淺析黃土隧道選址要點(diǎn)

高宏剛

中國(guó)黃土分布面積廣、厚度大、層位齊全，具有特殊成分和工程地質(zhì)特性。在特殊的自然條件和地質(zhì)構(gòu)造背景下，黃土區(qū)形成了塬、梁、峁、溝谷等地形地貌，在這些切割強(qiáng)烈、地形起伏較大的黃土區(qū)，隨著國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)力度的加大和西部大開(kāi)發(fā)的深入，我省陸續(xù)修建了一些高等級(jí)公路黃土隧道，如甘肅饞(口)柳(河溝)高速公路新莊嶺隧道、平(涼)定(西)高速公路的太平隧道和靜寧隧道。這些在黃土中修建的隧道明顯區(qū)別于山嶺石質(zhì)隧道和南方土質(zhì)隧道，具有典型的黃土工程特性，產(chǎn)生了一些新的工程地質(zhì)災(zāi)害。因此有必要研究黃土隧道可能產(chǎn)生的工程地質(zhì)災(zāi)害，為隧道設(shè)計(jì)、施工提供新的依據(jù)。

1 黃土隧道圍巖類型的劃分

黃土是第四紀(jì)干旱和半干旱氣候條件下形成的一種特殊的大陸松散沉積物，并在古地形基礎(chǔ)上繼承性堆積形成幔覆結(jié)構(gòu)。黃土按成因可分為原生黃土和次生黃土，習(xí)慣上把原生黃土也叫典型黃土，次生黃土也叫黃土狀土。

1.1 典型黃土地質(zhì)類型

典型黃土具有以下特征:顏色多呈黃色、淡灰黃色和褐黃色，以粉粒成分為主，結(jié)構(gòu)均勻無(wú)層理，疏松具大空隙，垂直節(jié)理發(fā)育，富含碳酸鹽，具有濕陷性。根據(jù)黃土形成的年代遠(yuǎn)近及工程性質(zhì)的差別，典型黃土可分為以下三種:甲類:中下更新統(tǒng)黃土(Q～Q1)，土質(zhì)堅(jiān)硬密實(shí)，物理力學(xué)性能高，無(wú)濕陷性。這種類型的隧道一般安全穩(wěn)定性好。乙類:中更新統(tǒng)上部黃土(Q)，土質(zhì)較新黃土密實(shí)，夾3層～5層古土壤。一般有輕微濕陷性，物理力學(xué)指標(biāo)較新黃土高，但低于下部黃土，應(yīng)區(qū)別對(duì)待。丙類:新黃土(Q4～Q3)，新黃土組織疏松，大孔隙發(fā)育，柱狀節(jié)理較多，滲透性強(qiáng)，一般有強(qiáng)烈的濕陷性。特別是自重濕陷性黃土，甚至混凝土的護(hù)養(yǎng)水都可造成隧道的變形和裂縫。隧道必須采取嚴(yán)密的防滲措施，避免濕陷變形而導(dǎo)致隧道的破壞。

1.2 黃土狀土的地質(zhì)類型

甲類:沖洪積成因的黃土狀土經(jīng)過(guò)流水沖刷、搬運(yùn)和重新沉積，一般具有層理，并含有砂礫，細(xì)砂礫。多分布于黃土塬下部及河流兩岸階地，有時(shí)砂層厚10多米。在含地下水的情況下，最易產(chǎn)生噴砂冒水坍塌、冒頂?shù)仁鹿?，特別是砂層在拱頂分布者對(duì)隧道穩(wěn)定性最為不利。

乙類:古老滑坡體:有的隧道不可避免的要經(jīng)過(guò)古老滑坡體，滑坡體內(nèi)裂隙發(fā)育，底層紊亂，有時(shí)有地下水及砂礫石層，地質(zhì)條件極為復(fù)雜。

2 黃土隧道的線路選擇

2.1 從地形上考慮

路線應(yīng)選擇隧道最短的位置穿過(guò)黃土塬，在隧道進(jìn)、出口地帶均有大小不同的沖溝或彎道，而梁兩側(cè)相對(duì)較大的溝道可能是洞身最短的路線位置。值得注意的是，隧道位置的塬梁地面，應(yīng)該是平整或凸起的地形。在隧道位置的塬梁地面不應(yīng)有洼地存在，特別避免封閉式的存貯地表徑流的洼地。洞線也應(yīng)該避開(kāi)塬面上的較大渠道，否則，集流洼地和渠道的水，可能成為隧道的不穩(wěn)定因素。

