1、黄土裂隙对铁路隧道施工影响的技术研究摘要：山西中南部铁路通道工程东峁 3 号隧道位于山西省吕梁市临县，隧道全长 684 米，隧道内主要围岩为黄土，采用新奥法施工。黄土中存在不同规模和性质的天然裂隙，这些裂隙对隧道工程的施工在成很大的安全风险，通过野外观察、室内试验、现场试验和施工中实践，总结黄土隧道在不同埋深下一次开挖合理进尺、开挖后的允许暴露时间以及支护参数等关键参数值，从而指导隧道施工。 关键词：黄土 裂隙开挖支护 中图分类号： TU94 文献标识码： A 吕梁至临县铁路三交至临县北段东峁 3 号隧道位于山西省吕梁市临县临泉镇东峁村境内，走向与 S218 省道大致平行，全长 684m。 隧
2、道内地层为第四系上更新统坡洪积层（Q3dl+pl）新黄土；第四系中更新统洪积层（Q2pl）老黄土。 1、黄土的概念与特性 1.1 黄土的概念 黄土是指大自然中广泛存在主要由粉砂颗粒（其中粒径 0.01-0.1 毫米者约 50%）组成的第四组陆相沉积物，一般呈灰黄、红黄及棕黄色。 一般认为风积成因的黄土，不具层理，称为原生黄土。原生黄土经再次搬运而堆积，具有层理，形成黄土状土，称为次生黄土。典型黄土和黄土状土统称为“黄土类土” ，习惯上常简称为“黄土” 。 1.2 黄土的特性 黄土质地松散，具有肉眼可见的大孔隙、不具层理，柱状节理发育，干燥时较结实，能保持直立陡壁。遇水后易崩解，并发生大量的沉陷
3、。 2、黄土裂隙的分类 (1)按裂隙的规模或大小（长度和宽度） ，将黄土裂隙分为微观裂隙和宏观裂隙。 (2)按裂隙形成的原因，将黄土裂隙的分类列于表 2-1。另外还有些综合形成的裂隙，如黄土垂直节理等。 (3)按裂隙的力学性质，将黄土裂隙分为张性，压性、扭性裂隙及其组合裂隙。 (4)按裂隙形成的时期，分为原生裂隙，次后期裂隙（指黄土堆积时未形成，但是在后来产生并被覆盖的裂隙）和后期裂隙（现在各种营力引起的发育于黄土层浅表部的裂隙） 。 (5)按裂隙的产状，将黄土裂隙分为垂直节理和斜节理。 表 2-1 黄土裂隙的成因分类 类型 主台阶因素 动力源 类 别 非构造人类活动 次生动力，动荷载重力人类
4、活动诱发的塌陷、不均匀沉降、滑坡、崩塌、开挖卸载裂隙等。 自然外营力气候水、地表水 冻融裂隙，胀缩裂隙、 风化裂隙等 构造 自然内营力断层运动，构造地应力 断层速滑裂隙、蠕滑裂隙、构造节理裂隙 2.1 黄土裂隙的发育规律 老黄土形成时间早，固结程度高，延性小，因而老黄土比新黄土的构造节理发育程度高； 黄土中粘粒含量高，受力破裂面光滑完整，已于保存，因此粘黄土中的构造节理的显现程度比砂黄土高； 卸荷裂隙分布于沟坡、谷坡、阶地前缘陡坎，地形支离破碎，地层切割强烈，斜坡分布密集，卸荷裂隙也相对发育； 湿陷裂隙发育于具有湿陷性的黄土中，地表水引起的湿陷裂隙发育在土体的浅部，地下水引起的湿陷裂隙发育于土
5、体的深部。 3.裂隙的判识 3.1 宏观判识 通过施工前的现场踏勘，从隧道右侧 30m 外出露山体陡壁上可以清晰的看出黄土裂隙主要以垂直裂隙为主，纵向间距 0.21m，同时交织着斜裂缝和水平层理；隧道洞顶存在与隧道轴线基本正交的 4 条冲沟及两个 24m 高的陡坎，这些冲沟或陡坎可能是某些大的裂隙经过长期的地表水侵蚀而成的地貌，可以印证节理面是以垂直节理为主。 3.2 微观判识 在隧道的开挖过程中，选用机械配合人工镐头开挖，通过观察掌子面开挖土体时出现竖向掉落面，处于同一方向上同一条线上的多个掉落面近似归纳成一个裂隙，每挖 30cm 观察一次，然后详细记录和描绘每个开挖循环掌子面的裂隙发育情况
