樊東

摘 要：鄭西客專黃土隧道基礎(chǔ)的工后沉降是本線的重大技術(shù)問題之一，通過對(duì)黃土隧道的沉降問題進(jìn)行分析，提出客運(yùn)專線隧道工程的沉降控制參考標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)黃土隧道基礎(chǔ)處理原則及處理措施進(jìn)行了探討。對(duì)鄭西客運(yùn)專線黃土隧道及類似工程設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 鄭西客專 黃土隧道基礎(chǔ) 沉降研究

中圖分類號(hào)：TB21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）03（a）-0-02

客運(yùn)專線不同于普通鐵路的一個(gè)最大的特征之一，在于線路的高度平順性及對(duì)線下工程嚴(yán)格的工后沉降要求，故站前專業(yè)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一在于，如何把各種構(gòu)筑物的工后沉降控制在允許范圍之內(nèi)。鄭西客專位于我國黃土分布的核心范圍，全線總延長77 km隧道，其中五十公里為開挖面積約163 m2的Q3、Q2新老黃土隧道（已建黃土隧道最大開挖斷面不到140 m2，而且修建較少）。與以往黃土地區(qū)修建的鐵路隧道相比，本線黃土隧道具有斷面大、穿黃土段落長、地質(zhì)復(fù)雜的特點(diǎn)。鄭西客專黃土隧道從工程地質(zhì)上分具體有以下三個(gè)難點(diǎn)：函谷關(guān)隧道全長7851 m，為國內(nèi)最長的黃土隧道，該隧道位于黃土臺(tái)塬及其斜坡地帶，最大埋深220 m，隧道洞身大部分為砂質(zhì)黃土，土體穩(wěn)定性差[1]，以該隧道為代表的長大砂質(zhì)黃土隧道修建技術(shù)；張茅隧道全長8483 m，出口3km范圍黃土隧道位于地下水位線以下，土體含水量超過以往的富水黃土隧道，達(dá)飽和含水量[1]，施工極其困難，以張茅隧道為代表的長大富水黃土隧道修建技術(shù)；閿鄉(xiāng)隧道全長770 m，埋深30 m，進(jìn)出口較長段落均位于濕陷性黃土范圍，而且濕陷性土層厚度達(dá)25 m[1]，以該隧道為代表的濕陷性黃土隧道基礎(chǔ)處理，是鄭西客專黃土隧道修建的又一技術(shù)難題。鄭西客專黃土隧道的大規(guī)模修建，無疑是我國黃土隧道建設(shè)的一個(gè)新臺(tái)階。我國學(xué)者對(duì)黃土隧道進(jìn)行過大量研究工作：鐵路部門：上世紀(jì)60年代鐵道部成立黃土雙線隧道現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)研究組，對(duì)隴海線三門峽～潼關(guān)段13座出現(xiàn)裂縫的黃土雙線隧道進(jìn)行試驗(yàn)研究；八十年代鐵科院在大秦線對(duì)淺埋黃土隧道做過大斷面開挖與噴錨支護(hù)的研究；1989年中鐵隧道局主持“淺埋黃土質(zhì)雙線鐵路隧道施工新技術(shù)”研究；九十年代修建的寶中線、神延線、神朔線、西延線、朔黃線等出現(xiàn)了大量的單線及部分雙線黃土隧道，神延鐵路公司與西南交通大學(xué)“黃土隧道施工研究”；1999年鐵一局主持“大跨度黃土隧道新奧法施工綜合技術(shù)研究”。公路部門：隨著近些年西北高速公路的大量修建，公路系統(tǒng)針對(duì)雙車道公路隧道（開挖斷面105 m2）做過較多的研究。如2000年～2001年甘肅省交通廳與長安大學(xué)“公路黃土隧道圍巖特性及支襯結(jié)構(gòu)受力性狀研究”；黃陵延安高速公路公司與長安大學(xué)“黃土隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工控制研究”。在黃土隧道基礎(chǔ)加固方面，甘肅省交通廳與長安大學(xué)及中鐵19局完成“土家灣隧道軟黃土地基加固技術(shù)試驗(yàn)研究”。按《客運(yùn)專線無碴軌道鐵路設(shè)計(jì)指南》（以下簡(jiǎn)稱《指南》），路基工后沉降不應(yīng)大于15 mm，長度大于20 m的路基，允許的最大工后沉降量為30 mm；橋梁墩臺(tái)均勻沉降量不大于20 mm；涵洞的地基為壓縮性土地層時(shí)，其工后沉降量不應(yīng)大于30 mm。而該《指南》對(duì)隧道只要求底部加仰拱，對(duì)沉降并未做明確規(guī)定[2]。主要由于隧道是深埋于地下的封閉結(jié)構(gòu)，土體處于三軸壓縮狀態(tài)，工后沉降量一般很小。黃土隧道同樣有沉降問題，隧道結(jié)構(gòu)不同于橋涵、路基，隧道的沉降要求有其自身的特點(diǎn)。據(jù)我國學(xué)者對(duì)黃土的研究，在一定壓應(yīng)力作用下，黃土變形大體有四種形式：彈性變形、壓密變形、塑性變形和蠕變變形。黃土是一種天然狀態(tài)下結(jié)構(gòu)比較強(qiáng)的土質(zhì)，常處于欠壓密狀態(tài)，主要為壓密變形，而壓密變形又表現(xiàn)為壓縮變形和濕陷變形[3]。故當(dāng)隧道基底為非濕陷性黃土?xí)r，隧道底部黃土變形主要為壓縮變形；當(dāng)隧道基底為濕陷性黃土?xí)r，必須考慮消除黃土的濕陷性。

