令永春,赵永虎, 苗学云

(1.银西铁路有限公司,宁夏吴忠 751100； 2.中铁西北科学研究院有限公司,兰州 730000；3.中国中铁科学研究院有限公司,成都 611731)

地表沉降变形与地表裂缝是黄土隧道浅埋段施工过程中最常见、危害最大的工程灾害类型之一，严重者会导致地表建筑物开裂或出现隧道塌方，从而威胁施工人员生命安全及财产损失。因此，针对黄土隧道施工期内浅埋段地表裂缝预防与处治技术是科研人员历来研究的重点。

张风生[1]、丁维利等[2]采用坑探手段，对郑西客运专线3条砂质黄土隧道浅埋段地表裂缝发育特征及其成因进行了分析。牛斌等[3]研究了粉细砂地层隧道开挖过程中出现的地表沉降规律。郑勇生等[4]通过现场调查和数值仿真，对浅埋大断面黏质黄土隧道地表裂缝的形成机理进行了研究。王龙飞[5]总结了湿陷性黄土隧道进出口浅埋段的地表裂缝预防措施。王明年等[6]通过对郑西客运专线12座黄土隧道地表裂缝现场调研和试验，初步确定了深、浅埋隧道的分界深度。吕庆林等[7]总结了黄土隧道地表变形类型及其特征，分析了影响因素并提出处治措施。曹勇等[8]、罗涛[9]采用离散元3DEC计算方法，分析了不同埋深条件下施工开挖过程中新、老黄土节理的发展演化规律，从而深化了对地表裂缝形成机理的认识。陈海军[10]研究表明黄土隧道浅埋段地表裂缝难以避免，需要采用洞内控制措施来减小其发育规模。林德新[11]研究发现埋深在60 m内的隧道在开挖过程中大多会出现15～70 mm宽度的地表裂缝。来弘鹏等[12]以银西高铁大断面浅埋隧道为对象，系统总结了浅埋隧道施工地表纵向裂缝发展的时空规律。张成平等[13]初步研究了地层中的空洞区域对地表裂缝的发育机理和影响规律。

上述研究成果针对洞口段、小段落浅埋段、黄土梁或黄土峁区山岭隧道地表裂缝的防治提供了重要指导。然而目前针对董志塬区长段落大断面浅埋黄土隧道的地表裂缝形成机理及其特征方面的研究鲜有报道，针对董志塬区长段落浅埋段大断面黄土隧道地表裂缝防治措施或理念尚需深入探索和实践。

鉴于此，以在建银川至西安高速铁路(以下简称“银西高铁”)上阁村隧道为工程实例，以其长段落大断面浅埋黄土隧道地表裂缝为对象，基于现场调查、理论分析、文献调研等手段，对董志塬区浅埋大断面黄土隧道地表裂缝典型特征及其形成机理进行总结，并提出针对性施工对策及建议，以便为类似大断面黄土隧道地表裂缝的预防与治理提供参考。

1 工程概况

银西高铁是我国“八纵八横”高速铁路网的重要组成部分，途经甘肃时穿越被学术界誉为“世界黄土第一塬”的董志塬[14]。受地形地貌和线路方案等诸多因素控制，银西高铁均以长距离慢坡隧道形式穿越董志塬上塬面和下塬面，通过里程长达90 km[15]。其中浅埋连续分布距离最长、施工变形控制难度最大、地表裂缝发育最多的是位于庆阳市宁县境内的上阁村隧道。

上阁村隧道设计为双线单洞，开挖宽度为14.8～15.2 m，最大开挖高度约为13.0 m，开挖断面面积达160 m2，根据Q/CR 9511-2014《铁路黄土隧道技术规范》隧道分级，属于特大跨度大断面黄土隧道。

隧道进口端约120 m及出口端约3 700 m段落均为连续分布的长段落浅埋段，地形平坦(图1)，地表多为耕地，洞顶建(构)筑物密集分布。洞身均在地下水位线以上，浅埋段隧道埋深10～60 m(1.0～4.0倍洞径)，洞身岩性为第四系上更新统、中更新统黏质黄土，围岩稳定性差，属Ⅴ级围岩。