6、，最后把不同掌子面观察描绘出的裂隙面纵向和横向连接，近似成一个个的竖向裂隙和斜裂隙作为研究掌子面的基础数据。 4.洞身开挖施工技术 黄土隧道一般按三台阶七步流水作业法进行开挖，以上台阶开挖作为研究对象，在初支喷射砼厚度和钢筋网、连接筋间距等不变的情况下，调整 20 工字钢架间距，分别按 60cm、80cm 和 100cm 的三种间距施工，以拱顶下沉和侧墙收敛值 24 小时不大于 5mm，累计沉降收敛值不超过100mm 作为安全指标，同时密切观察初支喷射砼有无开裂等异常来判定围岩的稳定性。 4.1 按每循环开挖进尺 0.6 米 从东峁 3 号隧道的裂缝形状来看,黄土物理力学性质对裂缝的产生和发展
7、有着重要影响。从调查结果看,在隧道施工时,新黄土地层较老黄土地层更容易产生地表裂缝。 隧道位移是隧道围岩和支护结构相互作用最明显、最直观的反映,同时相对于其它观测参数更容易获得。因此,搜集在建黄土隧道的变形监测数据,分别分析地表沉降、拱顶沉降、拱脚沉降、拱脚水平收敛与埋深的关系。 （1）地表沉降与埋深的关系 根据收集调查数据,将埋深与施工地表沉降列于图 4-1 中。埋深小于35m 时地表沉降数据较为离散,埋深大于 35m 时地表沉降随埋深逐渐趋于稳定,埋深大于 75m 后表沉降随埋深呈逐渐减小趋势。 图 4-1 地表沉降与埋深的关系 （2）拱顶沉降与埋深的关系 拱顶沉降与埋深的关系详见图 4-
8、2,二者的关系极为离散。但可以看出,埋深小于 35m 拱顶沉降离散度极大,埋深小时,地表沉降大。 图 4-2 拱顶沉降与埋深的关系 （3）拱脚沉降与埋深的关系：拱脚沉降变形与埋深的关系如图 4-3所示,在埋深小于 35m 时数据离散,埋深大于 35m 时拱脚沉降随埋深的增加而增大。 图 4-3 拱脚沉降与埋深的关系 东峁 3 号隧道洞口段地表有一条宽度约 7 米、深度大约 4 米的冲沟，根据当地水文情况判断此冲沟应为地表水冲刷而成，应属于构造裂隙类型。 上台阶开挖过程中拱顶掉小量土块，拱顶围岩稳定。开挖完成后 2小时内采用 I20 型钢拱架进行初期支护，喷射 C25 混凝土封闭，埋设用于拱顶沉
9、降及围岩收敛观测钢筋。上台阶施工完成后，紧跟中台阶及下台阶施工。 按每循环 0.6 米的进度施工 20 个循环后，隧道地表沉降在上导坑掌子面施工后 13 天后变化较大,约 24mm/d,之后变化减少,但仍以12mm/d 的速度下沉,下导坑开挖最大沉降速率 4mm/d,平均沉降速率2mm/d,累计沉降量 80mm,仰拱开挖最大沉降速率 2mm/d,平均沉降速率2mm/d;累计沉降量 90mm,仰拱完成后基本趋于稳定，对施工无安全影响。 4.2 调整每循环开挖进尺到 1.0 米 黄土围岩垂直节理普遍发育,垂直节理切割形成竖向软弱面,软弱面之间粘聚力很小。隧道开挖后形成临空面,围岩在开挖扰动与原岩应