1 已建鐵路、公路黃土隧道基礎(chǔ)處理情況

2 鄭西客專黃土隧道沉降計(jì)算

采用大型有限差分軟件對(duì)地基處理的工后沉降進(jìn)行計(jì)算。造成工后沉降的荷載取為列車荷載與鋼軌荷載，按ZK標(biāo)準(zhǔn)活荷載圖示考慮，并考慮列車的振動(dòng)造成的動(dòng)力效應(yīng)。

2.1 荷載計(jì)算

2.2 隧道沉降計(jì)算

2.2.1 計(jì)算方法及模型描述

本計(jì)算選取富村二號(hào)隧道的Ⅴ級(jí)黃土加強(qiáng)段，埋深為10 m，根據(jù)實(shí)際地形建模，先生成初始應(yīng)力場(chǎng)，施做二次襯砌并且進(jìn)行隧底填充（模型上未建道板及軌道），然后追加道板及軌道的荷載，最后位移置0，追加列車荷載。沿橫截面方向左右各取70 m，約5倍洞徑左右；隧底以下取45 m；為簡(jiǎn)化計(jì)算隧道縱向長度方向取10 m。

2.2.2 施做道板及軌道后的沉降

3 黃土隧道基礎(chǔ)沉降現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)情況

4 鄭西客專黃土隧道工后沉降分析

由于《指南》對(duì)隧道工后沉降沒有明確的規(guī)定，但是通過理論分析或有限元計(jì)算均表明，各種地層的隧道均有工后變形問題，只是大小不一樣。隧道是一個(gè)埋藏于山體內(nèi)的連續(xù)及封閉的剛性結(jié)構(gòu)物，特別在土石分界或新老黃土分界處，如果有即使很微小的不均勻沉降，則結(jié)構(gòu)很可能產(chǎn)生開裂病害。而橋涵（連續(xù)剛構(gòu)除外）、路基是開放體系，若基礎(chǔ)發(fā)生沉降，則只對(duì)線型有影響，一般結(jié)構(gòu)部分沒問題。

客運(yùn)專線建設(shè)大家更關(guān)心的是路基和橋涵的工后沉降問題，對(duì)隧道工程的沉降關(guān)注不多。過去我們修普速鐵路對(duì)這個(gè)問題研究的不是很深，對(duì)于巖石隧道若洞口有土層，往往對(duì)土質(zhì)隧道基礎(chǔ)進(jìn)行特殊處理，土石分界處設(shè)沉降縫的方法，其目的主要是防止襯砌開裂，而較少考慮隧道的下沉量問題，認(rèn)為即使隧道下沉可以通過預(yù)留沉落量、調(diào)整道碴高度等措施解決。而對(duì)于整個(gè)隧道位于土層中，則一般不考慮基礎(chǔ)處理，認(rèn)為隧道即使有沉降也是均勻沉降，結(jié)構(gòu)不會(huì)有問題。基礎(chǔ)承載力、結(jié)構(gòu)下沉及襯砌開裂三個(gè)概念在隧道設(shè)計(jì)中應(yīng)該澄清一下，基礎(chǔ)承載力不夠并不能理解為結(jié)構(gòu)一定會(huì)下沉（土體比較密實(shí)的情況）。而基礎(chǔ)承載力不夠?qū)λ淼澜Y(jié)構(gòu)本身不利，因?yàn)榛讜?huì)發(fā)生應(yīng)力重分布現(xiàn)象，如果結(jié)構(gòu)剛度不夠，可能就要發(fā)生開裂。

