湿陷性黄土隧道工程的特点与基底处理技术分析

2018-01-29山西岢临高速建设管理处程喜贵

中国公路 2018年15期

文/山西岢临高速建设管理处程喜贵

在地层中的隧道工程建设，应做好地基的加固处理工作，选择合理有效的基底处理技术。本文分析了湿陷性黄土隧道工程的具体特点，指出了相关的基底处理技术，以期为此后的湿陷性黄土隧道工程施工提供更多的借鉴依据。

湿陷性黄土隧道施工的特点

在隧道工程的建设过程中，施工企业应做好黄土底层结构的考察工作。黄土隧道工程主要包括以下几个方面的特点：一是黄土隧道的开挖主要涉及对围岩土体结构的卸载，且随着围岩土体压力的减小，其剪力也会相应增加。对此，在隧道施工过程中应尽量减小压缩应力。在隧道工程进出口处，一般会存在不容易出现积水问题的倾斜黄土边坡，但其他平坦地方则会发生雨水集聚问题，从而降低了地基的稳定性。二是湿陷性隧道工程施工期间一般采用暗挖法或盾构法。黄土土层具备一定的湿陷性，开挖期间拱顶很容易出现松动问题，其上层土层也会出现沉降，从而破坏了原有的地基结构。三是在黄土隧道的实际施工过程中，黄土结构因覆土层与排水因素的影响，不均匀的黄土沉降会导致地基出现浸水湿陷问题。四是隧道地表浸水会导致初砌围岩结构的土体发生松动，从而导致隧道基底压力增加，很容易出现湿陷变形问题。

湿陷性黄土隧道工程基底加固方式

垫层法加固隧道基底

首先，应全部或部分挖除湿陷性黄土，做好灰土的夯实工作，并做成垫层，消除地基的湿陷量。同时，还应在提高地基承载力的基础上减小地基的变形与压缩问题。在消除基底沉陷量时，应采用局部或整片的垫层处理方法，且设计垫层时应充分考虑地基变形与稳定性需求，在成本最佳的情况下完成设计。但此种基底加固方式需要增大隧道开挖断面，且会产生较大的工程量，因此会花费大量的人力、物力、财力，在实际隧道工程中较少使用。

重锤表层夯实处理

对于饱和度低于60%的湿陷性黄土地基而言，企业应在范围内采用夯实处理方法，以改善湿陷性黄土的化学与力学性质，降低压缩性，消除湿陷性，提高土体的承载能力。但此种施工方式会严重影响洞室的稳定性，因此一般的隧道施工中很少使用此种技术。

挤密桩加固基底

灰土挤密桩主要利用重锤通过振动沉管在土层中形成一定桩孔，并在桩孔中填入灰土或素土等材料。这样通过填料便可将原桩孔中的全部土质挤入周围土层中，从而有效加密土层，在改善黄土湿陷性的基础上提升土体的承载力。此种加固方式可以有效改善隧道基底的物理学性质，在挤压周围土体的过程中有效增强基底的坚实度，从而可以有效扩散上部的荷载力，确保基底的稳定性。此种加固方法比较常见，但受隧道空间因素的影响，此技术只可以处理较浅的地基，且只可以采用小型的挤密设备。

湿陷性黄土隧道基底处理技术实际应用案例

工程概况

郑西客运专线凤凰岭隧道位于陕西省华阴市，全长为839m，且属于双线黄土隧道。隋饶位于郑西客运专线工程的试验段起点处，且其进口与河桥桥台紧密相连。隧道周围的地层岩性比较简单，表层与下层均为风积沙质黄土，中间夹有数层粉质黏土，且洞身地下水并不发育。洞口段风积沙质黄土呈淡黄色，且土质比较均匀，存在孔隙，湿陷性黄土层厚度约为11mm～35mm。

