郑西客专黄土隧道基础沉降问题研究

摘 要：郑西客专黄土隧道基础的工后沉降是本线的重大技术问题之一，通过对黄土隧道的沉降问题进行分析，提出客运专线隧道工程的沉降控制参考标准，并对黄土隧道基础处理原则及处理措施进行了探讨。对郑西客运专线黄土隧道及类似工程设计具有指导意义。

关键词 郑西客专 黄土隧道基础 沉降研究

中图分类号：TB21 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（a）-0-02

客运专线不同于普通铁路的一个最大的特征之一，在于线路的高度平顺性及对线下工程严格的工后沉降要求，故站前专业的设计重点之一在于，如何把各种构筑物的工后沉降控制在允许范围之内。郑西客专位于我国黄土分布的核心范围，全线总延长77 km隧道，其中五十公里为开挖面积约163 m2的Q3、Q2新老黄土隧道（已建黄土隧道最大开挖断面不到140 m2，而且修建较少）。与以往黄土地区修建的铁路隧道相比，本线黄土隧道具有断面大、穿黄土段落长、地质复杂的特点。郑西客专黄土隧道从工程地质上分具体有以下三个难点：函谷关隧道全长7851 m，为国内最长的黄土隧道，该隧道位于黄土台塬及其斜坡地带，最大埋深220 m，隧道洞身大部分为砂质黄土，土体稳定性差[1]，以该隧道为代表的长大砂质黄土隧道修建技术；张茅隧道全长8483 m，出口3km范围黄土隧道位于地下水位线以下，土体含水量超过以往的富水黄土隧道，达饱和含水量[1]，施工极其困难，以张茅隧道为代表的长大富水黄土隧道修建技术；阌乡隧道全长770 m，埋深30 m，进出口较长段落均位于湿陷性黄土范围，而且湿陷性土层厚度达25 m[1]，以该隧道为代表的湿陷性黄土隧道基础处理，是郑西客专黄土隧道修建的又一技术难题。郑西客专黄土隧道的大规模修建，无疑是我国黄土隧道建设的一个新台阶。我国学者对黄土隧道进行过大量研究工作：铁路部门：上世纪60年代铁道部成立黄土双线隧道现场设计研究组，对陇海线三门峡～潼关段13座出现裂缝的黄土双线隧道进行试验研究；八十年代铁科院在大秦线对浅埋黄土隧道做过大断面开挖与喷锚支护的研究；1989年中铁隧道局主持“浅埋黄土质双线铁路隧道施工新技术”研究；九十年代修建的宝中线、神延线、神朔线、西延线、朔黄线等出现了大量的单线及部分双线黄土隧道，神延铁路公司与西南交通大学“黄土隧道施工研究”；1999年铁一局主持“大跨度黄土隧道新奥法施工综合技术研究”。公路部门：随着近些年西北高速公路的大量修建，公路系统针对双车道公路隧道（开挖断面105 m2）做过较多的研究。如2000年～2001年甘肃省交通厅与长安大学“公路黄土隧道围岩特性及支衬结构受力性状研究”；黄陵延安高速公路公司与长安大学“黄土隧道结构设计与施工控制研究”。在黄土隧道基础加固方面，甘肃省交通厅与长安大学及中铁19局完成“土家湾隧道软黄土地基加固技术试验研究”。按《客运专线无碴轨道铁路设计指南》（以下简称《指南》），路基工后沉降不应大于15 mm，长度大于20 m的路基，允许的最大工后沉降量为30 mm；桥梁墩台均匀沉降量不大于20 mm；涵洞的地基为压缩性土地层时，其工后沉降量不应大于30 mm。而该《指南》对隧道只要求底部加仰拱，对沉降并未做明确规定[2]。主要由于隧道是深埋于地下的封闭结构，土体处于三轴压缩状态，工后沉降量一般很小。黄土隧道同样有沉降问题，隧道结构不同于桥涵、路基，隧道的沉降要求有其自身的特点。据我国学者对黄土的研究，在一定压应力作用下，黄土变形大体有四种形式：弹性变形、压密变形、塑性变形和蠕变变形。黄土是一种天然状态下结构比较强的土质，常处于欠压密状态，主要为压密变形，而压密变形又表现为压缩变形和湿陷变形[3]。故当隧道基底为非湿陷性黄土时，隧道底部黄土变形主要为压缩变形；当隧道基底为湿陷性黄土时，必须考虑消除黄土的湿陷性。

1 已建铁路、公路黄土隧道基础处理情况

2 郑西客专黄土隧道沉降计算

采用大型有限差分软件对地基处理的工后沉降进行计算。造成工后沉降的荷载取为列车荷载与钢轨荷载，按ZK标准活荷载图示考虑，并考虑列车的振动造成的动力效应。

2.1 荷载计算

2.2 隧道沉降计算

2.2.1 计算方法及模型描述

本计算选取富村二号隧道的Ⅴ级黄土加强段，埋深为10 m，根据实际地形建模，先生成初始应力场，施做二次衬砌并且进行隧底填充（模型上未建道板及轨道），然后追加道板及轨道的荷载，最后位移置0，追加列车荷载。沿横截面方向左右各取70 m，约5倍洞径左右；隧底以下取45 m；为简化计算隧道纵向长度方向取10 m。