《指南》對(duì)隧道工程沒有明確規(guī)定工后沉降量，關(guān)于隧道的工后沉降，筆者認(rèn)為：應(yīng)當(dāng)首先以不超過路基工后沉降，并且應(yīng)滿足隧道在發(fā)生微小沉降時(shí)，結(jié)構(gòu)不致破壞為

原則。

5 鄭西客專黃土隧道基礎(chǔ)處理方案

對(duì)于鄭西客專黃土隧道基礎(chǔ)處理，由于隧道工程和路基、橋涵工程不一樣，襯砌施工后背后土體始終處于三軸壓縮狀態(tài)，限制了土體的變形，土體體積如果結(jié)構(gòu)沒有破壞，則體積也不會(huì)有變化，微小的工后沉降以黃土的壓縮變形為主，一般洞身地段老黃土可壓縮性很小。目前有種觀點(diǎn)認(rèn)為：隧道基礎(chǔ)以下土體已經(jīng)承受了幾百萬年的上覆土體的重量，這個(gè)重量遠(yuǎn)大于圍巖壓力+隧道自重+列車荷載。

（1）關(guān)于濕陷性黃土基礎(chǔ)處理

對(duì)于隧道洞口及淺埋段，往往為新黃土，形成年代較近，結(jié)構(gòu)疏松，力學(xué)性質(zhì)差及一般均有一定的濕陷性，處理措施主要目的在于消除黃土的濕陷性。

《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《黃土規(guī)范》）強(qiáng)制規(guī)定：甲類建筑應(yīng)消除地基的全部濕陷量或采用樁基礎(chǔ)穿透全部濕陷性黃土層，或?qū)⒒A(chǔ)設(shè)置在非濕陷性黃土層上[4]。無疑客運(yùn)專線應(yīng)屬甲類建筑。因此按照《黃土規(guī)范》：濕陷性黃土隧道基礎(chǔ)處理應(yīng)穿透基底以下全部濕陷性黃土層。而該規(guī)范編制時(shí)針對(duì)的多是濕陷厚度小于二十米的樓房建筑，基于全部處理濕陷性土層后投資增加不大的情況。鄭西線部分黃土隧道洞口濕陷層厚度達(dá)三十米，是否有必要全部處理，要結(jié)合隧道工程荷載及地下水的特征，是值得深入研究的問題。

我國黃土地區(qū)基礎(chǔ)處理方面用的較多的方法，主要有灰土墊層法、水泥土擠密樁法、樁基礎(chǔ)、高壓旋噴注漿等。鄭西客專黃土隧道采用水泥土擠密樁法，該方法由于采用橫向擠壓成孔，使得樁間土得以充分?jǐn)D壓，和水泥土樁形成復(fù)合地基，這種方法工程量小，效果較好，但隧道內(nèi)空間有限，特別兩邊墻腳處不易施工，應(yīng)有配套的施工機(jī)具，同時(shí)擠密樁施工對(duì)初期支護(hù)有一定的擾動(dòng)影響。鄭西客專已經(jīng)施工了隧道內(nèi)水泥土擠密樁的情況來看，達(dá)到了消除隧底黃土濕陷性的

目的。

（2）施工過程中避免對(duì)基礎(chǔ)的擾動(dòng)

6 結(jié)語

通過以上分析得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）隧道工程的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)：應(yīng)當(dāng)以不超過路基工后沉降，并且應(yīng)滿足隧道在發(fā)生微小沉降時(shí)，結(jié)構(gòu)不破壞的原則作為客運(yùn)專線隧道工后沉降設(shè)計(jì)控制值有一定的參考價(jià)值；（2）計(jì)算結(jié)果說明鄭西客專黃土隧道沉降量滿足無碴軌道工后沉降要求；（3）鄭西客運(yùn)專線黃土隧道基礎(chǔ)處理應(yīng)以消除洞口新黃土濕陷性為目的，水泥土擠密樁法可以作為隧道內(nèi)消除黃土濕陷性的工程措施；（4）黃土隧道基礎(chǔ)施工過程中的關(guān)鍵工序?yàn)椋呵宄蓛艋滋撏?，防止水浸泡。?）無碴軌道鋪設(shè)應(yīng)在隧道基礎(chǔ)沉降穩(wěn)定后，并對(duì)隧道基礎(chǔ)沉降作系統(tǒng)的評(píng)估，確認(rèn)其工后沉降符合設(shè)計(jì)要求后方能實(shí)施。

參考文獻(xiàn)

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