濕陷性黃土隧道工程的特點與基底處理技術(shù)分析

文/山西岢臨高速建設(shè)管理處 程喜貴

在地層中的隧道工程建設(shè)，應(yīng)做好地基的加固處理工作，選擇合理有效的基底處理技術(shù)。本文分析了濕陷性黃土隧道工程的具體特點，指出了相關(guān)的基底處理技術(shù)，以期為此后的濕陷性黃土隧道工程施工提供更多的借鑒依據(jù)。

濕陷性黃土隧道施工的特點

在隧道工程的建設(shè)過程中，施工企業(yè)應(yīng)做好黃土底層結(jié)構(gòu)的考察工作。黃土隧道工程主要包括以下幾個方面的特點：一是黃土隧道的開挖主要涉及對圍巖土體結(jié)構(gòu)的卸載，且隨著圍巖土體壓力的減小，其剪力也會相應(yīng)增加。對此，在隧道施工過程中應(yīng)盡量減小壓縮應(yīng)力。在隧道工程進出口處，一般會存在不容易出現(xiàn)積水問題的傾斜黃土邊坡，但其他平坦地方則會發(fā)生雨水集聚問題，從而降低了地基的穩(wěn)定性。二是濕陷性隧道工程施工期間一般采用暗挖法或盾構(gòu)法。黃土土層具備一定的濕陷性，開挖期間拱頂很容易出現(xiàn)松動問題，其上層土層也會出現(xiàn)沉降，從而破壞了原有的地基結(jié)構(gòu)。三是在黃土隧道的實際施工過程中，黃土結(jié)構(gòu)因覆土層與排水因素的影響，不均勻的黃土沉降會導(dǎo)致地基出現(xiàn)浸水濕陷問題。四是隧道地表浸水會導(dǎo)致初砌圍巖結(jié)構(gòu)的土體發(fā)生松動，從而導(dǎo)致隧道基底壓力增加，很容易出現(xiàn)濕陷變形問題。

濕陷性黃土隧道工程基底加固方式

墊層法加固隧道基底

首先，應(yīng)全部或部分挖除濕陷性黃土，做好灰土的夯實工作，并做成墊層，消除地基的濕陷量。同時，還應(yīng)在提高地基承載力的基礎(chǔ)上減小地基的變形與壓縮問題。在消除基底沉陷量時，應(yīng)采用局部或整片的墊層處理方法，且設(shè)計墊層時應(yīng)充分考慮地基變形與穩(wěn)定性需求，在成本最佳的情況下完成設(shè)計。但此種基底加固方式需要增大隧道開挖斷面，且會產(chǎn)生較大的工程量，因此會花費大量的人力、物力、財力，在實際隧道工程中較少使用。

重錘表層夯實處理

對于飽和度低于60%的濕陷性黃土地基而言，企業(yè)應(yīng)在范圍內(nèi)采用夯實處理方法，以改善濕陷性黃土的化學(xué)與力學(xué)性質(zhì)，降低壓縮性，消除濕陷性，提高土體的承載能力。但此種施工方式會嚴(yán)重影響洞室的穩(wěn)定性，因此一般的隧道施工中很少使用此種技術(shù)。

擠密樁加固基底

灰土擠密樁主要利用重錘通過振動沉管在土層中形成一定樁孔，并在樁孔中填入灰土或素土等材料。這樣通過填料便可將原樁孔中的全部土質(zhì)擠入周圍土層中，從而有效加密土層，在改善黃土濕陷性的基礎(chǔ)上提升土體的承載力。此種加固方式可以有效改善隧道基底的物理學(xué)性質(zhì)，在擠壓周圍土體的過程中有效增強基底的堅實度，從而可以有效擴散上部的荷載力，確保基底的穩(wěn)定性。此種加固方法比較常見，但受隧道空間因素的影響，此技術(shù)只可以處理較淺的地基，且只可以采用小型的擠密設(shè)備。

濕陷性黃土隧道基底處理技術(shù)實際應(yīng)用案例

工程概況

鄭西客運專線鳳凰嶺隧道位于陜西省華陰市，全長為839m，且屬于雙線黃土隧道。隋饒位于鄭西客運專線工程的試驗段起點處，且其進口與河橋橋臺緊密相連。隧道周圍的地層巖性比較簡單，表層與下層均為風(fēng)積沙質(zhì)黃土，中間夾有數(shù)層粉質(zhì)黏土，且洞身地下水并不發(fā)育。洞口段風(fēng)積沙質(zhì)黃土呈淡黃色，且土質(zhì)比較均勻，存在孔隙，濕陷性黃土層厚度約為11mm～35mm。

地基處理方案設(shè)計

濕陷性黃土隧道地基處理必要性

鄭西客運隧道內(nèi)并未鋪設(shè)無砟軌道，因此隧道線路應(yīng)具備一定的平順性，且不同結(jié)構(gòu)物體之間的差異沉降不得超出5mm，當(dāng)出現(xiàn)基地濕陷問題后，必須采取有效的基底處理措施。根據(jù)濕陷性黃土工程特性與地基處理經(jīng)驗可知，在處理濕陷性黃土隧道地基時應(yīng)做到內(nèi)外兼顧，先保護再加固。黃土濕陷變形的主要原因是水，對此，在設(shè)計地基處理方案時應(yīng)充分考慮水的影響程度，并做好隧道工程的排水與防水工作。同時，還應(yīng)做好濕陷性黃土地基的處理工作，改善工程性質(zhì)的基礎(chǔ)上降低土壤的滲透性與壓縮性，有效避免黃土濕陷問題。