10、力场的耦合作用下发生局部破坏甚至棱体塌落,地表随之产生沿掌子面的纵向与环向裂缝,围岩变形具有突变性造成塌方等灾害性事故。 选取反映黄土工程特性的双线型应变软化硬化遍布节理模型,参数根据室内三轴试验数据选取对大断面黄土隧道开挖过程中隧道围岩应力场变化规律以及开挖结束后洞周应力状态进行分析。选取中间断面为目标面进行重点分析。 图 4-4 隧道目标面测点布置 选取隧道拱顶、边墙、拱底部位 1、 2、 3 测点,如图 3-4 所示,不考虑构造应力的影响,选取各测点径向应力与环向应力当掌子面到达目标面时,1、 2与 3测点应力达到最大值；掌子面通过后 1、2与 3测点的应力值开始减小,径向应力变化规律与
11、测点 1、 2、 3 基本一致,与洞壁测点不同 1、2与 3径向应力变化幅度较小,如表 4-2 所示。 表 4-2 洞周不同距离应力变化比值 综合上述分析,大断面黄土隧道掌子面的空间约束效应-2R2R,即隧道开挖 2 倍洞径。开挖引发围岩力学响应以洞周最为强烈,并沿开挖半径向围岩深部发展。当重分布的局部应力超过围岩强度,围岩进入塑性屈服状态同时变形发展；变形使得围岩再次出现应力调整,若重分布的局部应力未超过围岩强度,则围岩可实现自稳,若重分布的局部应力超过围岩强度,屈服破坏向围岩深部转移,如此反复直至原岩应力区。对于黄土围岩,隧道上方压力拱需要更大范围土体承担荷载,特别是断面较大时,塑性区的范
12、围更大。 结合本东峁 3 号隧道的实际情况，由于开挖量大，出渣时间长，开挖后 3 小时才进行 I20 型钢拱架支护，C25 混凝土喷射封闭。在此过程中，拱顶有大块土掉落。地表横纵向裂隙发展迅速，洞顶地表土观测点 24 小时沉降 8mm，洞内围岩收敛速率 8mm/d ，7 天累计沉降 100mm，地表土有松动迹象,拱顶沉降 7 天累计 96mm，初期支护不稳定，喷射混凝土表面出现环向裂缝，对施工安全产生很大影响。 4.3 调整每循环开挖进尺到 0.8 米 随着隧道开挖工序的进行，地表裂缝沿隧道洞顶中线两侧形成纵向裂缝,裂缝方向均向内倾斜,两纵向裂缝中间伴随一些横向裂缝。开挖掌子面前方地表已有可见
13、裂缝产生,随着隧道开挖裂缝不断向前延伸发展，裂缝由地表浅层垂直,逐渐以曲面倾向于隧道中心,实测裂缝面倾角5773 (裂缝与隧底的夹角)。 掌子面开挖出土主要为粘土，通过观察归纳，裂隙发育情况基本无变化，按此进度施工 10 个循环后，洞内初期支护无明显变形及开裂，围岩稳定，施工安全能够保障。 经过对比分析，采用上台阶按照每循环 0.8 米的进尺开挖，对隧道土体的影响程度不大，施工进度快，施工较安全。 5、结论 本文根据前人的研究成果，总结了黄土裂隙的发育特征及规律，对裂隙性黄土的力学性质进行了试验研究，分析了不同裂隙条件下，对隧道不同进尺的影响程度，探讨了黄土裂隙对隧道施工的开挖进尺及支护方式影响的问题， 6、参考文献 (1)铁路隧道施工技术指南TZ204-2008铁道部经济规划研究院2008 (2) 李想：黄土地区公路隧道开挖方法浅谈 山东省枣庄市市中区交通局2009 (3) 王兆祥铁路工程测量M北京：中国铁道出版社2001 (4) 卢全中、彭建兵、陈志新、李喜安：黄土高原地区黄土裂隙发育特征及其规律研究水土保持子报2005 (5) 付迎春：黄土隧道施工方法模拟和施工地表裂缝影响分析研究 2007
