论文部分内容阅读
【摘 要】随着公路建设的高速发展，黄土隧道也越来越多，通过对甘肃地区陇西黄土的特性分析，结合黄土隧道地表水入渗引起的地质病害调查分析，探讨地质病害形成机理，分析其工程影响，提出综合处理及防治措施。
【关键词】黄土；湿陷性；隧道；地下水入渗；工程影响；工程措施
1、概述
黄土是一种多孔隙、弱胶结的特殊沉积物。陇西黄土是指东至陇山、六盘山、南华山和黄家凹山构成的分水岭为界，北至大峁槐山黑山峡及腾格里沙漠的南缘，亦即黄土高原的北界，西至青海西宁，西南以洮河为界，南部则以渭河为界范围内根据区域性特征划分的黄土岩石地层。
随着公路建设，黄土隧道越来越多，黄土隧道的地质病害也越来越凸显出来，如地表变形、渗漏水等，给公路正常运营及人民的生命财产安全造成影响。
2、湿陷性黄土隧道的地质特征
黄土隧道根据隧道所处的地质条件, 结合陇西黄土的特点及研究内容,现根据隧道围岩情况按全部为黄土、同时通过黄土与基岩两种情况分析其特征。
2.1隧道围岩全部为黄土
根据巉柳路白虎山隧道、赵家楞杆隧道及新庄岭隧道等的调查，该段隧道地质结构接近，进出口段地层岩性以第四系上更新统新黄土（Ｑ3eol）为主，其特点为结构疏松、大孔隙发育、具高压缩性和强湿陷性，垂直节理、裂隙发育。隧道洞身段以老黄土（Ｑ2）为主，该层黄土土质较均匀，结构相对较密实，具水平层理和柱状节理，具中等压缩性。该类地下水下渗后土体软化，强度降低，引起裂缝贯通至地表，发生地表塌陷。在隧道衬砌和黄土之间易形成饱和土层，影响隧道安全运营。
2.2隧道通过黄土与基岩界面
G312线祁家大山隧道、土家湾隧道、老君隧道、卧龙隧道、静宁隧道和太平隧道等隧道的地层岩性上部覆盖厚层黄土，下伏基岩多以第三系泥岩、泥质粉砂岩为主。在该地质结构中,黄土的特殊结构和构造特征,即多孔和大孔的骨架式架空结构和垂直节理,是较好的含水层，而且垂直渗透性很强；而第三纪泥岩基本上不透水。当水渗至基岩顶板时,渗流受阻后富集于岩土界面附近,形成了一定厚度的饱和黄土层,其自稳能力降低，易在饱水位（岩土界面）发生渗漏、围岩变形、蠕滑及滑塌。
3、地下水下渗对湿陷性黄土隧道造成的病害探析
3.1地下水下渗引起的湿陷性黄土隧道病害类型主要有：地表变形、渗水漏水、衬砌开裂及塌方等。
3.2地下水下渗引起的湿陷性黄土隧道病害机理分析
3.2.1黄土的组成、物理力学参数及特点。
陇西黄土的矿物成分有碎屑矿物（石英、长石、云母、方解石，约占碎屑矿物的80%强）、粘土矿物（伊利石、蒙脱石、高岭石等）及自生矿物。化学成分以SiO2占优势，其次为Al2O3、CaO等。其物理力学性质指标经测定一般为：含水量ω=3%～25%，天然密度ρ=1.2%～1.8t/m3，孔隙比e=0.7～1.3，塑性指数Ip=4～12，压缩系数av=0.1～0.9MP-1a，湿陷系数δs=0.02～0.3。物理性质表现为疏松、大孔隙、中高压缩性、强湿陷性，垂直节理发育，极易渗水，可溶性物质多，易形成沟谷，易造成沉陷和崩塌。
3.2.2湿陷性黄土隧道病害形成机理分析
