鄭萬鐵路膨脹土明洞設計

戴林發寶，龔彥峰，鄧朝輝

（1.水下隧道技術國家地方聯合工程研究中心，湖北 武漢430063；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司 隧道設計研究院，湖北 武漢430063）

0 引言

膨脹土是由親水性礦物質組成的黏粒性土，具有顯著的吸水膨脹、失水收縮、裂隙雜亂分布等特征［1-2］。在我國，膨脹土廣泛分布于云南、貴州、四川、湖北、河南、安徽、河北、山東、陜西等22個省區［3］。在膨脹土地區修建隧道常會出現巖體惡性變形、二次襯砌混凝土塌落、地面開裂和隆起、洞內滲漏水、甚至隧道坍塌冒頂等病害［3］。

目前，國內已有許多學者對膨脹土地區隧道進行了相關研究。張永平［4］介紹了安康膨脹土隧道的設計和施工方法。楊軍平等［5］總結了干濕交替條件下南寧地區膨脹圍巖的漲縮演變規律和力學性態。朱經志［6］通過研究云桂鐵路膨脹土隧道，得出邊坡開挖和土體降雨增濕膨脹是洞口邊仰坡垮塌的主要原因。葉萬軍等［7］以銀西高鐵慶陽膨脹性紅黏土隧道為背景研究了不同含水率作用下隧道圍巖壓力、襯砌結構內力與變形量值的重分布規律。曾仲毅等［8］分析了增濕條件下支護結構受力變形隨含水率分布及膨脹力大小的變化規律并得出對隧道支護結構造成不良影響的關鍵含水率和膨脹力值。余澤新等［9］論述了降雨入滲對膨脹土隧道襯砌結構安全性的影響。張毅等［10］以三淅高速公路李家坪隧道膨脹土軟弱圍巖為研究對象，通過室內試驗研究圍巖力學特性并指出隧道塌方的原因是雨季施工造成膨脹土含水量增大，巨大的膨脹力和支護體系薄弱，造成隧道冒頂塌方。李樹忱等［11］提出了鐵路膨脹土隧道圍巖級別劃分的細化標準。劉建國等［12］分析了昆明呈貢隧道開挖及支護的穩定性，提出了控制變形的措施。

可見，膨脹土隧道現有的研究主要集中于暗挖法隧道，明洞工程極少。因此以明洞工程為研究對象，依托鄭萬鐵路孝山明洞工點，探討膨脹土地區高速鐵路明洞設計。

鄭萬鐵路DK96+450—DK97+365段位于河南省禹州市褚河鎮，禹州地區是河南省的典型膨脹土地區［13-14］，對于該區膨脹土，國內學者已做過較多深入研究［15-19］。孝山明洞場地主要土層為第四系上更新統粉質黏土，局部夾卵礫石，壓縮性中等，具弱～中等膨脹性，個別強膨脹性，邊坡穩定性差（見圖1）。室內試驗顯示，該段膨脹土膨脹力一般為17～90 kPa、個別為101、126 kPa。

該段工點在施工咨詢前按路基設計，屬于深路塹，邊坡高度20 m。我國在總結膨脹土地區鐵路建設的經驗時有“逢塹必滑，無堤不塌”之說［20］，在膨脹土地段即使很緩的邊坡，仍會發生滑塌。在強膨脹土地段修建高速鐵路高邊坡路塹，邊坡的穩定性難以保證，將為高速鐵路運營帶來風險。因此在最終的施工圖設計中，該段工點由路塹改為明洞設計。