图1 上阁村隧道出口端地形地貌

为控制洞内及地表变形，防止诱发地表沉降、地表裂缝、冒顶、坍塌等灾害，施工中采用三台阶开挖预留核心土工法，对隧道开挖影响范围内的建(构)筑物密集分布区实施地表袖阀管注浆(图2)、洞内帷幕注浆、地表沉降变形监测等综合防控措施，以确保隧道施工安全[16]。

图2 上阁村隧道出口端地表袖阀管注浆

2 浅埋隧道地表裂缝特征

针对上阁村隧道长段落浅埋大断面黄土隧道施工过程中出现的地表裂缝、地表沉陷等病害，经开挖后在现场及时调查、监测，对上阁村隧道地表裂缝现场调研汇总结果如表1所示。从整体来看，董志塬区长段落浅埋大断面黄土隧道施工过程中的地表裂缝发育典型特征，主要表现在裂缝分布位置、深度范围、发育时间、隧道埋深和地表沉降变形等方面。

表1 上阁村隧道地表裂缝调研汇总

2.1 地表裂缝分布位置

主要集中在沿着隧道中线两侧12～26 m范围内，裂缝走向与隧道走向近似平行，两条裂缝基本沿隧道中线对称分布。裂缝宽度2～20 cm，在农田耕地中连续分布，直至深、浅埋分界处裂缝消失。

2.2 地层裂缝深度范围

由于董志塬区地表黏质黄土层分布较均匀，开挖过程中首先在第四系中更系统黏质黄土层(Q2eol)中出现潜在滑动面，并逐步向第四系上更系统黏质黄土层(Q3eol)中扩展，导致整个开挖面顶部土体出现压缩沉降或滑塌，当滑动面逐步向地表贯通后，在浅埋地段4.0倍洞径深度范围内(约60 m)形成地表裂缝，并伴有冒顶、局部塌方的施工风险。因此，相对于黄土梁、峁区的隧道地表裂缝，董志塬区大断面黄土隧道地表裂缝发育的深度更大、范围更广。

2.3 地表裂缝发育时间

从现场监测来看，掌子面开挖后1～6 d内是地表裂缝发育的关键时期，大多情况下距开挖掌子面前方1.0～1.5倍洞径范围内土体均已出现轻微沉降，随着掌子面的前移，沉降量逐步扩大，掌子面正上方地表裂缝发展趋势增加，而掌子面正后方地表裂缝急剧发展，当整个断面开挖并初支封闭成环后地表变形与地表裂缝发展趋势逐步稳定，因此，整个地表裂缝发育的时间规律可以总结为“孕育期-急剧变形期-平稳期”三个阶段。其中距离开挖掌子面前方1.0～1.5倍洞径范围施工时期是地表裂缝孕育的特殊时期，这也是地表裂缝预防和治理的最佳时期。而距掌子面后方1.0倍洞径范围内的施工时期是地表沉降变形和地表裂缝发育的关键阶段，也是现场监控量测的重点。

2.4 地表裂缝与地表沉降变形相关性

现场调查发现，董志塬区浅埋段地表裂缝多发生于地表沉降值大于80～100 mm的地段，当隧道中心线附近地表沉降超过130 mm或沿中线两侧1.0～1.5倍洞径范围内地表沉降达到50～104 mm时，地表就有可能产生纵向裂缝。因此，地表沉降变形越大，出现地表裂缝的风险越大。

2.5 地表裂缝与隧道埋深的相关性

上阁村隧道出口端洞身埋深大部分在60 m以内，施工期内绝大多数段落出现了地表裂缝，受施工工法、岩层分布的影响，董志塬区长段落大断面黄土隧道的深、浅埋分界深度基本为50～60 m，即在4.0倍洞径埋深范围内，隧道亦出现地表裂缝。从表1可知，当隧道埋深在20 m范围内时，地表出现纵向裂缝，且裂缝宽度为8～20 mm，两条裂缝之间距离为23～32 m(1.5～2.1倍洞径)。当隧道埋深在50～60 m范围内时，地表出现的裂缝数量较少，且裂缝宽度也减小至1～5 mm，两条裂缝之间距离为29～52 m(1.9～3.5倍洞径)。因此，董志塬区大断面黄土隧道出现地表裂缝多在60 m以下，局部地段有所加深。地表裂缝宽度与隧道埋深呈负相关，裂缝间距与隧道埋深呈正相关，即隧道越深，地表裂缝宽度越小，裂缝间距越大；反之，隧道越浅，地表裂缝宽度越大，裂缝间距越小。