2.2 從黃土構(gòu)造方面考慮

從構(gòu)造方面應(yīng)該考慮黃土構(gòu)造的大裂隙，黃土地區(qū)區(qū)域性的大裂隙一般有幾組，要通過(guò)調(diào)查、訪問(wèn)和勘探，找出影響路線安全的幾組。

該類型的裂隙寬度大，影響深，平時(shí)被地表黃土覆蓋，大暴雨或地震時(shí)，部分裂開(kāi)暴露，有的沿溝谷或洼地發(fā)育，成為地表水的排泄通道。路線選擇在大裂縫同一方向上是極不利的選擇。

2.3 巖性上的選擇

黃土?xí)r代越老，強(qiáng)度就越高，作為隧道圍巖的穩(wěn)定性就越好。工程勘察時(shí)應(yīng)查明濕陷性黃土的分布深度、新老黃土的分層界面，可以調(diào)整路線坡降使隧道處在無(wú)濕陷性的黃土中或古土壤和鈣質(zhì)結(jié)核互層的老黃土中，最好是厚層鈣質(zhì)結(jié)核層作為隧道洞頂圍巖，將是理想的路線方案。

2.4 隧道與滑坡體

在黃土地區(qū)應(yīng)避免隧道穿越滑坡體，如無(wú)法避免或有經(jīng)濟(jì)比選價(jià)值，應(yīng)首先查明該滑坡的滑動(dòng)面深度，各滑塊的位置關(guān)系，滑坡體巖性分布及地下水情況。證明該滑坡體早已穩(wěn)定且不可能再?gòu)?fù)活。其次研究隧道穿越滑坡體的方案。最有利的路線方案是滑坡體中段的較大滑塊的中部，而且選擇整體滑移，巖層錯(cuò)亂少、巖性均一的滑塊。各滑塊的交界處，裂隙發(fā)育，巖性混雜，對(duì)隧道和滑坡穩(wěn)定均不利，應(yīng)注意繞避。

2.5 地下水條件

黃土處于飽和狀態(tài)和非飽和狀態(tài)的工程地質(zhì)性質(zhì)差別很大，如果隧道洞身處于沖積飽和狀態(tài)的黃土中夾水平層理的細(xì)砂或砂礫層，將會(huì)產(chǎn)生流沙破壞或排水困難的問(wèn)題。路線選擇或設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)調(diào)整坡降，設(shè)法使洞身處于地下水位以上。

3 黃土隧道進(jìn)出口位置的布置

3.1 隧道進(jìn)、出口的巖性變化

隧道洞身深埋于地下，大多置于老黃土地層或相對(duì)穩(wěn)定、密實(shí)的新黃土中。進(jìn)、出口埋深淺，且處于斜坡地段，多有新黃土或新近堆積黃土堆積，該黃土工程性質(zhì)較差且多有濕陷性，路線選擇時(shí)應(yīng)對(duì)厚層的濕陷性黃土繞避，對(duì)薄層的進(jìn)行挖除。

3.2 進(jìn)、出口邊坡的穩(wěn)定問(wèn)題

隧道進(jìn)出口邊坡常被削成人工邊坡，這種黃土高邊坡如果有大的崩塌和滑移，將堵塞洞口造成交通事故，因而進(jìn)出口邊坡的穩(wěn)定問(wèn)題是隧道進(jìn)出口方案比較的主要因素之一。因此，在勘察時(shí)應(yīng)選擇有代表性的剖面，布置勘探工作，取樣試驗(yàn)并演算邊坡穩(wěn)定，對(duì)不穩(wěn)定的邊坡提供處理措施方案。

