试述软弱地基隧道病害防治技术

　　软弱地基是我国极为常见的一种不良地基，由于软土含水量高、孔隙大、抗剪强度低、固结系数小，其物理力学性质差异较大，在软弱地基上构筑基础和建筑物，必须充分考虑变形与稳定性等问题，对其进行加固处理，以提高地基的基础强度和稳定性。修建软弱围岩隧道，除面临成洞困难，支护结构荷载较大，容易出现塌方等困难外，还经常遇到下伏围岩承载力不足的问题。隧道拱脚或隧底地基承载力不足，常引起隧道整体或局部过大沉降，导致支护结构裂损、垮塌或侵入建筑限界等问题，影响施工安全与施工进度和工程质量。

　　一、隧道的工程地质条件

　　以黄土塬梁为例，隧道的出口段该段位于黄土塬梁地带，大崖沟的西侧坡。岩土成分为风积的严重湿陷原生黄土（Q3eol）），呈褐黄色、稍湿、稍密状，其成份以亚粘土为主，次为亚砂土，垂直节理和大孔隙结构明显，属中压缩性土，具Ⅳ级严重湿陷性。此湿陷性黄土地基的主要工程问题就是上部荷载、浸水作用下产生大幅度的不均匀沉降变形，地基承载力大幅度降低，从而导致地基破坏。

　　1、地质构造

　　隧址区位于西宁盆地，在地质构造上位于祁、吕、贺“山”字型构造体系的西翼弧形褶皱带部位，总体褶皱形态表现为复式向斜构造。西宁市位于其复式向斜中的后子河—西宁背斜轴部末端。在燕山运动中，本区发生了断裂凹陷，形成了许多山间盆地，沉积了较厚的第三系泥岩；喜马拉雅运动使第三系地层发生了平缓的褶皱和断裂，以后受长期的侵蚀和剥蚀，堆积了较厚的第四系。据1∶20万青海西宁幅区域地质调查报告分析，隧址区断裂、构造及褶皱不发育，无区域性断裂、无全新活动断裂构造通过。经国家地震局震发防[1996]045号文批准，西宁地区地震设防烈度Ⅶ度。

　　2、隧道的地基工程特性

　　在隧址区通过地调和钻探揭示查明无全新活动断裂构造通过，除大崖沟在1949年曾经发生过一次泥石流外，无其他不良地质作用，隧址稳定性较好，基本适宜建隧道。岩土成分为严重湿陷的黄土，Ⅳ级（很严重）自重湿陷场地，围岩稳定性差，斜坡稳定性较差，为高边坡，施工时易发生变形和坍塌，可能诱发工程滑坡。需对边坡采取加固措施和护坡及截排水沟，并对湿陷性黄土进行处理，洞口稳定性相对较差。

　　通过以上述黄土地基各种处理方法的优缺点的叙述以及对隧道的地质地形构造的概述，充分说明了该隧道部分隧道底部进行地基处理的必要性并且通过专家的研讨比对，为防止隧道在施工和运营过程中产生较大沉降或不均匀沉降，进而引起隧道结构的破坏，根据隧道的实际地质情况，对于承载能力达不到要求的地基的采用旋喷桩加固。

　　二、软弱地基隧道的成因

　　1、隧道开挖对地下水的影响

　　隧道开挖引起围岩应力的释放和重分布。改变围岩的力学特性和水的径流路线，使周围的水向隧道内汇集和积聚，隧道处于地下水的包围中，给隧道渗漏水创造了条件。同时隧道周围地下水渗流场的改变，进一步引起应力场的不断调整，可能引起的局部应力集中、地层不均匀沉降或滑移面活动都将对隧道结构造成破坏，使得衬砌结构出现裂缝等，形成渗漏水通道，使隧道产生渗漏水。

　　2、混凝土施工中产生的渗漏水通道

　　混凝土施工中产生渗漏水通道主要包括以下几个方面的原因，混凝土浇筑时水灰比过大，容易形成开放性毛细泌水管路。

　　混凝土拌合物和易性不佳、混凝土质地不够均匀、水泥浆未能与骨料表面很好粘结、未能很好灌满捣实产生疏松层或留下各种形状的缝隙与孔洞，形成透水缝隙。

　　衬砌混凝土材料中有杂物，腐烂后形成缝隙或孔洞。特别是在两环混凝土接缝部位，由于挡头板未拆除干净，腐烂后形成缝隙而渗水。施工缝、沉降缝、伸缩缝等“三缝”处理不当，产生的漏水缝隙。防水板安装不规范，未处理好防水板的接缝和破损部位，导致渗水、排水管路堵塞。