黄土的湿陷机理主要为高可溶盐的溶解、高孔隙率的孔隙减小。黄土湿陷过程就是骨架颗粒结构、孔隙率变化及骨架颗粒胶结的变化、破坏、骨架颗粒重组过程。其诱发湿陷的条件是水（大气降水、农田灌溉及隧道顶部居民生活廢水等均可成为水源而下渗形成地下水），外因是压力（土体自重及上部荷载），内因是大孔隙、可溶盐（如硫酸钠、碳酸钠、碳酸镁和氯化钠等）。黄土受水浸湿后可溶盐被溶化，土中胶结力减弱，导致土粒位移，因其欠固结，薄膜水在浸水后增厚，在压密过程中起润滑作用而产生湿陷变形。地下水持续下渗即可能形成隧道的地质病害。
地下水入渗引起黄土发生湿陷时，土体沿垂直节理发生相应的垂直运动，由地表向下,继而产生隧道洞顶的地表变形(地面下沉、裂缝、陷穴、溶洞)。在隧道开挖后,隧道围岩一定范围内很快发生松弛变形，随着变形的扩展，围岩整体强度降低，同时土压力增加，进而引发局部的塑性破坏，在围岩内部出现空洞导致局部发生坍塌,局部地表(浅埋时)出现下沉，塑性区进一步扩大，土压力剧增最终导致围岩失稳而塌方。当隧道开挖至此含水地层中时, 切穿黄土含水层,导致其原有渗流规律发生改变,包括渗流路径和渗流方向的改变,渗透水压力的改变,使之储存于黄土含水层中的地下水,沿着黄土节理、裂隙及岩土界面,向隧道集中渗入,导致隧道的渗漏水、涌水。浅埋隧道支护体上的围岩压力主要来自上覆黄土自重,当有地下水时,横向围压小，竖向摩擦力很小乃至呈负摩阻力,黄土将其全部自重作用于衬砌上。同时地下水对衬砌产生静水压力。在合力作用下,隧道的衬砌支护体易发生变形,当压力过大或支护体刚度和强度不够时，支护体衬砌发生变形破坏,支护体内产生裂缝,严重者导致支护完全破坏。
4、地下水入渗引起的湿陷性黄土隧道病害处理方法与工程措施
4.1前期勘察设计阶段，要充分认识黄土特性，充分调查地表水入渗条件，做好隧道渗漏水和地表变形预测，做好相应的衬砌支护和合理的防排水措施。
4.2根据湿陷性黄土隧道的调查（如新庄岭隧道），隧道上部建议限制农业灌溉，防止农灌水下渗而形成人为的地质病害。同时设置相应的截排水渠道，疏导集中降雨形成的洪水排泄。
4.3施工中做好隧道地质超前预报，及时防止隧道地质病害，对有可能影响隧道地表黄土陷穴、裂缝，进行夯填处理，防止其扩大、贯通，造成对隧道影响。
4.4对隧道出现渗漏水、涌水，根据实际情况，进行防排水措施，如水较大时（如静宁隧道、太平隧道浅埋段）可帷幕灌浆、导水管与水流槽的结合运用等。
4.5对湿陷性黄土隧道地基处理可用垫层、强夯、挤密、预侵水及其他方法。
4.6对营运中湿陷性黄土隧道需进行定期检查隧道内部防排水设施及隧道顶地面防排水、渗漏情况及沉降，发现问题及时解决。
5、结语
湿陷性黄土隧道地下水下渗引起的病害种类多，处理难度大，工程造价大，需以预防为主。其病害处理方法多种多样，但均需经过严密的科学试验与论证、严密的质量控制，才可能经济而有效地获得期望的效果。
参考文献
[1]刘东升.黄土与环境,西安,西安交通大学学报(社会科学版) [J].2002 年第04期
[2]杨惠林.祁家大山隧道病害原因分析及加固方案[J].公路,2004（8）
[3]来弘鹏,杨晓华.黄土地区隧道病害类型与机理探讨[J].西安,公路交通科技(应用技术版),2006年第03期
[4]湿陷性黄土地区建筑规范（GB 50025-2004）
作者简介
