鄭西客專黃土隧道基礎(chǔ)沉降問題研究

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)，并對黃土隧道基礎(chǔ)處理原則及處理措施進(jìn)行了探討。對鄭西客運(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：TB21 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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)新臺階。我國學(xué)者對黃土隧道進(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)場設(shè)計(jì)研究組，對隴海線三門峽～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》對隧道只要求底部加仰拱，對沉降并未做明確規(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)算選取富村二號隧道的Ⅴ級黃土加強(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，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)場量測情況

4 鄭西客專黃土隧道工后沉降分析

由于《指南》對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，對隧道工程的沉降關(guān)注不多。過去我們修普速鐵路對這個(gè)問題研究的不是很深，對于巖石隧道若洞口有土層，往往對土質(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?；A(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滋撏粒乐顾?。?）無碴軌道鋪設(shè)應(yīng)在隧道基礎(chǔ)沉降穩(wěn)定后，并對隧道基礎(chǔ)沉降作系統(tǒng)的評估，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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[2] 鐵建設(shè)函[2005]754號.客運(yùn)專線無碴軌道鐵路設(shè)計(jì)指南[J].鐵道科學(xué)研究院，2005（10）.

[3] 劉祖典.黃土力學(xué)與工程[J].西安理工大學(xué)，1996（19）.

[4] GB50025-2004.濕餡性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[M].北京：中國計(jì)劃出版社，1992.