　　隧底破损或混凝土强度等级不够，基底破损一般是由于仰拱施工时废渣未清理干净或者有积水，仰拱基底厚度不足，经列车反复碾压后，形成翻浆冒泥等现象。混凝土设计等级满足不了现在重载铁路的运营，甚至表面混凝土剥落、钢筋锈蚀等，混凝土碳化深度已达到（部分超过）钢筋保护层厚度，钢筋无碱性混凝土防护，钢筋普遍出现浮锈或锈蚀现象。钢筋锈蚀一方面使得钢筋截面削弱，另一方面影响钢筋与混凝土间黏结性能，并会造成混凝土的开裂剥离，若继续发展下去，耐久性引发的病害将直接影响到结构的承载能力，且病害发展速率将加剧，结构的使用性能将出现衰减。

　　软弱地基隧道也一直未形成明确的定义。一般认为，隧道结构整体或者拱脚处基岩的承载力不足，都可统称为软弱地基隧道。软弱地基隧道主要是由地质或工程条件造成的，常见的原因有软岩、软土、黄土以及工程地质灾害等。

　　软岩主要是指在隧道工程力作用下能产生显著变形的工程岩体，具有软、弱、松、散等低强度的特点。软岩可分为四大类，包括膨胀性软岩、高应力软岩、节理化软岩和复合型软岩。

　　软土主要指天然空隙比较大且含水量较大的细粒土，具有抗剪强度小、渗透系数低、压缩性高的特点。软土包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等。

　　黄土其颗粒大小介于粘土与细砂之间，具有疏松、多孔、湿陷性等特点。当隧道修建于溶洞、滑坡体或采空区上时，由于工程或地质灾害的影响，也会造成隧道下伏围岩承载力的不足。

　　三、软弱地基隧道常见病害

　　隧道病害最直观的表现形式为隧道渗漏水、衬砌开裂、路面下沉或翻浆冒泥等，对其进行整治处理是非常复杂的系统工程，既涵盖设计施工，也涉及营运管理。

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　　软弱地基隧道主要的病害类型有整体下沉、不均匀沉降、底鼓、支护结构损伤、渗漏水、路面破坏、地表沉降及开裂等。

　　病害类型一整体下沉，病害成因其一是洞顶荷载过大。其二是下伏围岩承载力过低。病害表现方式是建筑限界受侵、衬砌错台、衬砌开裂、地表下沉、边仰坡开裂等。

　　病害类型二不均匀沉降，病害成因其一是偏压隧道由于横断面坡度加大而引起的荷载差异。其二是连拱隧道由于中隔墙和左右洞施工工序差异而引起的荷载差异。病害表现方式是施工期间，初期支护纵向、环向裂缝，衬砌基础裂缝、连拱隧道中隔墙裂缝等，运营期间，二衬和路面的裂损。

　　病害类型三底鼓，病害成因由于围岩强度不足，隧道发生沉降时，仰拱底部向上的压力增大，导致底部隆起，即底鼓。病害表现方式是严重的底鼓会加速隧道结构的沉降，引起路面开裂、衬砌开裂、塌方等灾害。

　　病害类型四支护结构损伤，病害成因在隧道整体下沉或不均匀沉降发生时，支护结构也随之变形，从而使支护结构的局部应力超出设计强度，最终导致支护结构的损伤破坏。病害表现方式是衬砌的环向贯通裂缝、45°剪切裂缝，混凝土的开裂，钢支撑扭曲、剪断破坏等。

　　病害类型五渗漏水。病害成因围岩变形产生的空洞和裂缝汇集了地下水，隧道结构裂缝又形成了地下水渗漏通道，使地下水从毛细水现象逐步发展为滴水、线状流水。病害表现方式是主要表现在地下水通过施工缝、衬砌裂缝和混凝土的其他薄弱环节渗出等。

　　病害类型六路面破坏。病害成因在运营期间，由于下伏围岩承载力不足，致使仰拱隆起或路基下沉，从而引起路面破坏，车辆荷载将加速路面的破坏，病害表现方式是路面的不规则裂缝、错台、翻浆冒泥等。

　　四、软弱地基隧道病害的处理原则

　　软弱地基隧道的处理，应按以下原则，先分析后处理：先根据地勘资料及现场情况查找隧道地基承载力不足的原因，确定软弱地基的类型和特征，分析软弱地基对隧道的影响，针对主要影响因素进行处理。其次是早发现早处理：无论是在地质勘察阶段还是在隧道施工阶段，应在最早发现软弱地基和最早具备处理条件时进行隧道软弱地基的处理。对于浅埋隧道，宜在开挖掘进前进行处理；对于主洞施工前无法处理的，应边开挖边处理。再次是一步到位，彻底根治。隧道软弱地基处理应认准软弱地基特征，采取有效措施，一次性将软弱地基问题解决。若不能彻底根治，二次处理实施非常困难，且处理费用大幅增加。多管齐下，综合处理的原则。防止软弱地基隧道的沉降变形，可从提高支护刚度、扩大拱脚、加固地基等方面着手。实际处理时，应从造价、安全、施工难度等因素综合比选处理方案，并兼顾工程的耐久性等。严防地下水的原则，地下水是降低隧道地基承载力的主要因素之一，因此防治软弱地基应选择行之有效的措施，严防地下水渗漏。早封闭早成环：隧道圆形封闭断面所需的承载力明显低于不封闭断面，因此应尽早做隧道仰拱，使初期支护封闭成环。不具备做仰拱的隧道应加设临时仰拱，控制围岩变形。