2.6 地表变形与降雨的相关性

结合对当地雨季的降雨量统计资料，将施工期间7月份降雨量与隧道地表最大累计沉降变形量之间的相关性统计如图3所示。图4为出口端6月份的相邻断面在无降雨工况下的地表沉降变形监测情况。对比图3和图4可以发现，开挖后第3 d，未降雨和降雨条件下的最大地表沉降量分别约为38 mm和170 mm；至开挖后第6 d，未降雨和降雨条件下的最大地表沉降量分别约为74 mm和235 mm；变形基本达到稳定时(开挖后第15 d)，未降雨和降雨条件下的最大地表沉降量分别约为102 mm和330 mm。可见，相对于未降雨工况，降雨条件下的地表沉降变形量很大。尤其在降雨条件下，前3 d、前6 d内的地表沉降变形量分别达到稳定变形量的51.5%、71.2%。

在施工方法、地层岩性、地形地貌、埋深、地下水位等其他因素均相同，仅仅降雨条件变化的对比工况下，降雨当天及降雨后1～3d内，地表沉降变形加剧，当在雨季连续降雨后，地表变形有可能逐步发育为沿隧道中线对称分布的地表纵向裂缝。因此，降雨对地表变形和累计沉降量的发展具有重要影响，降雨量对地表变形量的发展具有一定的“预兆性”和“前瞻性”。

究其原因，主要是由于长段落浅埋段大断面黄土隧道施工过程中，会在隧道洞身顶部影响范围内的黄土层内节理、洞穴等进一步扩大，甚至形成新的节理、裂隙、潜在贯通裂缝等，并逐步向地表扩张，降雨时地表积水沿着裂隙下渗，由于黄土的水敏性和湿陷性等特殊性，使得隧道顶部黄土层内土体结构产生自重湿陷下沉而急剧变形，最终导致地表沉降变形过大，有可能演化为地表裂缝。因此，对于浅埋段大断面黄土隧道在雨季施工中应重视地表防水和排水，以预防地表积水造成黄土隧道地表出现过大沉降变形或地表裂缝。

图3 地表变形量与降雨量关系

图4 无降雨条件下地表沉降变形量监测曲线

3 浅埋黄土隧道地表裂缝形成机理

由于第四系上更系统黏质黄土自身的结构性，受掌子面开挖扰动影响，长段落浅埋段黄土地层围岩压力出现重分布，应力状态由原始平衡状态快速发展为不平衡状态；随着中下台阶土体的开挖而逐步调整，由于应力释放和调整在洞顶局部形成应力集中区和应力不平衡区域，并由地层内部逐渐向地表扩展，从而在浅埋段地层内逐步形成具有滑动趋势的“楔形体”，潜在滑动“楔形体”具有向隧道内部开挖临空面蠕动-接近滑动的趋势；当滑动趋势面土体拉应力或剪应力超过土体抗剪强度时即形成破坏面[17]，整个楔形体沿着滑动面向隧道内部临空面滑塌，并在地表形成明显的纵向裂缝。

潜在滑动“楔形体”向临空面发展的同时，由于黄土自身的各向异性，竖直方向黄土层内的洞穴、节理、裂隙等进一步发育，土体的压缩沉降变形加剧，洞顶围岩的分层沉降累计后，引起地表沉降变形加剧或引发地表裂缝。而水平方向土体拉应力很小，在应力累计和应力释放条件下，地表裂缝逐步向施工前方发展。

此外，浅埋黄土隧道顶部围岩压力以竖向压力为主，侧向压力很小，随着分部或台阶开挖、整个开挖断面的扩大，开挖影响范围内的松动圈土体受力状态、上覆土体自重、围岩超前加固或初期支护等支撑体系不能保持协调变形与平衡时，洞顶围岩难以形成承载拱，围岩土体沿着隧道中线加速下沉，因而加剧了地表裂缝的发展。同时，地表裂缝沿着隧道开挖方向逐步发育，亦为后续断面的沉降变形发展留下隐患。

滑动楔形体向洞内开挖临空面滑动的同时，滑动体自身重力对两侧附近土体产生侧向推挤作用[17]，导致地表裂缝两侧土体产生轻微隆起现象，而两条纵向裂缝内土体沿着隧道中线呈现下凹并对称分布，基本呈“锅底状”(图5)。

