論公路黃土隧道的主要病害與施工技術(shù)

張永濤

陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司寶坪高速公路建設(shè)管理處，陜西寶雞 721013

黃土是一種較干旱地區(qū)的黃色沉積物，往往具有多孔、碳酸鹽含量較高、粉土顆粒所占比例較大等特點(diǎn)。另外，由于黃土具有濕陷性、滲透性、易分解等特點(diǎn)，所以在重力和外部負(fù)載的作用下，很容易發(fā)生形變。如果受到雨水侵蝕，則產(chǎn)生失陷現(xiàn)象。黃土的產(chǎn)生主要依靠風(fēng)積，可溶性鹽及礦物質(zhì)比例都較高，承載能力差，濕陷性較強(qiáng)。以上情況極易造成公路黃土隧道的病害產(chǎn)生，導(dǎo)致施工困難。目前，常見病害有洞口滑坡、隧道洞頂破裂、路面斷板等。本文首先對(duì)公路黃土隧道在施工過程中遇到的常見病害進(jìn)行分析，探討了尋防治措施，并論述了施工過程中的核心技術(shù)及注意事項(xiàng)。

1 公路黃土隧道工程的特征

在公路黃土隧道施工過程中，最重要的是保證黃土先天結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最大化，減少使形變產(chǎn)生的裂痕造成的強(qiáng)度損害。黃土隧道不同于普通隧道，能夠隨著工程的進(jìn)行產(chǎn)生應(yīng)力再分布，從而達(dá)到再平衡，而是隨著變形的嚴(yán)重破壞也越來越嚴(yán)重，進(jìn)而引發(fā)混凝土工程結(jié)構(gòu)變形。所以，選擇可以有效抑制形變的支撐結(jié)構(gòu)就顯得異常重要。另外，在施工中確保防水裝置布局良好及排水系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行也是十分重要的。

1.1 黃土的滲透性

在年代久遠(yuǎn)的黃土中，存在非常普遍的構(gòu)造節(jié)理現(xiàn)象，如斜節(jié)理、垂直節(jié)理及構(gòu)造節(jié)理等，新產(chǎn)生的黃土一般不會(huì)出現(xiàn)構(gòu)造性節(jié)理。節(jié)理可對(duì)路基邊坡穩(wěn)定起到一定作用，但如果工程在老黃土中進(jìn)行，則在邊坡施工中沿著節(jié)理面進(jìn)行滑落式破壞；如果在垂直節(jié)理中進(jìn)行施工，則可能出現(xiàn)倒塌式破壞；如黃土層中沒有構(gòu)造節(jié)理，則邊坡工程中可能出現(xiàn)滑坡式破壞。

1.2 黃土的濕陷性

黃土的主要屬性之一 ——濕陷性，即在降水作用下，如被作用與較強(qiáng)的壓力，土體結(jié)構(gòu)將受到嚴(yán)重破壞，甚至下沉。但也有例外，有些黃土濕陷性較差，或黃土土層較薄，因而不會(huì)對(duì)施工造成較大影響，一般情況下土層在隧道20m以下。

2 黃土隧道施工常見病害發(fā)生的整體原因

2.1 黃土工程存在的特征

由于黃土空隙較大，并具有垂直節(jié)理等現(xiàn)象，導(dǎo)致黃土層往往有很強(qiáng)滲水性，從而造成地表水向下滲透。基于以上情況，地表水向下滲透程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水平方向。地表水滲透主要以垂直方向進(jìn)行。水平方向的壓力較小，垂直方向的摩擦力為零。黃土土柱被全部應(yīng)用于襯砌之上，導(dǎo)致襯砌開裂嚴(yán)重。此外，由于垂直節(jié)理的不斷發(fā)展及地表水的日益滲透，黃土層膨脹和土崩現(xiàn)象也越來越明顯，產(chǎn)生沉陷現(xiàn)象，加重圍巖側(cè)面的壓力，造成支護(hù)裝置變形，嚴(yán)重的話會(huì)使圍巖失穩(wěn)，隧道出現(xiàn)明顯下沉。