2 邊坡防護與加固設計

明洞工程具有隧道工程的特點，同時又有邊坡工程的特點。膨脹土邊坡的穩定問題往往是“逢塹必滑”，對工程的危害極大［21-22］。因此防治膨脹土滑坡必須貫徹“先發治坡、以防為主”的總原則［20］，這一點同樣適用于明洞邊坡。邊坡防護與加固設計包括坡面防護和支擋防護。常用的坡面防護形式有骨架護坡、片石護坡、植被護坡。對于強膨脹土或中等膨脹土的邊坡，僅坡面防護通常是不夠的。為防止邊坡滑塌失穩，往往需要設置支擋結構。支擋結構包括框架錨桿、擋土墻、抗滑樁等。值得注意的是，支擋結構計算應考慮水平膨脹力，根據室內試驗，孝山明洞水平膨脹力取30 kPa。完全放坡開挖很難保證基坑穩定性，而鉆孔樁圍護因主體采用馬蹄形結構將導致難以實施支撐，因此針對不同的埋深和結構特點，結合膨脹土特性，明洞進口段采用擋土墻+錨桿框架梁的支護方式（見圖2），一級邊坡坡率1∶2，二級邊坡坡率1∶2.25，邊坡采用8 m框架錨桿加固。在其他地方采用抗滑樁+錨桿框架梁的防護形式，臨時邊坡坡率1∶1.5，永久邊坡坡率1∶1.75，左邊坡支護方式見圖3。

圖2 擋土墻+錨桿框架梁邊坡支護

圖3 矩形樁+雙排樁+錨桿框架梁邊坡支護

當施工至DK96+787—878段時，發現該段鈣質膠結增多，且位置分布和厚度大小無規律，人工挖孔樁成孔困難，于是該段變更為采用雙排直徑1 000 mm鉆孔灌注樁，間距1 200 mm（中對中），排距3.5 m。變更后，施工進度大幅度提升。右邊坡矩形樁+雙排樁+錨桿框架梁邊坡支護方式見圖3。

3 主體結構設計與基底處理

3.1 主體結構設計

對于主體結構斷面形狀，圓形最優，其次為馬蹄形曲墻，隧底應設置仰拱，形成封閉結構［3］。因孝山明洞兩側均設置了支擋結構，結構側向壓力得到很大緩解，采用了直墻+曲拱+仰拱斷面。與常規高鐵隧道不同的是，增大仰拱曲率，加大仰拱深度，降低膨脹土影響。禹州地區大氣影響深度4 m，大氣影響急劇層深度1.8 m，工程將內輪廓底部矢高由常規隧道的180 cm調整至205 cm。

孝山明洞上方有2條規劃道路，祥云大道延長線從隧道進口附近上方通過，工業大道從出口附近上方通過，道路設計標準為一級公路，隧道埋深為3～10 m。經有限元計算，典型的隧道斷面設計見圖4。

圖4 孝山明洞斷面設計

3.2 基底處理

膨脹土隧道的危害包括2個方面，一方面是隧道圍巖變形，包括圍巖裂縫、圍巖膨脹突出、導坑下沉、坍塌與冒頂、底鼓等；另一方面是隧道襯砌變形，包括拱圈變形、邊墻變形、拱墻變形、底板變形［3］。因孝山明洞雙側均設置了支擋結構，較可能出現的病害為圍巖底鼓和底板變形。

目前，膨脹土地基處理方法包括夯實法、物理改良法、保濕法、化學改良法、換土法和生物改良法、樁基礎。在明洞洞口段，因結構重量較輕，覆土較薄，結構重力與覆土重力之和小于豎向膨脹力，故采用抗拔樁結構（見圖5）。

圖5 洞口抗拔樁設計

在孝山明洞洞身部位，覆土較厚，結構厚度大，上覆土和結構的重力足以抵抗膨脹力，因此僅需采取基底土換填的方法，以消除可能的上拱病害。根據相關專業提供水位資料，設計采用了1～2 m厚C20片石混凝土進行換填（見圖6）。

4 防排水設計

膨脹土因吸水膨脹、失水收縮的特性，常有“無水不滑”之說［20］。對膨脹土地區明洞，治理膨脹土必先治水，治水在于“防水保濕”處理。

排水是膨脹土邊坡防治的重中之重，是邊坡防治的中心［21］。孝山明洞排水措施包括地表排水和地下水排放。地表排水包括洞頂、邊坡、基坑、側溝、中心溝、管溝排水。地下水排水包括盲管排水和仰斜孔排水等。

