并回填夯实，对不良工程地质进行预处理。

(2)做好防排水工作。隧道进洞之前，在地表做好防、排水系统，将地表积水及时引排；对洞内地下水采取截、堵、排相结合的措施，有效地防止地下水的渗出；对渗出的地下水及时引排，防止浸泡拱脚、墙角及隧底。

(3)短进尺、少扰动。严格控制每次掌子面开挖距离，及时施作初期支护；在开挖时人机配合，用挖掘机环形开挖，周边人工修边，杜绝超、欠挖现象，尽量减少对围岩的扰

动，发挥围岩的自稳能力。

(4)快速完成初期支护、仰拱紧跟。分部、快速地进行初期支护，减少开挖面的暴露时间；及时施作仰拱，使全断面初期支护尽早封闭成环， 形成一个完整的受力结构。

(5)加强监控量测。监控量测是隧道现代化施工管理的重要组成部分。对量测数据进行整理分析，合理评价既有支护和施工参数，指导、优化支护参数和施工方案，真正做到动态施工。

6.结束语

浅埋大断面黄土隧道埋深浅、黄土工程特性差、开挖断面大、国内外无成熟经验可供参考，施工困难大。施工前应探明可能对隧道施工产生危害的陷穴位置、大小，及时对不良工程地质进行预处理；做好防排水工作。隧道进洞之前，在地表做好防、排水系统，将地表积水及时引排；对洞内地下水采取截、堵、排相结合的措施，有效地防止地下水的渗出；对渗出的地下水及时引排，防止浸泡拱脚、墙角及隧底。在施工中严格执行短进尺、少扰动。严格控制每次掌子面开挖距离，及时施作初期支护；在开挖时人机配合，用挖掘机环形开挖，周边人工修边，杜绝超、欠挖现象，尽量减少对围岩的扰动，发挥围岩的自稳能力。快速完成初期支护、仰拱紧跟。分部、快速地进行初期支护，减少开挖面的暴露时间；及时施作仰拱，使全断面初期支护尽早封闭成环， 形成一个完整的受力结构，把握浅埋大断面黄土隧道的特点，是安全、高效地进行浅 埋大断面黄土隧道施工的关键。