濕陷性黃土隧道工程的特點(diǎn)與基底處理技術(shù)分析

■馬 龍 ■中鐵九局集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110051

在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的大環(huán)境下，伴隨著西部開(kāi)發(fā)力度逐漸加大，公路交通建設(shè)必將先行。但是由于西部地區(qū)多山，隧道建設(shè)無(wú)疑是西部公路建設(shè)的一種必要方法。我國(guó)西部地區(qū)及北部地區(qū)多以黃土地質(zhì)為主，其黃土的濕陷性給隧道工程建設(shè)帶來(lái)了相當(dāng)大的考驗(yàn)。由此，加強(qiáng)濕陷性黃土隧道工程的研究，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 我國(guó)黃土隧道建設(shè)技術(shù)現(xiàn)狀

回首過(guò)去，國(guó)內(nèi)在黃土地區(qū)已經(jīng)建立了不少的黃土隧道，近年來(lái)又有大量的交通隧道穿越黃土地區(qū)。一般情況下，黃土底層由上而下依次為濕陷性黃土、非濕陷性黃土和下伏基巖，其中的濕陷性黃土主要是指新黃土，當(dāng)隧道襯砌結(jié)構(gòu)位于濕陷性黃土土層時(shí)，就屬于濕陷性黃土隧道。我國(guó)早期的黃土隧道施工方法較為單一，大多采用的都是先拱后墻的開(kāi)挖方法，全過(guò)程基本依靠人工開(kāi)挖修建，由于本來(lái)就疏松的土質(zhì)結(jié)構(gòu)遭到破壞，經(jīng)常會(huì)發(fā)生隧道坍塌事故。伴隨著新奧法施工技術(shù)的出現(xiàn)及其在我國(guó)黃土隧道工程建設(shè)中的應(yīng)用，一定程度上提升了我國(guó)黃土隧道工程的建設(shè)施工水平，黃土隧道的施工方法也從原有的單工序發(fā)展成為多工序，小斷面發(fā)展成為大斷面，保持了黃土的自身結(jié)構(gòu)性，也充分發(fā)揮了其承載能力，對(duì)黃土隧道工程的質(zhì)量性及安全性提升起到了重要作用。其主要的施工方法有明挖法、暗挖法和盾構(gòu)法。

2 濕陷性黃土隧道工程的特點(diǎn)

由于隧道結(jié)構(gòu)穿越黃土地層的地下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，濕陷性黃土隧道工程具有以下特性:(1)黃土隧道成洞的開(kāi)挖過(guò)程其實(shí)是圍巖土體卸荷的過(guò)程，其主要表現(xiàn)為圍巖土體豎向以及側(cè)向的壓力減小而剪力增大，隧道地基總體上呈壓縮應(yīng)力減小。(2)隧道的進(jìn)出口一般穿越具有傾斜臨空面的黃土邊坡，在黃土隧道進(jìn)出口邊坡容易產(chǎn)生降雨沖刷，不易積水，而平坦場(chǎng)地由于降雨產(chǎn)流后的雨水堆積作用，很容易促使黃土地基浸水。(3)濕陷性黃土隧道成洞方法一般采用暗挖法或者是盾構(gòu)法，其開(kāi)挖成洞的空間較小，一定程度上不利于隧道底部濕陷性黃土的加固治理。(4)由于其黃土土層的濕陷性，隧道在開(kāi)挖過(guò)程中容易引起拱頂松動(dòng)，致使上層土層沉降從而對(duì)黃土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動(dòng)，嚴(yán)重破壞了黃土的結(jié)構(gòu)性，誘發(fā)一系列的黃土層豎向裂紋甚至造成土層開(kāi)裂。(5)黃土隧道在實(shí)際過(guò)程中可能會(huì)受上覆土層供排水管道的滲透或浸水作用，致使黃土圍巖產(chǎn)生濕陷變形。另一方面，建筑物的不均勻沉降也可能導(dǎo)致管道破裂，從而引起地基浸水濕陷。(6)由隧道地表浸水引起的襯砌結(jié)構(gòu)圍巖上覆土層松動(dòng)，導(dǎo)致了襯砌結(jié)構(gòu)荷載作用增大，容易引起隧道基底下土層附加應(yīng)力增大，從而使整體隧道地基產(chǎn)生濕陷性變形。(7)由于黃土隧道在開(kāi)挖過(guò)程中一起上覆土層松動(dòng)，改變應(yīng)力條件，致使了濕陷性黃土土層豎向裂隙進(jìn)一步發(fā)展，上覆土層的濕陷性變形又在一定程度上加速了黃土結(jié)構(gòu)的破壞，使得襯砌結(jié)構(gòu)圍巖壓力增大。

3 黃土隧道工程常見(jiàn)的病害分析

3．1 地表裂縫

在黃土隧道施工過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)沿著隧道走向在隧道兩側(cè)出現(xiàn)地表裂縫，且裂縫會(huì)隨著隧道開(kāi)挖進(jìn)度相應(yīng)發(fā)展，一般情況下裂縫是由拱腳處以黃土內(nèi)摩擦角度沿仰坡延伸至上方地表，隨著施工進(jìn)度，山體裂縫最終連在一起。

