濕陷性黃土隧道工程的特點與基底處理技術分析

■馬 龍 ■中鐵九局集團有限公司，遼寧 沈陽 110051

在現代經濟高速發展的大環境下，伴隨著西部開發力度逐漸加大，公路交通建設必將先行。但是由于西部地區多山，隧道建設無疑是西部公路建設的一種必要方法。我國西部地區及北部地區多以黃土地質為主，其黃土的濕陷性給隧道工程建設帶來了相當大的考驗。由此，加強濕陷性黃土隧道工程的研究，有著重要的現實意義。

1 我國黃土隧道建設技術現狀

回首過去，國內在黃土地區已經建立了不少的黃土隧道，近年來又有大量的交通隧道穿越黃土地區。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，當隧道襯砌結構位于濕陷性黃土土層時，就屬于濕陷性黃土隧道。我國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挖方法，全過程基本依靠人工開挖修建，由于本來就疏松的土質結構遭到破壞，經常會發生隧道坍塌事故。伴隨著新奧法施工技術的出現及其在我國黃土隧道工程建設中的應用，一定程度上提升了我國黃土隧道工程的建設施工水平，黃土隧道的施工方法也從原有的單工序發展成為多工序，小斷面發展成為大斷面，保持了黃土的自身結構性，也充分發揮了其承載能力，對黃土隧道工程的質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、暗挖法和盾構法。

2 濕陷性黃土隧道工程的特點

由于隧道結構穿越黃土地層的地下結構特點，濕陷性黃土隧道工程具有以下特性:(1)黃土隧道成洞的開挖過程其實是圍巖土體卸荷的過程，其主要表現為圍巖土體豎向以及側向的壓力減小而剪力增大，隧道地基總體上呈壓縮應力減小。(2)隧道的進出口一般穿越具有傾斜臨空面的黃土邊坡，在黃土隧道進出口邊坡容易產生降雨沖刷，不易積水，而平坦場地由于降雨產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法，其開挖成洞的空間較小，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，隧道在開挖過程中容易引起拱頂松動，致使上層土層沉降從而對黃土結構產生擾動，嚴重破壞了黃土的結構性，誘發一系列的黃土層豎向裂紋甚至造成土層開裂。(5)黃土隧道在實際過程中可能會受上覆土層供排水管道的滲透或浸水作用，致使黃土圍巖產生濕陷變形。另一方面，建筑物的不均勻沉降也可能導致管道破裂，從而引起地基浸水濕陷。(6)由隧道地表浸水引起的襯砌結構圍巖上覆土層松動，導致了襯砌結構荷載作用增大，容易引起隧道基底下土層附加應力增大，從而使整體隧道地基產生濕陷性變形。(7)由于黃土隧道在開挖過程中一起上覆土層松動，改變應力條件，致使了濕陷性黃土土層豎向裂隙進一步發展，上覆土層的濕陷性變形又在一定程度上加速了黃土結構的破壞，使得襯砌結構圍巖壓力增大。

3 黃土隧道工程常見的病害分析

3．1 地表裂縫

在黃土隧道施工過程中，會出現沿著隧道走向在隧道兩側出現地表裂縫，且裂縫會隨著隧道開挖進度相應發展，一般情況下裂縫是由拱腳處以黃土內摩擦角度沿仰坡延伸至上方地表，隨著施工進度，山體裂縫最終連在一起。

3．2 塌陷

由于施工過程中的冒頂、拱頂下沉等原因，往往會引起局部的地表連續性下沉，慢慢發展成為地表塌陷，當地表塌陷變形較大時，還會伴隨著產生一系列的環狀裂縫。

3．3 陷穴、落水洞

其主要成因是隧道施工過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業灌溉用水下滲，最終在地表產生陷穴和落水洞。

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地基處理經驗來看，濕陷性黃土隧道基底處理應遵循“內外加固、先保護后加固”的原則。

由于水是造成黃土濕陷性變形的最主要因素，所以在設計濕陷性黃土隧道地基處理方案時，應首先要考慮水對濕陷性黃土以及整個隧道工程的影響，做好濕陷性黃土隧道工程的排水與防水工作。對于黃土隧道工程來說，進行基底處理的目的無非就是改善黃土的工程特性，減少其土壤的滲透性，控制濕陷作用的發生。所以往往通過換土或者加密等手段進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，使其數值不超過規定范圍。

5 濕陷性黃土隧道工程的基底處理方法

對于濕陷性黃土地基處理而言，目前國內已有較為成熟的技術方法和隧道工程實踐經驗，其主要的處理方法有:碾壓、強夯、換填、動力擠密樁、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對其大孔隙進行夯實擠密，從而消除濕陷性并對基底產生加固作用。在樁錘的夯實過程中，樁孔中原有土被強制性的側向擠出，樁周范圍內的土質被壓縮和重塑。但是由于濕陷性黃土隧道工程隧道內施工作業面相對較小，振動作用對圍巖產生的影響等，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械和樁間距等做出優化處理。

(2)樹根樁。所謂的樹根樁，其實是一種小型鉆孔灌注樁，是通過利用鉆機鉆孔到一定的深度，隨后放入鋼筋籠、碎石和注漿管，再通過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、傾斜設置或者樹根樁布置，被成為樹根樁。憑借著其高承載力、沉降量與擾動范圍小、施工操作方便和經濟快捷等特點，在濕陷性黃土隧道工程基底處理中得到了初步的應用，能在有效的空間內最大限度上的減少開挖過程中對隧道洞身地層的擾動。

6 黃土隧道基底處理的新技術

就黃土濕陷性的內外部成因來講，其主要內因是由于黃土自身的土質和結構組成，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，其土質本身有欠壓密性，加上其和鹽類膠結材料的易溶性，致使黃土具有濕陷性。

所以對于濕陷性黃土地基的處理應本著力消除其內應，處理方法有以下幾類:(1)土體加密法。主要指通過各種工程施工措施，加大黃土的密實度，通常可以采用強夯法和素土墊層法。(2)土體加固法。此種方法主要是通過焙燒或者外加膠結材料來改變黃土的物質組成結構，提高黃土的抗水性和力學指標，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［J］．鐵道建筑技術，2013(S1):116-118．

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