2.2.2 施做道板及轨道后的沉降

3 黄土隧道基础沉降现场量测情况

4 郑西客专黄土隧道工后沉降分析

由于《指南》对隧道工后沉降没有明确的规定，但是通过理论分析或有限元计算均表明，各种地层的隧道均有工后变形问题，只是大小不一样。隧道是一个埋藏于山体内的连续及封闭的刚性结构物，特别在土石分界或新老黄土分界处，如果有即使很微小的不均匀沉降，则结构很可能产生开裂病害。而桥涵（连续刚构除外）、路基是开放体系，若基础发生沉降，则只对线型有影响，一般结构部分没问题。

客运专线建设大家更关心的是路基和桥涵的工后沉降问题，对隧道工程的沉降关注不多。过去我们修普速铁路对这个问题研究的不是很深，对于岩石隧道若洞口有土层，往往对土质隧道基础进行特殊处理，土石分界处设沉降缝的方法，其目的主要是防止衬砌开裂，而较少考虑隧道的下沉量问题，认为即使隧道下沉可以通过预留沉落量、调整道碴高度等措施解决。而对于整个隧道位于土层中，则一般不考虑基础处理，认为隧道即使有沉降也是均匀沉降，结构不会有问题。基础承载力、结构下沉及衬砌开裂三个概念在隧道设计中应该澄清一下，基础承载力不够并不能理解为结构一定会下沉（土体比较密实的情况）。而基础承载力不够对隧道结构本身不利，因为基底会发生应力重分布现象，如果结构刚度不够，可能就要发生开裂。

《指南》对隧道工程没有明确规定工后沉降量，关于隧道的工后沉降，笔者认为：应当首先以不超过路基工后沉降，并且应满足隧道在发生微小沉降时，结构不致破坏为

原则。

5 郑西客专黄土隧道基础处理方案

对于郑西客专黄土隧道基础处理，由于隧道工程和路基、桥涵工程不一样，衬砌施工后背后土体始终处于三轴压缩状态，限制了土体的变形，土体体积如果结构没有破坏，则体积也不会有变化，微小的工后沉降以黄土的压缩变形为主，一般洞身地段老黄土可压缩性很小。目前有种观点认为：隧道基础以下土体已经承受了几百万年的上覆土体的重量，这个重量远大于围岩压力+隧道自重+列车荷载。

（1）关于湿陷性黄土基础处理

对于隧道洞口及浅埋段，往往为新黄土，形成年代较近，结构疏松，力学性质差及一般均有一定的湿陷性，处理措施主要目的在于消除黄土的湿陷性。

《湿陷性黄土地区建筑规范》（以下简称《黄土规范》）强制规定：甲类建筑应消除地基的全部湿陷量或采用桩基础穿透全部湿陷性黄土层，或将基础设置在非湿陷性黄土层上[4]。无疑客运专线应属甲类建筑。因此按照《黄土规范》：湿陷性黄土隧道基础处理应穿透基底以下全部湿陷性黄土层。而该规范编制时针对的多是湿陷厚度小于二十米的楼房建筑，基于全部处理湿陷性土层后投资增加不大的情况。郑西线部分黄土隧道洞口湿陷层厚度达三十米，是否有必要全部处理，要结合隧道工程荷载及地下水的特征，是值得深入研究的问题。

我国黄土地区基础处理方面用的较多的方法，主要有灰土垫层法、水泥土挤密桩法、桩基础、高压旋喷注浆等。郑西客专黄土隧道采用水泥土挤密桩法，该方法由于采用横向挤压成孔，使得桩间土得以充分挤压，和水泥土桩形成复合地基，这种方法工程量小，效果较好，但隧道内空间有限，特别两边墙脚处不易施工，应有配套的施工机具，同时挤密桩施工对初期支护有一定的扰动影响。郑西客专已经施工了隧道内水泥土挤密桩的情况来看，达到了消除隧底黄土湿陷性的

目的。

（2）施工过程中避免对基础的扰动

6 结语

通过以上分析得出以下几点结论：

（1）隧道工程的沉降控制标准：应当以不超过路基工后沉降，并且应满足隧道在发生微小沉降时，结构不破坏的原则作为客运专线隧道工后沉降设计控制值有一定的参考价值；（2）计算结果说明郑西客专黄土隧道沉降量满足无碴轨道工后沉降要求；（3）郑西客运专线黄土隧道基础处理应以消除洞口新黄土湿陷性为目的，水泥土挤密桩法可以作为隧道内消除黄土湿陷性的工程措施；（4）黄土隧道基础施工过程中的关键工序为：清楚干净基底虚土，防止水浸泡。（5）无碴轨道铺设应在隧道基础沉降稳定后，并对隧道基础沉降作系统的评估，确认其工后沉降符合设计要求后方能实施。

参考文献

[1] 中铁二院工程集团有限责任公司[J].成都：郑西客专隧道施工图，2006（3）.

[2] 铁建设函[2005]754号.客运专线无碴轨道铁路设计指南[J].铁道科学研究院，2005（10）.

[3] 刘祖典.黄土力学与工程[J].西安理工大学，1996（19）.

[4] GB50025-2004.湿馅性黄土地区建筑规范[M].北京：中国计划出版社，1992.