郑万铁路膨胀土明洞设计

戴林发宝，龚彦峰，邓朝辉

（1.水下隧道技术国家地方联合工程研究中心，湖北 武汉430063；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司 隧道设计研究院，湖北 武汉430063）

0 引言

膨胀土是由亲水性矿物质组成的黏粒性土，具有显著的吸水膨胀、失水收缩、裂隙杂乱分布等特征［1-2］。在我国，膨胀土广泛分布于云南、贵州、四川、湖北、河南、安徽、河北、山东、陕西等22个省区［3］。在膨胀土地区修建隧道常会出现岩体恶性变形、二次衬砌混凝土塌落、地面开裂和隆起、洞内渗漏水、甚至隧道坍塌冒顶等病害［3］。

目前，国内已有许多学者对膨胀土地区隧道进行了相关研究。张永平［4］介绍了安康膨胀土隧道的设计和施工方法。杨军平等［5］总结了干湿交替条件下南宁地区膨胀围岩的涨缩演变规律和力学性态。朱经志［6］通过研究云桂铁路膨胀土隧道，得出边坡开挖和土体降雨增湿膨胀是洞口边仰坡垮塌的主要原因。叶万军等［7］以银西高铁庆阳膨胀性红黏土隧道为背景研究了不同含水率作用下隧道围岩压力、衬砌结构内力与变形量值的重分布规律。曾仲毅等［8］分析了增湿条件下支护结构受力变形随含水率分布及膨胀力大小的变化规律并得出对隧道支护结构造成不良影响的关键含水率和膨胀力值。余泽新等［9］论述了降雨入渗对膨胀土隧道衬砌结构安全性的影响。张毅等［10］以三淅高速公路李家坪隧道膨胀土软弱围岩为研究对象，通过室内试验研究围岩力学特性并指出隧道塌方的原因是雨季施工造成膨胀土含水量增大，巨大的膨胀力和支护体系薄弱，造成隧道冒顶塌方。李树忱等［11］提出了铁路膨胀土隧道围岩级别划分的细化标准。刘建国等［12］分析了昆明呈贡隧道开挖及支护的稳定性，提出了控制变形的措施。

可见，膨胀土隧道现有的研究主要集中于暗挖法隧道，明洞工程极少。因此以明洞工程为研究对象，依托郑万铁路孝山明洞工点，探讨膨胀土地区高速铁路明洞设计。

郑万铁路DK96+450—DK97+365段位于河南省禹州市褚河镇，禹州地区是河南省的典型膨胀土地区［13-14］，对于该区膨胀土，国内学者已做过较多深入研究［15-19］。孝山明洞场地主要土层为第四系上更新统粉质黏土，局部夹卵砾石，压缩性中等，具弱～中等膨胀性，个别强膨胀性，边坡稳定性差（见图1）。室内试验显示，该段膨胀土膨胀力一般为17～90 kPa、个别为101、126 kPa。

该段工点在施工咨询前按路基设计，属于深路堑，边坡高度20 m。我国在总结膨胀土地区铁路建设的经验时有“逢堑必滑，无堤不塌”之说［20］，在膨胀土地段即使很缓的边坡，仍会发生滑塌。在强膨胀土地段修建高速铁路高边坡路堑，边坡的稳定性难以保证，将为高速铁路运营带来风险。因此在最终的施工图设计中，该段工点由路堑改为明洞设计。

