黃土隧道地質(zhì)病害的探析與防治

【摘 要】隨著公路建設(shè)的高速發(fā)展，黃土隧道也越來越多，通過對(duì)甘肅地區(qū)隴西黃土的特性分析，結(jié)合黃土隧道地表水入滲引起的地質(zhì)病害調(diào)查分析，探討地質(zhì)病害形成機(jī)理，分析其工程影響，提出綜合處理及防治措施。

【關(guān)鍵詞】黃土；濕陷性；隧道；地下水入滲；工程影響；工程措施

1、概述

黃土是一種多孔隙、弱膠結(jié)的特殊沉積物。隴西黃土是指東至隴山、六盤山、南華山和黃家凹山構(gòu)成的分水嶺為界，北至大峁槐山黑山峽及騰格里沙漠的南緣，亦即黃土高原的北界，西至青海西寧，西南以洮河為界，南部則以渭河為界范圍內(nèi)根據(jù)區(qū)域性特征劃分的黃土巖石地層。

隨著公路建設(shè)，黃土隧道越來越多，黃土隧道的地質(zhì)病害也越來越凸顯出來，如地表變形、滲漏水等，給公路正常運(yùn)營(yíng)及人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成影響。

2、濕陷性黃土隧道的地質(zhì)特征

黃土隧道根據(jù)隧道所處的地質(zhì)條件， 結(jié)合隴西黃土的特點(diǎn)及研究?jī)?nèi)容，現(xiàn)根據(jù)隧道圍巖情況按全部為黃土、同時(shí)通過黃土與基巖兩種情況分析其特征。

2.1隧道圍巖全部為黃土

根據(jù)巉柳路白虎山隧道、趙家楞桿隧道及新莊嶺隧道等的調(diào)查，該段隧道地質(zhì)結(jié)構(gòu)接近，進(jìn)出口段地層巖性以第四系上更新統(tǒng)新黃土（Ｑ3eol）為主，其特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)疏松、大孔隙發(fā)育、具高壓縮性和強(qiáng)濕陷性，垂直節(jié)理、裂隙發(fā)育。隧道洞身段以老黃土（Ｑ2）為主，該層黃土土質(zhì)較均勻，結(jié)構(gòu)相對(duì)較密實(shí)，具水平層理和柱狀節(jié)理，具中等壓縮性。該類地下水下滲后土體軟化，強(qiáng)度降低，引起裂縫貫通至地表，發(fā)生地表塌陷。在隧道襯砌和黃土之間易形成飽和土層，影響隧道安全運(yùn)營(yíng)。

2.2隧道通過黃土與基巖界面

G312線祁家大山隧道、土家灣隧道、老君隧道、臥龍隧道、靜寧隧道和太平隧道等隧道的地層巖性上部覆蓋厚層黃土，下伏基巖多以第三系泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主。在該地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，黃土的特殊結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征，即多孔和大孔的骨架式架空結(jié)構(gòu)和垂直節(jié)理，是較好的含水層，而且垂直滲透性很強(qiáng)；而第三紀(jì)泥巖基本上不透水。當(dāng)水滲至基巖頂板時(shí)，滲流受阻后富集于巖土界面附近，形成了一定厚度的飽和黃土層，其自穩(wěn)能力降低，易在飽水位（巖土界面）發(fā)生滲漏、圍巖變形、蠕滑及滑塌。

3、地下水下滲對(duì)濕陷性黃土隧道造成的病害探析

3.1地下水下滲引起的濕陷性黃土隧道病害類型主要有：地表變形、滲水漏水、襯砌開裂及塌方等。

3.2地下水下滲引起的濕陷性黃土隧道病害機(jī)理分析

3.2.1黃土的組成、物理力學(xué)參數(shù)及特點(diǎn)。

隴西黃土的礦物成分有碎屑礦物（石英、長(zhǎng)石、云母、方解石，約占碎屑礦物的80%強(qiáng)）、粘土礦物（伊利石、蒙脫石、高嶺石等）及自生礦物。化學(xué)成分以SiO2占優(yōu)勢(shì)，其次為Al2O3、CaO等。其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)經(jīng)測(cè)定一般為：含水量ω=3%～25%，天然密度ρ=1.2%～1.8t/m3，孔隙比e=0.7～1.3，塑性指數(shù)Ip=4～12，壓縮系數(shù)av=0.1～0.9MP-1a，濕陷系數(shù)δs=0.02～0.3。物理性質(zhì)表現(xiàn)為疏松、大孔隙、中高壓縮性、強(qiáng)濕陷性，垂直節(jié)理發(fā)育，極易滲水，可溶性物質(zhì)多，易形成溝谷，易造成沉陷和崩塌。

