湿陷性黄土隧道工程的特点与基底处理技术分析

■马 龙 ■中铁九局集团有限公司，辽宁 沈阳 110051

在现代经济高速发展的大环境下，伴随着西部开发力度逐渐加大，公路交通建设必将先行。但是由于西部地区多山，隧道建设无疑是西部公路建设的一种必要方法。我国西部地区及北部地区多以黄土地质为主，其黄土的湿陷性给隧道工程建设带来了相当大的考验。由此，加强湿陷性黄土隧道工程的研究，有着重要的现实意义。

1 我国黄土隧道建设技术现状

回首过去，国内在黄土地区已经建立了不少的黄土隧道，近年来又有大量的交通隧道穿越黄土地区。一般情况下，黄土底层由上而下依次为湿陷性黄土、非湿陷性黄土和下伏基岩，其中的湿陷性黄土主要是指新黄土，当隧道衬砌结构位于湿陷性黄土土层时，就属于湿陷性黄土隧道。我国早期的黄土隧道施工方法较为单一，大多采用的都是先拱后墙的开挖方法，全过程基本依靠人工开挖修建，由于本来就疏松的土质结构遭到破坏，经常会发生隧道坍塌事故。伴随着新奥法施工技术的出现及其在我国黄土隧道工程建设中的应用，一定程度上提升了我国黄土隧道工程的建设施工水平，黄土隧道的施工方法也从原有的单工序发展成为多工序，小断面发展成为大断面，保持了黄土的自身结构性，也充分发挥了其承载能力，对黄土隧道工程的质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、暗挖法和盾构法。

2 湿陷性黄土隧道工程的特点

由于隧道结构穿越黄土地层的地下结构特点，湿陷性黄土隧道工程具有以下特性:(1)黄土隧道成洞的开挖过程其实是围岩土体卸荷的过程，其主要表现为围岩土体竖向以及侧向的压力减小而剪力增大，隧道地基总体上呈压缩应力减小。(2)隧道的进出口一般穿越具有倾斜临空面的黄土边坡，在黄土隧道进出口边坡容易产生降雨冲刷，不易积水，而平坦场地由于降雨产流后的雨水堆积作用，很容易促使黄土地基浸水。(3)湿陷性黄土隧道成洞方法一般采用暗挖法或者是盾构法，其开挖成洞的空间较小，一定程度上不利于隧道底部湿陷性黄土的加固治理。(4)由于其黄土土层的湿陷性，隧道在开挖过程中容易引起拱顶松动，致使上层土层沉降从而对黄土结构产生扰动，严重破坏了黄土的结构性，诱发一系列的黄土层竖向裂纹甚至造成土层开裂。(5)黄土隧道在实际过程中可能会受上覆土层供排水管道的渗透或浸水作用，致使黄土围岩产生湿陷变形。另一方面，建筑物的不均匀沉降也可能导致管道破裂，从而引起地基浸水湿陷。(6)由隧道地表浸水引起的衬砌结构围岩上覆土层松动，导致了衬砌结构荷载作用增大，容易引起隧道基底下土层附加应力增大，从而使整体隧道地基产生湿陷性变形。(7)由于黄土隧道在开挖过程中一起上覆土层松动，改变应力条件，致使了湿陷性黄土土层竖向裂隙进一步发展，上覆土层的湿陷性变形又在一定程度上加速了黄土结构的破坏，使得衬砌结构围岩压力增大。

3 黄土隧道工程常见的病害分析

3．1 地表裂缝

在黄土隧道施工过程中，会出现沿着隧道走向在隧道两侧出现地表裂缝，且裂缝会随着隧道开挖进度相应发展，一般情况下裂缝是由拱脚处以黄土内摩擦角度沿仰坡延伸至上方地表，随着施工进度，山体裂缝最终连在一起。