2 边坡防护与加固设计

明洞工程具有隧道工程的特点，同时又有边坡工程的特点。膨胀土边坡的稳定问题往往是“逢堑必滑”，对工程的危害极大［21-22］。因此防治膨胀土滑坡必须贯彻“先发治坡、以防为主”的总原则［20］，这一点同样适用于明洞边坡。边坡防护与加固设计包括坡面防护和支挡防护。常用的坡面防护形式有骨架护坡、片石护坡、植被护坡。对于强膨胀土或中等膨胀土的边坡，仅坡面防护通常是不够的。为防止边坡滑塌失稳，往往需要设置支挡结构。支挡结构包括框架锚杆、挡土墙、抗滑桩等。值得注意的是，支挡结构计算应考虑水平膨胀力，根据室内试验，孝山明洞水平膨胀力取30 kPa。完全放坡开挖很难保证基坑稳定性，而钻孔桩围护因主体采用马蹄形结构将导致难以实施支撑，因此针对不同的埋深和结构特点，结合膨胀土特性，明洞进口段采用挡土墙+锚杆框架梁的支护方式（见图2），一级边坡坡率1∶2，二级边坡坡率1∶2.25，边坡采用8 m框架锚杆加固。在其他地方采用抗滑桩+锚杆框架梁的防护形式，临时边坡坡率1∶1.5，永久边坡坡率1∶1.75，左边坡支护方式见图3。

图2 挡土墙+锚杆框架梁边坡支护

图3 矩形桩+双排桩+锚杆框架梁边坡支护

当施工至DK96+787—878段时，发现该段钙质胶结增多，且位置分布和厚度大小无规律，人工挖孔桩成孔困难，于是该段变更为采用双排直径1 000 mm钻孔灌注桩，间距1 200 mm（中对中），排距3.5 m。变更后，施工进度大幅度提升。右边坡矩形桩+双排桩+锚杆框架梁边坡支护方式见图3。

3 主体结构设计与基底处理

3.1 主体结构设计

对于主体结构断面形状，圆形最优，其次为马蹄形曲墙，隧底应设置仰拱，形成封闭结构［3］。因孝山明洞两侧均设置了支挡结构，结构侧向压力得到很大缓解，采用了直墙+曲拱+仰拱断面。与常规高铁隧道不同的是，增大仰拱曲率，加大仰拱深度，降低膨胀土影响。禹州地区大气影响深度4 m，大气影响急剧层深度1.8 m，工程将内轮廓底部矢高由常规隧道的180 cm调整至205 cm。

孝山明洞上方有2条规划道路，祥云大道延长线从隧道进口附近上方通过，工业大道从出口附近上方通过，道路设计标准为一级公路，隧道埋深为3～10 m。经有限元计算，典型的隧道断面设计见图4。

图4 孝山明洞断面设计

3.2 基底处理

膨胀土隧道的危害包括2个方面，一方面是隧道围岩变形，包括围岩裂缝、围岩膨胀突出、导坑下沉、坍塌与冒顶、底鼓等；另一方面是隧道衬砌变形，包括拱圈变形、边墙变形、拱墙变形、底板变形［3］。因孝山明洞双侧均设置了支挡结构，较可能出现的病害为围岩底鼓和底板变形。

目前，膨胀土地基处理方法包括夯实法、物理改良法、保湿法、化学改良法、换土法和生物改良法、桩基础。在明洞洞口段，因结构重量较轻，覆土较薄，结构重力与覆土重力之和小于竖向膨胀力，故采用抗拔桩结构（见图5）。

图5 洞口抗拔桩设计

在孝山明洞洞身部位，覆土较厚，结构厚度大，上覆土和结构的重力足以抵抗膨胀力，因此仅需采取基底土换填的方法，以消除可能的上拱病害。根据相关专业提供水位资料，设计采用了1～2 m厚C20片石混凝土进行换填（见图6）。

4 防排水设计

膨胀土因吸水膨胀、失水收缩的特性，常有“无水不滑”之说［20］。对膨胀土地区明洞，治理膨胀土必先治水，治水在于“防水保湿”处理。

排水是膨胀土边坡防治的重中之重，是边坡防治的中心［21］。孝山明洞排水措施包括地表排水和地下水排放。地表排水包括洞顶、边坡、基坑、侧沟、中心沟、管沟排水。地下水排水包括盲管排水和仰斜孔排水等。