2.2 地表水

一般來說，地表裂痕會(huì)導(dǎo)致公路隧道上方的土層出現(xiàn)破裂面，并沿著裂痕不斷發(fā)展，進(jìn)而隧道上方土層受力再分布。如果在公路隧道頂部出現(xiàn)黃土陷穴，造成地表裂痕不斷沿著裂痕擴(kuò)展，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一體性下降。在地表水的下滲的作用下，隧道基底會(huì)逐漸發(fā)生形變，從而導(dǎo)致隧道出現(xiàn)變形或破壞。

2.3 隧道埋深

由于地表水的滲透作用使圍巖重力加大，承重能力減小，所以在隧道深埋階段極易出現(xiàn)嚴(yán)重下沉和變形。另外，地裂容易對(duì)圍巖產(chǎn)生較大的破壞，在施工時(shí)往往病害發(fā)生在埋深的中間階段。

3 黃土地區(qū)隧道病害類型

3.1 滲水漏水

由于不同地區(qū)黃土水質(zhì)及土質(zhì)各不相同，所以工程中病害情況也不相同。從目前實(shí)際工程來看，一般是洞體漏水，也有現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)局部隧道沿著基巖縫隙漏水等現(xiàn)象。

3.2 隧道塌方

一般來說，此類病害的發(fā)生規(guī)模較大，且存在突然發(fā)生、較難預(yù)測(cè)等特點(diǎn)，主要發(fā)生在施工階段或運(yùn)營中，發(fā)生地點(diǎn)往往在公路隧道進(jìn)出口處或圍巖突變點(diǎn)。典型的塌方隧道有閻家?guī)X土石交界隧道、土家灣隧道等。

3.3 襯砌開裂

此類故障一般表現(xiàn)為隧道內(nèi)一襯混凝土環(huán)向開裂或支撐保護(hù)裝置在初期破壞或變形。此外，還有局部拱頂開裂、路面開裂及電纜槽之間的橫向開裂。病害的典型隧道有羊馬河隧道及辛莊領(lǐng)隧道的出入口處。襯砌開裂病害在施工及運(yùn)營期間均可發(fā)生。

3.4 地表變形

地表產(chǎn)生形變?nèi)Q于多種因素，如降水、隧道掘進(jìn)工程、水體下滲等。施工時(shí)，地表裂痕一般按照隧道走勢(shì)在左右兩邊產(chǎn)生裂痕。隨著工期的推進(jìn)，山體裂縫也愈來愈劇烈。此外，在施工過程中由于塌方和下沉等因素影響，也可能在地表形成裂痕和塌陷。

4 黃土隧道施工技術(shù)控制要點(diǎn)

由于公路黃土隧道在施工時(shí)可能出現(xiàn)異常天氣狀況，而且不允許造成環(huán)境污染和破壞，這就要求施工一定要合理、規(guī)范。基于此，對(duì)公路黃土施工技術(shù)進(jìn)行研究就顯得尤為重要。

4.1 支護(hù)參數(shù)的確定

黃土隧道的施工效果很大程度上取決于支撐保護(hù)裝置的參數(shù)是否合理。通常情況下支護(hù)參數(shù)主要關(guān)注以下幾個(gè)方面：

（1） 對(duì)黃土的物理性質(zhì)進(jìn)行確定。不同地區(qū)黃土性質(zhì)各不相同，只有確定了工程周邊的黃土性質(zhì)后，才能進(jìn)一步制定合理的施工計(jì)劃及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，減少施工過程的不確定因素，提高施工效率。

（2） 對(duì)施工跨度進(jìn)行規(guī)劃。公路黃土隧道工程的難關(guān)之一：施工場(chǎng)地不是隨意選取的，如果山體強(qiáng)度較小，需要重新選取施工地。確定工程跨度包括制定施工量及技術(shù)參數(shù)，要通過周密調(diào)研測(cè)量計(jì)算來制定。