梁烈，男，汉族，甘肃通渭人，甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司，工程师。
【关键词】黄土；湿陷性；隧道；地下水入渗；工程影响；工程措施
1、概述
黄土是一种多孔隙、弱胶结的特殊沉积物。陇西黄土是指东至陇山、六盘山、南华山和黄家凹山构成的分水岭为界，北至大峁槐山黑山峡及腾格里沙漠的南缘，亦即黄土高原的北界，西至青海西宁，西南以洮河为界，南部则以渭河为界范围内根据区域性特征划分的黄土岩石地层。
随着公路建设，黄土隧道越来越多，黄土隧道的地质病害也越来越凸显出来，如地表变形、渗漏水等，给公路正常运营及人民的生命财产安全造成影响。
2、湿陷性黄土隧道的地质特征
黄土隧道根据隧道所处的地质条件, 结合陇西黄土的特点及研究内容,现根据隧道围岩情况按全部为黄土、同时通过黄土与基岩两种情况分析其特征。
2.1隧道围岩全部为黄土
根据巉柳路白虎山隧道、赵家楞杆隧道及新庄岭隧道等的调查，该段隧道地质结构接近，进出口段地层岩性以第四系上更新统新黄土（Ｑ3eol）为主，其特点为结构疏松、大孔隙发育、具高压缩性和强湿陷性，垂直节理、裂隙发育。隧道洞身段以老黄土（Ｑ2）为主，该层黄土土质较均匀，结构相对较密实，具水平层理和柱状节理，具中等压缩性。该类地下水下渗后土体软化，强度降低，引起裂缝贯通至地表，发生地表塌陷。在隧道衬砌和黄土之间易形成饱和土层，影响隧道安全运营。
2.2隧道通过黄土与基岩界面
G312线祁家大山隧道、土家湾隧道、老君隧道、卧龙隧道、静宁隧道和太平隧道等隧道的地层岩性上部覆盖厚层黄土，下伏基岩多以第三系泥岩、泥质粉砂岩为主。在该地质结构中,黄土的特殊结构和构造特征,即多孔和大孔的骨架式架空结构和垂直节理,是较好的含水层，而且垂直渗透性很强；而第三纪泥岩基本上不透水。当水渗至基岩顶板时,渗流受阻后富集于岩土界面附近,形成了一定厚度的饱和黄土层,其自稳能力降低，易在饱水位（岩土界面）发生渗漏、围岩变形、蠕滑及滑塌。
3、地下水下渗对湿陷性黄土隧道造成的病害探析
3.1地下水下渗引起的湿陷性黄土隧道病害类型主要有：地表变形、渗水漏水、衬砌开裂及塌方等。
3.2地下水下渗引起的湿陷性黄土隧道病害机理分析
3.2.1黄土的组成、物理力学参数及特点。
陇西黄土的矿物成分有碎屑矿物（石英、长石、云母、方解石，约占碎屑矿物的80%强）、粘土矿物（伊利石、蒙脱石、高岭石等）及自生矿物。化学成分以SiO2占优势，其次为Al2O3、CaO等。其物理力学性质指标经测定一般为：含水量ω=3%～25%，天然密度ρ=1.2%～1.8t/m3，孔隙比e=0.7～1.3，塑性指数Ip=4～12，压缩系数av=0.1～0.9MP-1a，湿陷系数δs=0.02～0.3。物理性质表现为疏松、大孔隙、中高压缩性、强湿陷性，垂直节理发育，极易渗水，可溶性物质多，易形成沟谷，易造成沉陷和崩塌。
3.2.2湿陷性黄土隧道病害形成机理分析