图6 明洞基底换填

洞顶排水措施：明洞开挖边坡以外设置天沟，其沟底坡度与线路坡度一致，当出洞方向为上坡端，其沟底应做成坡度值不小于2%的反坡；取消洞顶水沟，明洞顶填土应至少回填至原地面高度，明洞顶回填土表面做成不小于2%的人字坡，以利排水至两侧截水天沟。

边坡排水措施：明洞开挖临时边坡较高地段应分级开挖，每级边坡高度不超过8 m，每级边坡顶部设置宽3 m平台，平台靠山体侧设置40 cm（宽）×40 cm（深）的临时排水沟，将边坡渗水及表水截留并沿边坡纵向引排至地势较低地段的边坡以外排放。临时排水沟沟身采用C20喷射混凝土。

基坑排水措施：明洞基坑开挖后，做好坑内纵向临时排水沟，并在基坑底较低侧隧道衬砌轮廓以外设置积水坑，用于汇集基坑渗水及流入的表水，并进行不间断抽排，基坑底不得积水，避免积水对基坑底的长期浸泡，软化基底。积水坑长×宽×深=1.5 m×1.5 m×1.0 m，纵向每40～50 m设置1处，积水坑壁及坑底采用15 cm厚的C25混凝土浇筑。

管沟排水措施：孝山明洞纵坡为单面坡，明洞进口端高洞口段路堑长度725 m，线路纵坡25‰，若采取反坡排水，水沟深度达19.5 m，不可能实施；同时路堑水不能通过隧道，包括路基侧沟和天沟水均不得流入隧道。因此，为从源头上消除水影响，需要在隧道进口外40 m以上设置集水池，通过排水管道，将路基水排至线外，且进口引水管道应在雨季前实施。

盲管排水措施：拱脚应设置竖向排水管和纵向排水管，竖向排水管采用直径50 mm打孔波纹管、纵向排水管采用HDPE107/93双壁打孔波纹管，两者采用三通连接，竖向排水管纵向间距4 m并根据水位调整，纵向排水管按模板分段，两端接入侧沟。

孝山明洞防水措施包括提高混凝土抗渗等级、设置黏土隔水层、防水涂料、防水板、土工布、止水带和止水胶。

（1）混凝土抗渗等级。孝山明洞地下水具有氯盐侵蚀性，氯盐环境作用等级为L1，明洞衬砌结构采用的混凝土抗渗等级提高到P10。

（2）洞顶隔水层铺设。隔水层应优先选用黏土隔水层，当黏土取材不便时可采用带绿色防护的复合隔水层，以最大限度减少工程对环境的影响或满足地表复耕需要。隔水层与边坡、防水层与边坡均应搭接良好，接缝材料的延伸性应良好，以形成弹性连接，防止不均匀沉陷，造成拉剪破坏。

（3）土石回填前，结构外缘依次设置水泥基渗透结晶防水涂料、M10砂浆找平层、EVA防水板、土工布。

（4）环向施工缝、变形缝处设置中埋式橡胶止水带、背贴式橡胶止水带。纵向施工缝处设置钢边橡胶止水带和水泥基渗透结晶防水涂料。

5 明洞回填材料选择

孝山明洞开挖后需回填，回填土密实度不小于0.8，粒径≤15 cm，并不得含有石块、碎砖、灰渣及有机杂物，也不得采用带有膨胀性的黏土。因此原土应采用改良的方法消除膨胀性。膨胀土改良剂既有石灰、水泥、粉煤灰等无机改良剂，也有丙烯盐酸类、烯类和胺类等有机改良剂［23-24］，其中石灰改良是较简单经济的方法。

石灰的掺入量一般为2%～8%［25］。很多学者进行过深入研究。崔伟等［26］通过膨胀土石灰改性试验，分析得出石灰剂量的最佳配比为6%。陈善雄等［27］通过试验得出中膨胀土石灰改性的质量掺合比宜按5%控制。程平等［28］通过试验得出最佳掺灰量与土的膨胀性相关，中等膨胀土8%、弱膨胀土5%。侯合明等［24］认为禹州地区弱膨胀土的最佳掺灰比为4%。孝山明洞膨胀土具有中等膨胀趋势，试验得出其最佳掺量为5%。石灰宜采用熟石灰粉，施工时土粒最大粒径不应大于15 mm，并控制其含水量，拌和均匀，分层压实［29］。