地基处理方案设计

湿陷性黄土隧道地基处理必要性

郑西客运隧道内并未铺设无砟轨道，因此隧道线路应具备一定的平顺性，且不同结构物体之间的差异沉降不得超出5mm，当出现基地湿陷问题后，必须采取有效的基底处理措施。根据湿陷性黄土工程特性与地基处理经验可知，在处理湿陷性黄土隧道地基时应做到内外兼顾，先保护再加固。黄土湿陷变形的主要原因是水，对此，在设计地基处理方案时应充分考虑水的影响程度，并做好隧道工程的排水与防水工作。同时，还应做好湿陷性黄土地基的处理工作，改善工程性质的基础上降低土壤的渗透性与压缩性，有效避免黄土湿陷问题。

湿陷性黄土隧道地基处理方案选择

此次工程属于首次在客运专线隧道内进行湿陷性黄土地基处理工作，经商议，认为应采用挤密桩的地基处理技术。这主要因为此项技术已经逐步成熟，而郑西客运专线中蕴含大量水分，一般在24%～60%之间，因此比较适用挤密桩法。同时此项施工方法的成本较低，经济适用，可以有效控制施工质量。因此，最终确定隧道内湿陷性黄土隧道应采用挤密桩地基加固处理方案。为了确保基底湿陷性黄土层的有效处理，有效保障通车的安全性，隧道内暗挖应采用冲击挤密桩水泥土桩法。此种方法主要根据机械提升冲锤的原理，依靠重锤自由落体产生的冲击力，对基底进行成孔，并在分次填料之后再次进行自由落体冲击机密成桩，从而在加固建筑地基的基础上实现复合地基的要求。

根据洞口试桩实验可以看出，冲击挤密水泥土桩的机械设备可以满足施工现场的空间与场地要求。且在采用水泥挤密桩加固方法后，各项指标也可以满足设计规范需求。

隧道内湿陷性黄土地基处理计算结果

此次工程属于首次在客运专线隧道内，使用水泥挤密桩加固湿陷性黄土层方法，因此还应做好加固效果的模拟试验，以确保其有效满足线路的平顺要求，确保交通的便利性与舒适性。计算时采用了大型有限元计算软件，主要根据实际工程情况设计三维模型，并计算地层实际参数。在计算黄土体塑性时，工作人员采用了Drucker-Prager准则，且采用复合模拟量的方法计算复合地基部分，列车静活载使用ZK标准，而轨道取75类型，动力荷载车轮静载使用欧洲高速公路的活载客运列车荷载。同时在考虑列车荷载作用下空间纵向布置最不利情况下，计算列车集中力，得出工后沉降成本。根据计算分析可知，复合地基蠕变已经在15个月时趋于稳定，且蠕变值最大为0.5mm。

根据理论计算可知，在使用水泥土挤密桩处理技术后，隧道工后沉降值均小于15mm，且桥隧不同结构之间的差异沉降值均小于5mm，均可以满足基本的设计规范要求。

隧道内湿陷性黄土地基处理设计现场情况

在施工现场，工作人员制作了动态仪计，且根据理论数值确定了凤凰岭隧道进口挤密桩的设计参数，其中水泥挤密桩的直径为0.25m～0.35m，挤密桩间距为0.8m×0.8m，且其呈等边三角形布置，明挖段基底挤密桩桩顶换填三七灰土，且仰拱底的厚度约为1m。

凤凰岭隧道洞内基底处理段落长约36m，桩长为6828m，且挤密桩已经施工完毕。期间因施工振动较大，因此施工时采用了6套设备在多个工作面同时施工，且每台机械设备的平均成桩速度为4根～5根。为了有效保证基底施工时隧道的结构安全性，工作人员在现场进行了挤密桩振动测试。结果表明，在成孔与成桩过程中，桩顶以下1m范围内振动速率最大，可以达到6cm/s～7cm/s，在施工至4m以下时可以满足基本的规范要求。挤密桩施工完毕后，工作人员在现场对基底进行了质量检测工作，结果表明，洞内基底黄土已经消除了湿陷性，基底处理效果满足基本的设计要求，对隧道内湿陷性黄土层使用水泥挤密桩加固技术成效显著。