因此，从地表裂缝的形成机理来看，控制和有效防止地表裂缝发生的关键在于对洞顶土体沉降变形的有效防控，改善黄土层力学性质与强度，同时，需要加强洞内支撑的强度与刚度，尽量减少对围岩的长期扰动。

图5 地表裂缝形成机理示意

4 施工建议

针对董志塬区长段落浅埋大断面黄土隧道施工期内出现的地表裂缝，可采取的施工措施如下。

(1)针对埋深较大(2.0～4.0倍洞径)段，可采用超前小导管、锁脚锚管等措施，同时尽早施作钢拱架、钢筋网、喷混凝土等初期支护，严格遵循施工步序，缩短支护时间，使初期支护尽早受力，将围岩沉降变形控制于合理的时间与范围内。

(2)针对松散、节理极其发育、极浅埋(1.0倍洞径)、地表建(构)筑物复杂等特殊地段，采用地表袖阀管注浆、洞内帷幕注浆等措施[16]，改善洞顶黄土围岩力学性质，增强围岩整体自稳性和自身强度，预防隧道围岩内部的潜在滑动面扩大甚至贯通，防止围岩出现过大沉降变形或地表裂缝。

(3)建立地表与洞内综合监测预警体系，实时监测围岩动态变化情况，提出防止黄土隧道出现地表裂缝的地表沉降变形控制标准或评价体系。建立洞内外监测预警制度，当洞内或地表变形超出警戒值时，立即停止施工，采取相应措施后方可继续施工。

(4)尝试采用环向让压支护[18]、装配式衬砌[19]等新型初期支护措施，使围岩变形及受力控制体系更加合理，从而防止地表裂缝的出现。

(5)重视雨季地表排水措施，在雨季应加强地表降雨、地表积水的调研与观测，防止雨水下渗导致出现过大沉降变形或地表裂缝。

(6)针对含水率较大的围岩或断面局部处于地下水位以上时，可采用洞内排水、地表降水等辅助措施，尤其在高含水率地段可采用超前中管棚或大管棚、洞内帷幕注浆、径向注浆等措施，以消除或减弱地下水对围岩的影响。

(7)对于已经产生的地表裂缝，宜及时采用三七灰土、水泥砂浆等进行回填、封堵、夯实，并定期进行检查，出现新开裂地段者及时补填。

5 结语

基于对董志塬区长段落浅埋大断面黄土隧道地表裂缝现场调研，总结了地表裂缝的典型特征并分析了其形成机理，提出了施工建议，主要结论如下。

(1)董志塬区长段落浅埋大断面黄土隧道地表裂缝沿隧道中线向两侧对称分布，开挖影响范围内地面整体呈“锅底状”下凹形，地表裂缝宽度宽而深，基本贯通至隧道顶。

(2)地表裂缝宽度与隧道埋深呈负相关，裂缝间距与隧道埋深呈正相关。黄土隧道埋深在20 m内时，地表裂缝间距为1.5～2.1倍洞径，黄土隧道埋深在50～60 m内时，地表裂缝间距为1.9～3.5倍洞径。

(3)董志塬区长段落浅埋大断面黄土隧道地表裂缝主要是由于潜在滑动“楔形体”向隧道内部临空面滑动、黄土层内的洞穴裂隙等压缩沉降、洞顶上覆土体自重与支撑体系强度不平衡等因素综合导致的。

(4)地表裂缝发育主要经历“孕育期-急剧变形期-平稳期”3个阶段，距开挖掌子面前方1.0～1.5倍洞径范围的孕育期是地表裂缝预防和治理的最佳时期，距掌子面后方1.0倍洞径范围内的施工时期是地表沉降变形和地表裂缝发育的关键阶段，也是现场监控量测的重点。

(5)降雨当天及降雨后1～3 d内，地表沉降变形量达到稳定变形量的50%以上，降雨量对地表变形量及地表裂缝的发展具有一定的“预兆性”和“前瞻性”。对于浅埋段黄土隧道在雨季施工中应重视地表防水和排水。

(6)结合隧道埋深、围岩含水率等情况，选用超前小导管、中大管棚、锁脚锚管、地表袖阀管注浆、洞内帷幕注浆、径向注浆、地表防排水和洞内排水等综合措施，改善黄土围岩力学性质，增强围岩整体自稳性和自身强度，能够有效预防围岩出现过大沉降变形或地表裂缝。