3．2 塌陷

由于施工过程中的冒顶、拱顶下沉等原因，往往会引起局部的地表连续性下沉，慢慢发展成为地表塌陷，当地表塌陷变形较大时，还会伴随着产生一系列的环状裂缝。

3．3 陷穴、落水洞

其主要成因是隧道施工过程中的地表裂缝以及冒顶、拱顶作用形成的上部土体塌空，致使隧道顶部的降雨或者是其他农业灌溉用水下渗，最终在地表产生陷穴和落水洞。

4 湿陷性黄土隧道的基底处理原则

从湿陷性黄土隧道的工程特性以及以往的湿陷性黄土地区地基处理经验来看，湿陷性黄土隧道基底处理应遵循“内外加固、先保护后加固”的原则。

由于水是造成黄土湿陷性变形的最主要因素，所以在设计湿陷性黄土隧道地基处理方案时，应首先要考虑水对湿陷性黄土以及整个隧道工程的影响，做好湿陷性黄土隧道工程的排水与防水工作。对于黄土隧道工程来说，进行基底处理的目的无非就是改善黄土的工程特性，减少其土壤的渗透性，控制湿陷作用的发生。所以往往通过换土或者加密等手段进行湿陷性黄土隧道工程基底加固处理，使处理后的基底不具有湿陷性或者消除部分湿陷，使其数值不超过规定范围。

5 湿陷性黄土隧道工程的基底处理方法

对于湿陷性黄土地基处理而言，目前国内已有较为成熟的技术方法和隧道工程实践经验，其主要的处理方法有:碾压、强夯、换填、动力挤密桩、高压灌浆、高压旋喷桩等，其中常用的基底处理方法有以下两种:

(1)水泥挤密桩。这是湿陷性黄土隧道工程中较为常用的一种基底处理方法，由于湿陷性黄土本身具有大孔隙性和湿陷性，水泥挤密桩就是通过对其大孔隙进行夯实挤密，从而消除湿陷性并对基底产生加固作用。在桩锤的夯实过程中，桩孔中原有土被强制性的侧向挤出，桩周范围内的土质被压缩和重塑。但是由于湿陷性黄土隧道工程隧道内施工作业面相对较小，振动作用对围岩产生的影响等，需要湿陷性黄土隧道从工程中的挤密桩装身材料以及挤密桩施工机械和桩间距等做出优化处理。

(2)树根桩。所谓的树根桩，其实是一种小型钻孔灌注桩，是通过利用钻机钻孔到一定的深度，随后放入钢筋笼、碎石和注浆管，再通过压力灌注水泥或砂浆的方式制成的钢筋混凝土桩。由于其布桩方式多采用垂直、倾斜设置或者树根桩布置，被成为树根桩。凭借着其高承载力、沉降量与扰动范围小、施工操作方便和经济快捷等特点，在湿陷性黄土隧道工程基底处理中得到了初步的应用，能在有效的空间内最大限度上的减少开挖过程中对隧道洞身地层的扰动。

6 黄土隧道基底处理的新技术

就黄土湿陷性的内外部成因来讲，其主要内因是由于黄土自身的土质和结构组成，外因主要是由于水的侵蚀作用的外部载荷。由于黄土本身是在干旱和半干旱气候条件下形成的，其土质本身有欠压密性，加上其和盐类胶结材料的易溶性，致使黄土具有湿陷性。

所以对于湿陷性黄土地基的处理应本着力消除其内应，处理方法有以下几类:(1)土体加密法。主要指通过各种工程施工措施，加大黄土的密实度，通常可以采用强夯法和素土垫层法。(2)土体加固法。此种方法主要是通过焙烧或者外加胶结材料来改变黄土的物质组成结构，提高黄土的抗水性和力学指标，但是其密度增加效果不是很明显。(3)加密——加固法。这是一种较为普遍的处理方法，主要是通过加密加固两种作用，如灰土垫层法。

［1］周传刚．湿陷性黄土隧道施工技术［J］．铁道建筑技术，2013(S1):116-118．

［2］方涛．论述湿陷性黄土隧道基底加固方法［J］．中国新技术新产品，2012(07):43-43．