3.2.2濕陷性黃土隧道病害形成機(jī)理分析

黃土的濕陷機(jī)理主要為高可溶鹽的溶解、高孔隙率的孔隙減小。黃土濕陷過程就是骨架顆粒結(jié)構(gòu)、孔隙率變化及骨架顆粒膠結(jié)的變化、破壞、骨架顆粒重組過程。其誘發(fā)濕陷的條件是水（大氣降水、農(nóng)田灌溉及隧道頂部居民生活廢水等均可成為水源而下滲形成地下水），外因是壓力（土體自重及上部荷載），內(nèi)因是大孔隙、可溶鹽（如硫酸鈉、碳酸鈉、碳酸鎂和氯化鈉等）。黃土受水浸濕后可溶鹽被溶化，土中膠結(jié)力減弱，導(dǎo)致土粒位移，因其欠固結(jié)，薄膜水在浸水后增厚，在壓密過程中起潤(rùn)滑作用而產(chǎn)生濕陷變形。地下水持續(xù)下滲即可能形成隧道的地質(zhì)病害。

地下水入滲引起黃土發(fā)生濕陷時(shí)，土體沿垂直節(jié)理發(fā)生相應(yīng)的垂直運(yùn)動(dòng)，由地表向下，繼而產(chǎn)生隧道洞頂?shù)牡乇碜冃?地面下沉、裂縫、陷穴、溶洞)。在隧道開挖后，隧道圍巖一定范圍內(nèi)很快發(fā)生松弛變形，隨著變形的擴(kuò)展，圍巖整體強(qiáng)度降低，同時(shí)土壓力增加，進(jìn)而引發(fā)局部的塑性破壞，在圍巖內(nèi)部出現(xiàn)空洞導(dǎo)致局部發(fā)生坍塌，局部地表(淺埋時(shí))出現(xiàn)下沉，塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，土壓力劇增最終導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)而塌方。當(dāng)隧道開挖至此含水地層中時(shí)， 切穿黃土含水層，導(dǎo)致其原有滲流規(guī)律發(fā)生改變，包括滲流路徑和滲流方向的改變，滲透水壓力的改變，使之儲(chǔ)存于黃土含水層中的地下水，沿著黃土節(jié)理、裂隙及巖土界面，向隧道集中滲入，導(dǎo)致隧道的滲漏水、涌水。淺埋隧道支護(hù)體上的圍巖壓力主要來自上覆黃土自重，當(dāng)有地下水時(shí)，橫向圍壓小，豎向摩擦力很小乃至呈負(fù)摩阻力，黃土將其全部自重作用于襯砌上。同時(shí)地下水對(duì)襯砌產(chǎn)生靜水壓力。在合力作用下，隧道的襯砌支護(hù)體易發(fā)生變形，當(dāng)壓力過大或支護(hù)體剛度和強(qiáng)度不夠時(shí)，支護(hù)體襯砌發(fā)生變形破壞，支護(hù)體內(nèi)產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重者導(dǎo)致支護(hù)完全破壞。

4、地下水入滲引起的濕陷性黃土隧道病害處理方法與工程措施

4.1前期勘察設(shè)計(jì)階段，要充分認(rèn)識(shí)黃土特性，充分調(diào)查地表水入滲條件，做好隧道滲漏水和地表變形預(yù)測(cè)，做好相應(yīng)的襯砌支護(hù)和合理的防排水措施。

4.2根據(jù)濕陷性黃土隧道的調(diào)查（如新莊嶺隧道），隧道上部建議限制農(nóng)業(yè)灌溉，防止農(nóng)灌水下滲而形成人為的地質(zhì)病害。同時(shí)設(shè)置相應(yīng)的截排水渠道，疏導(dǎo)集中降雨形成的洪水排泄。

4.3施工中做好隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，及時(shí)防止隧道地質(zhì)病害，對(duì)有可能影響隧道地表黃土陷穴、裂縫，進(jìn)行夯填處理，防止其擴(kuò)大、貫通，造成對(duì)隧道影響。

4.4對(duì)隧道出現(xiàn)滲漏水、涌水，根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行防排水措施，如水較大時(shí)（如靜寧隧道、太平隧道淺埋段）可帷幕灌漿、導(dǎo)水管與水流槽的結(jié)合運(yùn)用等。

4.5對(duì)濕陷性黃土隧道地基處理可用墊層、強(qiáng)夯、擠密、預(yù)侵水及其他方法。

4.6對(duì)營(yíng)運(yùn)中濕陷性黃土隧道需進(jìn)行定期檢查隧道內(nèi)部防排水設(shè)施及隧道頂?shù)孛娣琅潘?、滲漏情況及沉降，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)解決。

5、結(jié)語

濕陷性黃土隧道地下水下滲引起的病害種類多，處理難度大，工程造價(jià)大，需以預(yù)防為主。其病害處理方法多種多樣，但均需經(jīng)過嚴(yán)密的科學(xué)試驗(yàn)與論證、嚴(yán)密的質(zhì)量控制，才可能經(jīng)濟(jì)而有效地獲得期望的效果。

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作者簡(jiǎn)介

梁烈，男，漢族，甘肅通渭人，甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，工程師。