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二级建造师市政公用工程：黄土隧道地表变形病害成因分析
2007年3月至7月，先后对已建的巉柳高速公路新庄岭隧道和在建的平定高速公路静宁隧道共6座隧道地表变形病害进行现场调查，发现静宁等5座隧道在施工过程，在黄土浅埋段出现大量裂缝，致使洞顶居民宅院开裂和塌方，造成j较大的财产损失;运营中的新庄岭隧道因耕地灌溉和降雨，地表出现大量裂缝和陷穴，隧道衬砌发生变形破坏。据统计，在甘肃省内已建和在建的黄土公路隧道近20座，地表病害成为黄土隧道重要的工程地质问题之一。认为，地表病害可分为两类，即原生病害和次生变形病害，前者指由于黄土本身的结构和湿陷性而引起的，如地表分布的陷穴、落水洞、黄土桥及黄土冲沟等;后者指隧道开挖后，地表水入渗引起的地表变形病害，如地表裂缝、地表塌陷等。随着我国经济的高速发展，黄土地区的隧道建设越来越多，有必要对已有的黄土隧道病害的发育类型、分布及其成因进行深入研究，为类似工程的设计施工提供参考依据。
1 黄土隧道工程地质条件
本次调查的6座隧道均处陇西黄土高原黄土梁地区，隧道穿越南北向延伸的丘陵，地貌上属侵蚀-剥蚀、堆积黄土梁区。以分水岭为界，中间高两侧低，冲沟切割较浅，高差120～340.0m，山坡自然坡度20～30°。
黄土隧道地层结构可分细为三种情况：①风积一般新黄土-冲积饱和黄土-冲洪积老黄土-泥岩，如静宁隧道;②风积一般新黄土-冲积饱和黄土-泥岩，如卧龙隧道、老君隧道以及太平隧道;③风积一般新黄土-冲积饱和黄土-老黄土，如青岚隧道和新庄岭隧道。
据岩土工程地质特性，可划分为三层：①表部湿陷层：披挂式覆盖于黄土梁表层的风积一般新黄土(Q3eol)，土质均匀，结构疏松～稍密，大孔隙发育，具垂直节理，层厚11.0～48.8m.隧道浅埋段属于自重湿陷性场地，地基湿陷等级为Ⅳ级，湿陷性黄土厚度为18.00～45.50m.②核部软岩层：黄土梁核部或为老黄土(Q2 al+pl)或为泥岩(E)。老黄土呈硬塑～软塑，土质较均匀，大孔隙发育，具微斜层理，局部微带红色，含亚粘土团块，呈团粒结构，层厚3.05～44.0m;泥岩系碎屑沉积，泥质结构，层状构造，层理不清楚，成岩性差，湿水易软化，缩水干裂，节理较发育，岩体呈厚层状，岩质较均匀，粉砂质含量高，局部见砂岩呈透镜状夹层，其抗压强度小于5MPa，属极软岩。③中间饱和层：黄土梁两侧山坡段，在表层黄土和底部软岩之间分布冲积饱和黄土(Q3al)，呈饱和软塑，局部硬塑，土质不均匀，结构较密实，具水平层理。层厚3.05～44.0m.
除新庄岭隧道外，其余隧隧道段陷穴等黄土不良地质现象不发育。特殊性岩土有湿陷性黄土和饱和黄土。
2 黄土隧道地表变形分布规律
根据现场调查，隧道穿越区出现的地表变形主要有裂缝、塌陷、陷穴。
2.1 地表裂缝发育规模
据调查，黄土隧道在施工过程和运营阶段，出现大量的裂缝，见表1.由表可见，黄土隧道地表裂缝以纵向裂缝为主。
表1 部分隧道裂缝统计表
序号 隧道名称 纵向裂缝
(条/总长) 横向裂缝
(条/总长) 环向裂缝
(条/总长) 备注
1 静宁隧道 15/3560 2/46 3/51
2 卧龙隧道 11/1296 4/126 3/52
3 新庄岭隧道 30/4420 0/0 0/0
2.2 地表裂缝发育分布规律
(1)纵向裂缝
在建的平定高速公路5座隧道地表的裂缝主要分布在隧道两端黄土浅埋段拱顶，黄土埋深20~120m.裂缝多呈近东西向展布，与隧道轴线基本平行，属于张性纵向裂缝。平行隧道轴线最少4条，最多11条，一般有4~7条。纵向裂缝大多呈锯齿状延伸，一般宽1～3cm，最大15～50cm，可见深度3～6cm，最大深度60～120cm，在未开耕的地表明显，在地坎上有明显的拉裂缝。另外，在新庄岭隧道施工过程中，曾在K60+900～K61+250的隧道两侧发生两条贯通性裂缝，裂缝长约250～400m，地表揭露不明显。
运营的新庄岭隧道地表发现近30条裂缝，其中连续贯通裂缝27条，分布面积约400×260m2，裂缝总长约4420m.裂缝主要出现在SK61+150～SK61+450右80m、XK61+200～XK61+600左110m的区域内，多呈近东西向方向展布(与隧道轴线平行)，局部有个别裂缝近南北向发展，地表可见宽度在0.1～2.5m之间，深度0.6～4.5m之间，长度200～400m.
纵向裂缝，根据分布位置，可分为上下行之间的裂缝和平行于隧道侧墙的裂缝两种;按应力性质和形成机理，可分为拉张裂缝，剪张裂缝。通过调查，大多隧道中纵向裂缝起于隧道两侧开挖界限，终于隧道埋深超过120m的段落。隧道仰坡发育多，间距小，例如静宁隧道上行线东端洞口洞顶截水沟有10条裂缝，间距1~7m;在洞口仰坡三、四级平台分布小落水洞，宽10~40cm，可见深度20~60cm.
纵向裂缝单条发育和成束状形成裂缝带。延伸长的单条裂缝大多呈锯齿状，局部出现有分叉和交汇现象。局部地段平行发育2~4条裂缝，如在贯通与静宁隧道下行线的纵向裂缝在XK209+795左侧6～10m处山路陡坎上发育三条裂缝，裂缝宽2～4cm，深度30～50 cm，间距2.5～3.5m.在XK209+660左侧40m处裂缝最明显，裂缝宽10～25cm，深度46cm.