黄土的湿陷机理主要为高可溶盐的溶解、高孔隙率的孔隙减小。黄土湿陷过程就是骨架颗粒结构、孔隙率变化及骨架颗粒胶结的变化、破坏、骨架颗粒重组过程。其诱发湿陷的条件是水（大气降水、农田灌溉及隧道顶部居民生活廢水等均可成为水源而下渗形成地下水），外因是压力（土体自重及上部荷载），内因是大孔隙、可溶盐（如硫酸钠、碳酸钠、碳酸镁和氯化钠等）。黄土受水浸湿后可溶盐被溶化，土中胶结力减弱，导致土粒位移，因其欠固结，薄膜水在浸水后增厚，在压密过程中起润滑作用而产生湿陷变形。地下水持续下渗即可能形成隧道的地质病害。
地下水入渗引起黄土发生湿陷时，土体沿垂直节理发生相应的垂直运动，由地表向下,继而产生隧道洞顶的地表变形(地面下沉、裂缝、陷穴、溶洞)。在隧道开挖后,隧道围岩一定范围内很快发生松弛变形，随着变形的扩展，围岩整体强度降低，同时土压力增加，进而引发局部的塑性破坏，在围岩内部出现空洞导致局部发生坍塌,局部地表(浅埋时)出现下沉，塑性区进一步扩大，土压力剧增最终导致围岩失稳而塌方。当隧道开挖至此含水地层中时, 切穿黄土含水层,导致其原有渗流规律发生改变,包括渗流路径和渗流方向的改变,渗透水压力的改变,使之储存于黄土含水层中的地下水,沿着黄土节理、裂隙及岩土界面,向隧道集中渗入,导致隧道的渗漏水、涌水。浅埋隧道支护体上的围岩压力主要来自上覆黄土自重,当有地下水时,横向围压小，竖向摩擦力很小乃至呈负摩阻力,黄土将其全部自重作用于衬砌上。同时地下水对衬砌产生静水压力。在合力作用下,隧道的衬砌支护体易发生变形,当压力过大或支护体刚度和强度不够时，支护体衬砌发生变形破坏,支护体内产生裂缝,严重者导致支护完全破坏。
4、地下水入渗引起的湿陷性黄土隧道病害处理方法与工程措施
4.1前期勘察设计阶段，要充分认识黄土特性，充分调查地表水入渗条件，做好隧道渗漏水和地表变形预测，做好相应的衬砌支护和合理的防排水措施。
4.2根据湿陷性黄土隧道的调查（如新庄岭隧道），隧道上部建议限制农业灌溉，防止农灌水下渗而形成人为的地质病害。同时设置相应的截排水渠道，疏导集中降雨形成的洪水排泄。
4.3施工中做好隧道地质超前预报，及时防止隧道地质病害，对有可能影响隧道地表黄土陷穴、裂缝，进行夯填处理，防止其扩大、贯通，造成对隧道影响。
4.4对隧道出现渗漏水、涌水，根据实际情况，进行防排水措施，如水较大时（如静宁隧道、太平隧道浅埋段）可帷幕灌浆、导水管与水流槽的结合运用等。
4.5对湿陷性黄土隧道地基处理可用垫层、强夯、挤密、预侵水及其他方法。
4.6对营运中湿陷性黄土隧道需进行定期检查隧道内部防排水设施及隧道顶地面防排水、渗漏情况及沉降，发现问题及时解决。
5、结语
湿陷性黄土隧道地下水下渗引起的病害种类多，处理难度大，工程造价大，需以预防为主。其病害处理方法多种多样，但均需经过严密的科学试验与论证、严密的质量控制，才可能经济而有效地获得期望的效果。
参考文献
[1]刘东升.黄土与环境,西安,西安交通大学学报(社会科学版) [J].2002 年第04期
[2]杨惠林.祁家大山隧道病害原因分析及加固方案[J].公路,2004（8）
[3]来弘鹏,杨晓华.黄土地区隧道病害类型与机理探讨[J].西安,公路交通科技(应用技术版),2006年第03期
[4]湿陷性黄土地区建筑规范（GB 50025-2004）
作者简介
梁烈，男，汉族，甘肃通渭人，甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司，工程师。