3．2 塌陷

由于施工過(guò)程中的冒頂、拱頂下沉等原因，往往會(huì)引起局部的地表連續(xù)性下沉，慢慢發(fā)展成為地表塌陷，當(dāng)?shù)乇硭葑冃屋^大時(shí)，還會(huì)伴隨著產(chǎn)生一系列的環(huán)狀裂縫。

3．3 陷穴、落水洞

其主要成因是隧道施工過(guò)程中的地表裂縫以及冒頂、拱頂作用形成的上部土體塌空，致使隧道頂部的降雨或者是其他農(nóng)業(yè)灌溉用水下滲，最終在地表產(chǎn)生陷穴和落水洞。

4 濕陷性黃土隧道的基底處理原則

從濕陷性黃土隧道的工程特性以及以往的濕陷性黃土地區(qū)地基處理經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，濕陷性黃土隧道基底處理應(yīng)遵循“內(nèi)外加固、先保護(hù)后加固”的原則。

由于水是造成黃土濕陷性變形的最主要因素，所以在設(shè)計(jì)濕陷性黃土隧道地基處理方案時(shí)，應(yīng)首先要考慮水對(duì)濕陷性黃土以及整個(gè)隧道工程的影響，做好濕陷性黃土隧道工程的排水與防水工作。對(duì)于黃土隧道工程來(lái)說(shuō)，進(jìn)行基底處理的目的無(wú)非就是改善黃土的工程特性，減少其土壤的滲透性，控制濕陷作用的發(fā)生。所以往往通過(guò)換土或者加密等手段進(jìn)行濕陷性黃土隧道工程基底加固處理，使處理后的基底不具有濕陷性或者消除部分濕陷，使其數(shù)值不超過(guò)規(guī)定范圍。

5 濕陷性黃土隧道工程的基底處理方法

對(duì)于濕陷性黃土地基處理而言，目前國(guó)內(nèi)已有較為成熟的技術(shù)方法和隧道工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，其主要的處理方法有:碾壓、強(qiáng)夯、換填、動(dòng)力擠密樁、高壓灌漿、高壓旋噴樁等，其中常用的基底處理方法有以下兩種:

(1)水泥擠密樁。這是濕陷性黃土隧道工程中較為常用的一種基底處理方法，由于濕陷性黃土本身具有大孔隙性和濕陷性，水泥擠密樁就是通過(guò)對(duì)其大孔隙進(jìn)行夯實(shí)擠密，從而消除濕陷性并對(duì)基底產(chǎn)生加固作用。在樁錘的夯實(shí)過(guò)程中，樁孔中原有土被強(qiáng)制性的側(cè)向擠出，樁周范圍內(nèi)的土質(zhì)被壓縮和重塑。但是由于濕陷性黃土隧道工程隧道內(nèi)施工作業(yè)面相對(duì)較小，振動(dòng)作用對(duì)圍巖產(chǎn)生的影響等，需要濕陷性黃土隧道從工程中的擠密樁裝身材料以及擠密樁施工機(jī)械和樁間距等做出優(yōu)化處理。

(2)樹(shù)根樁。所謂的樹(shù)根樁，其實(shí)是一種小型鉆孔灌注樁，是通過(guò)利用鉆機(jī)鉆孔到一定的深度，隨后放入鋼筋籠、碎石和注漿管，再通過(guò)壓力灌注水泥或砂漿的方式制成的鋼筋混凝土樁。由于其布樁方式多采用垂直、傾斜設(shè)置或者樹(shù)根樁布置，被成為樹(shù)根樁。憑借著其高承載力、沉降量與擾動(dòng)范圍小、施工操作方便和經(jīng)濟(jì)快捷等特點(diǎn)，在濕陷性黃土隧道工程基底處理中得到了初步的應(yīng)用，能在有效的空間內(nèi)最大限度上的減少開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)隧道洞身地層的擾動(dòng)。

6 黃土隧道基底處理的新技術(shù)

就黃土濕陷性的內(nèi)外部成因來(lái)講，其主要內(nèi)因是由于黃土自身的土質(zhì)和結(jié)構(gòu)組成，外因主要是由于水的侵蝕作用的外部載荷。由于黃土本身是在干旱和半干旱氣候條件下形成的，其土質(zhì)本身有欠壓密性，加上其和鹽類(lèi)膠結(jié)材料的易溶性，致使黃土具有濕陷性。

所以對(duì)于濕陷性黃土地基的處理應(yīng)本著力消除其內(nèi)應(yīng)，處理方法有以下幾類(lèi):(1)土體加密法。主要指通過(guò)各種工程施工措施，加大黃土的密實(shí)度，通常可以采用強(qiáng)夯法和素土墊層法。(2)土體加固法。此種方法主要是通過(guò)焙燒或者外加膠結(jié)材料來(lái)改變黃土的物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)，提高黃土的抗水性和力學(xué)指標(biāo)，但是其密度增加效果不是很明顯。(3)加密——加固法。這是一種較為普遍的處理方法，主要是通過(guò)加密加固兩種作用，如灰土墊層法。

［1］周傳剛．濕陷性黃土隧道施工技術(shù)［J］．鐵道建筑技術(shù)，2013(S1):116-118．

［2］方濤．論述濕陷性黃土隧道基底加固方法［J］．中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2012(07):43-43．