濕陷性黃土隧道地基處理方案選擇

此次工程屬于首次在客運專線隧道內(nèi)進行濕陷性黃土地基處理工作，經(jīng)商議，認(rèn)為應(yīng)采用擠密樁的地基處理技術(shù)。這主要因為此項技術(shù)已經(jīng)逐步成熟，而鄭西客運專線中蘊含大量水分，一般在24%～60%之間，因此比較適用擠密樁法。同時此項施工方法的成本較低，經(jīng)濟適用，可以有效控制施工質(zhì)量。因此，最終確定隧道內(nèi)濕陷性黃土隧道應(yīng)采用擠密樁地基加固處理方案。為了確保基底濕陷性黃土層的有效處理，有效保障通車的安全性，隧道內(nèi)暗挖應(yīng)采用沖擊擠密樁水泥土樁法。此種方法主要根據(jù)機械提升沖錘的原理，依靠重錘自由落體產(chǎn)生的沖擊力，對基底進行成孔，并在分次填料之后再次進行自由落體沖擊機密成樁，從而在加固建筑地基的基礎(chǔ)上實現(xiàn)復(fù)合地基的要求。

根據(jù)洞口試樁實驗可以看出，沖擊擠密水泥土樁的機械設(shè)備可以滿足施工現(xiàn)場的空間與場地要求。且在采用水泥擠密樁加固方法后，各項指標(biāo)也可以滿足設(shè)計規(guī)范需求。

隧道內(nèi)濕陷性黃土地基處理計算結(jié)果

此次工程屬于首次在客運專線隧道內(nèi)，使用水泥擠密樁加固濕陷性黃土層方法，因此還應(yīng)做好加固效果的模擬試驗，以確保其有效滿足線路的平順要求，確保交通的便利性與舒適性。計算時采用了大型有限元計算軟件，主要根據(jù)實際工程情況設(shè)計三維模型，并計算地層實際參數(shù)。在計算黃土體塑性時，工作人員采用了Drucker-Prager準(zhǔn)則，且采用復(fù)合模擬量的方法計算復(fù)合地基部分，列車靜活載使用ZK標(biāo)準(zhǔn)，而軌道取75類型，動力荷載車輪靜載使用歐洲高速公路的活載客運列車荷載。同時在考慮列車荷載作用下空間縱向布置最不利情況下，計算列車集中力，得出工后沉降成本。根據(jù)計算分析可知，復(fù)合地基蠕變已經(jīng)在15個月時趨于穩(wěn)定，且蠕變值最大為0.5mm。

根據(jù)理論計算可知，在使用水泥土擠密樁處理技術(shù)后，隧道工后沉降值均小于15mm，且橋隧不同結(jié)構(gòu)之間的差異沉降值均小于5mm，均可以滿足基本的設(shè)計規(guī)范要求。

隧道內(nèi)濕陷性黃土地基處理設(shè)計現(xiàn)場情況

在施工現(xiàn)場，工作人員制作了動態(tài)儀計，且根據(jù)理論數(shù)值確定了鳳凰嶺隧道進口擠密樁的設(shè)計參數(shù)，其中水泥擠密樁的直徑為0.25m～0.35m，擠密樁間距為0.8m×0.8m，且其呈等邊三角形布置，明挖段基底擠密樁樁頂換填三七灰土，且仰拱底的厚度約為1m。

鳳凰嶺隧道洞內(nèi)基底處理段落長約36m，樁長為6828m，且擠密樁已經(jīng)施工完畢。期間因施工振動較大，因此施工時采用了6套設(shè)備在多個工作面同時施工，且每臺機械設(shè)備的平均成樁速度為4根～5根。為了有效保證基底施工時隧道的結(jié)構(gòu)安全性，工作人員在現(xiàn)場進行了擠密樁振動測試。結(jié)果表明，在成孔與成樁過程中，樁頂以下1m范圍內(nèi)振動速率最大，可以達到6cm/s～7cm/s，在施工至4m以下時可以滿足基本的規(guī)范要求。擠密樁施工完畢后，工作人員在現(xiàn)場對基底進行了質(zhì)量檢測工作，結(jié)果表明，洞內(nèi)基底黃土已經(jīng)消除了濕陷性，基底處理效果滿足基本的設(shè)計要求，對隧道內(nèi)濕陷性黃土層使用水泥擠密樁加固技術(shù)成效顯著。

結(jié)語

在隧道工程的施工過程中經(jīng)常會遇到濕陷性的黃土地質(zhì)，且此地質(zhì)的承載能力要遠低于普通地基的承載能力，工程施工會導(dǎo)致其發(fā)生基底變形問題，甚至還會影響此后的正常施工。對此，實際施工過程中，企業(yè)應(yīng)結(jié)合當(dāng)前的施工環(huán)境選擇最科學(xué)有效的施工方法，從而有效保證施工質(zhì)量水平。