明洞回填时，填土顶面应设置复合隔水层，填土底面应设置反滤层（见图7）。

6 明洞上拱及其机理分析

隧底填充或底板施工完成后，每处变形缝两侧各设置1个观测断面，每个观测断面在仰拱两侧及中间附近布设沉降变形观测点。孝山明洞共计变形缝39个，观测断面78个，观测点234个。观测设置见图8。

图7 隔水层和反滤

图8 沉降观测点设置

按照沉降变形观测评估细则对仰拱进行沉降观测，截至2018年4月18日，孝山明洞共设置监测断面59个，合计177个测点，累计监测42期，经数据分析显示42个断面存在上拱趋势，上拱断面数占71.2%，最大上拱量为2.8 mm，位于DK96+487监测断面。经进一步分析，孝山明洞上拱原因有以下几点：

（1）现场取土试验结果表明：场地膨胀土分布范围广，存在钙质结核，土体风化程度不同。因此，场地内膨胀土的膨胀力差异性也较大，强、中、弱并存，膨胀力也会存在较大差别。场地最大的竖向膨胀力为258.2 kPa，最小的竖向膨胀力为32.5 kPa。这与原来的室内试验有一定差别。

（2）明洞采用大拉槽的方式开挖，开挖后基底长期处于晾晒状态，土体失水收缩。

（3）明洞进口端高洞口段路堑长度725 m，线路纵坡25‰，2017年雨季，禹州地区降水量大，持续时间长，而此时用于排水的管涵还未施工，导致大量水涌入明洞，土体膨胀。

（4）明洞主体结构施作后，未及时回填，明洞结构重力尚不足以抑制竖向膨胀力，最终导致明洞上拱。

虽然明洞产生了一定上拱，但上拱量不足3 mm，尚不构成安全威胁。为进一步确保明洞安全，提出4点措施：①2018年雨季来临之前，完成管涵施工。②分段浇筑，分段回填。③在实测膨胀力较大区域进行加固，采用侧墙锚固，与加深覆土相结合，加强地表防排水，加强明洞边墙外侧防排水系统等。④加强隧道沉降和地下水水位监控量测。

措施实施后，从2018年至施工结束，孝山明洞沉降监测数据均处于正常状态。

7 结论

依托郑万铁路孝山明洞工点，从边坡防护与加固设计、主体结构设计、基底处理、防排水设计、明洞回填材料、监控量测等方面详细阐述膨胀土地区明洞设计；此外，分析了施工期间孝山明洞仰拱上拱原因与解决对策；对于膨胀土地区修建明洞，总结如下：

（1）对于膨胀土地区明洞设计，除了需要常规的膨胀土物理力学指标，如黏聚力、摩擦角、自由膨胀率、膨胀力外，还应提供用于支挡结构计算的水平膨胀力。

（2）对于明洞边坡设计，不能仅依靠放缓坡率获得稳定边坡，应根据不同地形条件和膨胀土的强弱选取不同的支挡结构，在孝山明洞边坡设计中，采用挡墙与边坡结合、抗滑桩与边坡结合以及双排桩与放坡的结合，取得了较好效果。

（3）对于明洞主体结构，因双侧设有支挡结构，主要的病害为结构上拱和底板变形，因此基底处理是关键，孝山明洞通过在洞口无覆土段设置抗拔桩，洞身段底部设置换填等基底处理措施，此外也通过增加仰拱矢跨比、增大覆土厚度等措施抵抗竖向膨胀力。

（4）膨胀土失水收缩、遇水膨胀，因此治理膨胀土的关键是“防水保湿”处理。设置完整的防排水系统，包括地表排水系统、地下水排水系统、基坑临时排水系统、结构防水系统，确保隧底膨胀土含水量不发生显著变化。