4.2 設(shè)計(jì)措施

（1） 支護(hù)措施在實(shí)現(xiàn)最終襯砌過程中起著重要作用，一定要確保有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，以控制黃土隧道變形，預(yù)防工程中可能出現(xiàn)的塌方。

（2） 在開展初期支護(hù)工程時(shí)，可將噴混凝土角度及墻角相對(duì)位置增大到1m左右。針對(duì)鋼架底部的連接也可以使用槽鋼完成。

（3） 在新公路黃土隧道進(jìn)行淺埋時(shí)，拱部施工可不安裝錨桿。在老黃土隧道深埋時(shí)，支護(hù)鋼架的材質(zhì)可以使用型鋼或格柵材料。

5 黃土隧道施工的核心技術(shù)方案

在進(jìn)行充分調(diào)研及資料搜集后，工作人員應(yīng)依據(jù)實(shí)際情況制定合理的黃土隧道施工技術(shù)方案。在作業(yè)中要嚴(yán)格遵守施工計(jì)劃，盡可能減少中途改變技術(shù)方案的情況。

5.1 新黃土層的對(duì)策

在公路黃土隧道的施工過程中，必然會(huì)涉及到新的黃土層，由于新黃土層節(jié)理發(fā)育等特點(diǎn)，給工程人員造成了一定的困難，因此在針對(duì)新黃土層施工時(shí)筆者認(rèn)為可以主要從以下幾方面進(jìn)行考慮：

在對(duì)公路黃土隧道的兩側(cè)作業(yè)時(shí)，在施工作業(yè)時(shí)，必須加強(qiáng)安保措施，在支護(hù)方面也要提高穩(wěn)定性。

在埋深較大的地點(diǎn)經(jīng)常產(chǎn)生塌陷及石塊掉落，在作業(yè)時(shí)施工人員必須嚴(yán)格按照作業(yè)指導(dǎo)進(jìn)行作業(yè)，同時(shí)強(qiáng)化安保措施，以免發(fā)生危險(xiǎn)。

在施工時(shí)要全方位加強(qiáng)支護(hù)措施，使工程暴露的時(shí)間最小化，在襯砌工作時(shí)，一定要盡快完成，以免出現(xiàn)塌陷情況，造成人員傷亡。

5.2 老黃土地層的對(duì)策

老黃土地層在埋深較大的施工地點(diǎn)容易產(chǎn)生屈服形變，進(jìn)而造成支護(hù)結(jié)構(gòu)的形變甚至破壞，因此要根據(jù)監(jiān)控測(cè)量對(duì)支護(hù)襯砌參數(shù)進(jìn)行修正。老黃土地層也經(jīng)常出現(xiàn)裂痕發(fā)生坍塌及石塊掉落，對(duì)工作人員和設(shè)備都造成巨大威脅，并且經(jīng)常由于施工不當(dāng)造成大面積的塌方現(xiàn)象。所以在施工時(shí)，要將周邊環(huán)境納入考量，并提前做好應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害及非正常天氣的準(zhǔn)備。

6 結(jié)語

總之，在施工過程中，由于黃土存在一定特殊性，干旱及半干旱地區(qū)的沉積物多以孔、粉土顆粒為主，含有大量碳酸鹽，顏色為黃色，滲透性和濕陷性非常明顯，非常容易崩解。在外荷作用和自重作用下，受到水侵蝕時(shí)，很容易變形以及失陷。所以，在正常施工過程中，要嚴(yán)格依照施工流程，如注意控水、加強(qiáng)支護(hù)、檢測(cè)等原則，認(rèn)真做好預(yù)防病害的措施，找出其中的規(guī)律和特征，嚴(yán)格落實(shí)每一道施工程序，可有效并避免施工過程中出現(xiàn)的病害和事故，保障施工的安全和質(zhì)量。