圖6 明洞基底換填

洞頂排水措施：明洞開挖邊坡以外設置天溝，其溝底坡度與線路坡度一致，當出洞方向為上坡端，其溝底應做成坡度值不小于2%的反坡；取消洞頂水溝，明洞頂填土應至少回填至原地面高度，明洞頂回填土表面做成不小于2%的人字坡，以利排水至兩側截水天溝。

邊坡排水措施：明洞開挖臨時邊坡較高地段應分級開挖，每級邊坡高度不超過8 m，每級邊坡頂部設置寬3 m平臺，平臺靠山體側設置40 cm（寬）×40 cm（深）的臨時排水溝，將邊坡滲水及表水截留并沿邊坡縱向引排至地勢較低地段的邊坡以外排放。臨時排水溝溝身采用C20噴射混凝土。

基坑排水措施：明洞基坑開挖后，做好坑內縱向臨時排水溝，并在基坑底較低側隧道襯砌輪廓以外設置積水坑，用于匯集基坑滲水及流入的表水，并進行不間斷抽排，基坑底不得積水，避免積水對基坑底的長期浸泡，軟化基底。積水坑長×寬×深=1.5 m×1.5 m×1.0 m，縱向每40～50 m設置1處，積水坑壁及坑底采用15 cm厚的C25混凝土澆筑。

管溝排水措施：孝山明洞縱坡為單面坡，明洞進口端高洞口段路塹長度725 m，線路縱坡25‰，若采取反坡排水，水溝深度達19.5 m，不可能實施；同時路塹水不能通過隧道，包括路基側溝和天溝水均不得流入隧道。因此，為從源頭上消除水影響，需要在隧道進口外40 m以上設置集水池，通過排水管道，將路基水排至線外，且進口引水管道應在雨季前實施。

盲管排水措施：拱腳應設置豎向排水管和縱向排水管，豎向排水管采用直徑50 mm打孔波紋管、縱向排水管采用HDPE107/93雙壁打孔波紋管，兩者采用三通連接，豎向排水管縱向間距4 m并根據水位調整，縱向排水管按模板分段，兩端接入側溝。

孝山明洞防水措施包括提高混凝土抗滲等級、設置黏土隔水層、防水涂料、防水板、土工布、止水帶和止水膠。

（1）混凝土抗滲等級。孝山明洞地下水具有氯鹽侵蝕性，氯鹽環境作用等級為L1，明洞襯砌結構采用的混凝土抗滲等級提高到P10。

（2）洞頂隔水層鋪設。隔水層應優先選用黏土隔水層，當黏土取材不便時可采用帶綠色防護的復合隔水層，以最大限度減少工程對環境的影響或滿足地表復耕需要。隔水層與邊坡、防水層與邊坡均應搭接良好，接縫材料的延伸性應良好，以形成彈性連接，防止不均勻沉陷，造成拉剪破壞。

（3）土石回填前，結構外緣依次設置水泥基滲透結晶防水涂料、M10砂漿找平層、EVA防水板、土工布。

（4）環向施工縫、變形縫處設置中埋式橡膠止水帶、背貼式橡膠止水帶。縱向施工縫處設置鋼邊橡膠止水帶和水泥基滲透結晶防水涂料。

5 明洞回填材料選擇

孝山明洞開挖后需回填，回填土密實度不小于0.8，粒徑≤15 cm，并不得含有石塊、碎磚、灰渣及有機雜物，也不得采用帶有膨脹性的黏土。因此原土應采用改良的方法消除膨脹性。膨脹土改良劑既有石灰、水泥、粉煤灰等無機改良劑，也有丙烯鹽酸類、烯類和胺類等有機改良劑［23-24］，其中石灰改良是較簡單經濟的方法。

石灰的摻入量一般為2%～8%［25］。很多學者進行過深入研究。崔偉等［26］通過膨脹土石灰改性試驗，分析得出石灰劑量的最佳配比為6%。陳善雄等［27］通過試驗得出中膨脹土石灰改性的質量摻合比宜按5%控制。程平等［28］通過試驗得出最佳摻灰量與土的膨脹性相關，中等膨脹土8%、弱膨脹土5%。侯合明等［24］認為禹州地區弱膨脹土的最佳摻灰比為4%。孝山明洞膨脹土具有中等膨脹趨勢，試驗得出其最佳摻量為5%。石灰宜采用熟石灰粉，施工時土粒最大粒徑不應大于15 mm，并控制其含水量，拌和均勻，分層壓實［29］。