4 黃土隧道的破壞形式

許多工程實(shí)踐證明，隨著隧道的開(kāi)挖，在掘進(jìn)方向的前方，從地面至隧道高程的不同層位的土層，相繼發(fā)生沉降，即“前期沉降”。其范圍從掌子面向前約2.5倍的洞跨間距，沉降量大約為最終沉降量的30%～40%。隧道正在開(kāi)挖的部位，沉降發(fā)展的最為活躍，以后由于襯砌對(duì)土體的穩(wěn)定作用沉降明顯降低。當(dāng)沉降大部分完成，土體就處于穩(wěn)定了，這部分沉降成為“后續(xù)沉降”。在無(wú)支護(hù)的情況下，一般毛洞開(kāi)挖3 d以后，洞壁開(kāi)始有細(xì)微裂紋出現(xiàn)，逐漸擴(kuò)大，5 d以后開(kāi)始有零星掉塊和塌落。10 d～15 d后有較大規(guī)模的坍塌，數(shù)月后有大規(guī)模的坍塌。因此，黃土隧道圍巖變形破壞的時(shí)間效應(yīng)特別顯著，一般開(kāi)挖后及時(shí)襯砌和回填，坍塌則可以避免。另外，隧道與支洞或通風(fēng)豎井的交匯處、不規(guī)則的突變點(diǎn)、嚴(yán)重超挖及軸線偏離段，都易產(chǎn)生較大的塌方和掉塊。從坍塌土體的機(jī)構(gòu)面看，它們大多是開(kāi)挖前就已潛存于土體中的軟弱結(jié)構(gòu)面，并往往構(gòu)成地下水的運(yùn)動(dòng)通道。所以，黃土隧道中有水滴出的軟弱結(jié)構(gòu)面地段往往是嚴(yán)重塌方地段，必須特別注意。

5 結(jié)語(yǔ)

黃土是第四紀(jì)大陸松散堆積物，與人類活動(dòng)密切相關(guān)，近年來(lái)陸續(xù)修建了一些黃土道路隧道，黃土隧道施工技術(shù)取得突破性進(jìn)展。而黃土地層中修建的隧道明顯區(qū)別于山嶺隧道和南方土質(zhì)隧道，具有明顯的黃土工程特性。

1 )路線應(yīng)選擇隧道最短的位置穿過(guò)黃土塬，在隧道位置的塬梁地面不應(yīng)有洼地存在，特別避免封閉式的存貯地表徑流的洼地。洞線也應(yīng)該避開(kāi)塬面上的較大渠道。2)工程勘察時(shí)應(yīng)查明濕陷性黃土的分布深度、新老黃土的分層界面，可以調(diào)整路線坡降使隧道處在無(wú)濕陷性的黃土中或古土壤和鈣質(zhì)結(jié)核互層的老黃土中。3)在黃土地區(qū)應(yīng)避免隧道穿越滑坡體，如無(wú)法避免或有經(jīng)濟(jì)比選價(jià)值，應(yīng)首先查明該滑坡的滑動(dòng)面深度，各滑塊的位置關(guān)系，滑坡體巖性分布及地下水情況。4)黃土處于飽和狀態(tài)和非飽和狀態(tài)的工程地質(zhì)性質(zhì)差別很大，路線選擇或設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)調(diào)整坡降，設(shè)法使洞身處于地下水位以上。5)隧道進(jìn)、出口路線選擇時(shí)應(yīng)對(duì)厚層的濕陷性黃土繞避，對(duì)薄層的進(jìn)行挖除。邊坡常被削成人工邊坡，在勘察時(shí)應(yīng)選擇有代表性的剖面，布置勘探工作，取樣試驗(yàn)并演算邊坡穩(wěn)定，對(duì)不穩(wěn)定的邊坡提供處理措施方案。6)黃土隧道圍巖變形破壞的時(shí)間效應(yīng)特別顯著，一般開(kāi)挖后及時(shí)襯砌和回填，坍塌則可以避免。隧道與支洞或通風(fēng)豎井的交匯處、不規(guī)則的突變點(diǎn)、嚴(yán)重超挖及軸線偏離段，都易產(chǎn)生較大的塌方和掉塊。另外，黃土隧道中有水滴出的軟弱結(jié)構(gòu)面地段往往是嚴(yán)重塌方地段，必須特別注意。

［1］ JTG D70-2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ JTJ 064-98，公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.

［3］ GB 50021-2001，巖土工程勘察規(guī)范［S］.

［4］ 喬平定，李增鈞.黃土地區(qū)工程地質(zhì)［M］.北京：水利電力出版社，2010.