　　五、软弱地基隧道处治技术

　　软弱地基隧道处治主要在施工和运营两个阶段进行。在施工阶段，主要是通过注浆加固等提高地基承载力，扩大拱脚减小应力，加大初支等提高结构抗变形能力。运营阶段主要是针对隧道后期变形，通过嵌钢拱架、重新修建二衬、整修防排水系统、修补路面等，改善隧道运营环境，提高隧道安全度，恢复运营功能。

　　软基隧道处治技术分为施工期处治技术和运营期处治技术两种技术，其中施工期处治技术包括地基处治技术和结构优化技术，地基处治技术分为松散、裂缝围岩注浆土、黄土高压旋喷注浆、水害处治、地质灾害处治四类。结构优化技术分为扩大拱脚、增设锚杆、设置仰拱、径向锁脚钢管、不均匀沉降预防等。运营期处治技术分为过大沉降处治、结构裂缝处治、渗漏水处治、路面破损处治等。

　　六、软弱地基隧道处治措施

　　1、松散、裂隙围岩注浆

　　通过注浆一方面填充软弱岩土体或节理裂隙发育岩体中的空隙，封闭岩土体中的地表水、地下水渗流路径，防止地表水下渗、地下水浸泡，降低围岩承载力；另一方面将松散的围岩通过注浆胶结成一个整体，进而提高软弱围岩的整体强度和承载力。

　　2、高压旋喷注浆

　　通过高压旋喷注浆对地基加固是地基处理的成熟方法，具有补强、挤密和换填等作用，其常用工艺类型有：单管法、二重管法、三重管法等。

　　3、水害处理

　　一方面对洞口洞身的地表水应加强截水和排水措施，防止地表水下渗引起大变形和坍塌。另一方面应加强隧道衬砌背后的排水系统设计，可采用以下措施。a.减小隧道环向排水管（半圆排水管、盲管等）的敷设间距b.施工缝设置可排水止水带。c.采用分区防水，防止地下水串流d.分段提高纵横向排水管的排水坡度，加快渗水排泄。

　　4、设置仰拱

　　仰拱是设置在隧道底部的反拱形结构，分为临时仰拱和永久仰拱。设置仰拱可提高隧道结构的承载力。

　　5、扩大拱脚

　　扩大拱脚是在隧道初期支护时，有意识地将支护结构底部扩大，通过增大地基承载面积来增大其承载能力。扩大后的拱脚一般不大于原宽度的2倍～2.5倍。

　　6、增设锚杆

　　支护锚杆分为两类：一类是设置在隧道明洞基础或连拱隧道中墙基础中形成复合地基的注浆锚杆，另一类是设置在钢拱架拱脚，埋设在围岩中的锁定锚杆。

　　7、布设锁脚钢管

　　锁脚钢管的布设方法与锁定锚杆类似，但二者的作用机理完全不同。锁定锚杆主要通过其自身的刚度和抗剪强度来抵抗隧道结构的沉降变形，而锁脚钢管主要通过钢管端部承受隧道结构下沉而产生的竖向压力。

　　8、其他处治措施

　　为减少软弱地基隧道的病害，除上述措施外，还可以采取其他辅助措施。通过加强隧道初期支护的纵向连接，来提高初期支护的强度和刚度，减小隧道的纵向变形。控制隧道衬砌基础与拱墙的浇筑长度，对齐衬砌的施工缝、变形缝，防止受力不均匀引起衬砌开裂。进行隧道洞口路基和桥梁的沉降计算，控制洞内外的不均匀沉降，防止隧道洞内外的路面开裂。

　　当下，市场经济的不断发展，使得我国的软弱地基隧道也正在走向完善，那么如何预防和处治软弱地基隧道病害，成为隧道工程设计施工的一个重要课题，那么对形成软弱地基隧道的各种原因进行归纳分析十分的必要，在此基础上提出软一些基本原则显得更为重要了。

　　隧道病害是国内外非常普遍的现象，其原因是多方面的，铁路隧道病害一方面大大降低了铁路等级，一方面直接威胁到隧道的结构和运营安全。铁路近年来的快速发展要求不断提高隧道修建技术水平，避免或减少隧道病害的发生。铁路隧道病害产生的主要原因有地质方面的、施工方面的、设计方面的和人为因素等，要认真地系统地分析。铁路隧道病害整治要各种技术综合运用，由专业队伍来进行，治理的时机最好选择在通车前进行，要坚持“一次根治、不留后患”的治理原则。