明洞回填時，填土頂面應設置復合隔水層，填土底面應設置反濾層（見圖7）。

6 明洞上拱及其機理分析

隧底填充或底板施工完成后，每處變形縫兩側各設置1個觀測斷面，每個觀測斷面在仰拱兩側及中間附近布設沉降變形觀測點。孝山明洞共計變形縫39個，觀測斷面78個，觀測點234個。觀測設置見圖8。

圖7 隔水層和反濾

圖8 沉降觀測點設置

按照沉降變形觀測評估細則對仰拱進行沉降觀測，截至2018年4月18日，孝山明洞共設置監測斷面59個，合計177個測點，累計監測42期，經數據分析顯示42個斷面存在上拱趨勢，上拱斷面數占71.2%，最大上拱量為2.8 mm，位于DK96+487監測斷面。經進一步分析，孝山明洞上拱原因有以下幾點：

（1）現場取土試驗結果表明：場地膨脹土分布范圍廣，存在鈣質結核，土體風化程度不同。因此，場地內膨脹土的膨脹力差異性也較大，強、中、弱并存，膨脹力也會存在較大差別。場地最大的豎向膨脹力為258.2 kPa，最小的豎向膨脹力為32.5 kPa。這與原來的室內試驗有一定差別。

（2）明洞采用大拉槽的方式開挖，開挖后基底長期處于晾曬狀態，土體失水收縮。

（3）明洞進口端高洞口段路塹長度725 m，線路縱坡25‰，2017年雨季，禹州地區降水量大，持續時間長，而此時用于排水的管涵還未施工，導致大量水涌入明洞，土體膨脹。

（4）明洞主體結構施作后，未及時回填，明洞結構重力尚不足以抑制豎向膨脹力，最終導致明洞上拱。

雖然明洞產生了一定上拱，但上拱量不足3 mm，尚不構成安全威脅。為進一步確保明洞安全，提出4點措施：①2018年雨季來臨之前，完成管涵施工。②分段澆筑，分段回填。③在實測膨脹力較大區域進行加固，采用側墻錨固，與加深覆土相結合，加強地表防排水，加強明洞邊墻外側防排水系統等。④加強隧道沉降和地下水水位監控量測。

措施實施后，從2018年至施工結束，孝山明洞沉降監測數據均處于正常狀態。

7 結論

依托鄭萬鐵路孝山明洞工點，從邊坡防護與加固設計、主體結構設計、基底處理、防排水設計、明洞回填材料、監控量測等方面詳細闡述膨脹土地區明洞設計；此外，分析了施工期間孝山明洞仰拱上拱原因與解決對策；對于膨脹土地區修建明洞，總結如下：

（1）對于膨脹土地區明洞設計，除了需要常規的膨脹土物理力學指標，如黏聚力、摩擦角、自由膨脹率、膨脹力外，還應提供用于支擋結構計算的水平膨脹力。

（2）對于明洞邊坡設計，不能僅依靠放緩坡率獲得穩定邊坡，應根據不同地形條件和膨脹土的強弱選取不同的支擋結構，在孝山明洞邊坡設計中，采用擋墻與邊坡結合、抗滑樁與邊坡結合以及雙排樁與放坡的結合，取得了較好效果。

（3）對于明洞主體結構，因雙側設有支擋結構，主要的病害為結構上拱和底板變形，因此基底處理是關鍵，孝山明洞通過在洞口無覆土段設置抗拔樁，洞身段底部設置換填等基底處理措施，此外也通過增加仰拱矢跨比、增大覆土厚度等措施抵抗豎向膨脹力。

（4）膨脹土失水收縮、遇水膨脹，因此治理膨脹土的關鍵是“防水保濕”處理。設置完整的防排水系統，包括地表排水系統、地下水排水系統、基坑臨時排水系統、結構防水系統，確保隧底膨脹土含水量不發生顯著變化。