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摘要
本文结合已有研究，针对黄土地区隧道的病害类型与机理、锚杆作用机制及黄土隧道中基底加固方法三个问题进行了讨论与总结。
关键词：黄土隧道；病害；锚杆作用机制；基底加固；
中图分类号： U45 文献标识码： A
一、引言
近年来伴随着我国西部建设事业的蓬勃发展，黄土地区隧道数量不断增加，黄土本身的特殊性使得黄土隧道长久以来都是学术界与工程界关注的热点，然而针对黄土隧道的设计到施工至今仍未形成一套完整的理论体系，如果说基于新奥法理念之上的岩石隧道发展已逐渐处于成熟，那么对于黄土隧道的研究可以说仍处在初级阶段且需要大量的理论研究与工程实践，基于上述情况，本文结合已有研究成果对黄土隧道中三个问题进行了讨论与总结，以供参考交流。
二、黄土隧道病害类型与产生机理
2.1塌方
塌方是黄土隧道施工过程中危害最严重的病害之一，塌方一旦发生，施工进度将会受到严重影响。塌方主要发生在隧道进出口浅埋段与地质条件突变处（黄土与基岩、泥质夹心交界处），其中浅埋段塌方多贯通到地表形成大型漏斗，而深埋处的隧道塌方一般为局部塌落。
机理分析：一方面，黄土自身强度低，开挖后由于施工的扰动在一定范围内形成松弛区，随着松弛区的扩大围岩整体性不断下降、围岩压力增大，从而松动围岩形成脱离体掉落并在新的截面形成新的松弛区导致恶性循环，最终导致大面积塌方；另一方面，黄土垂直节理发育，垂直方向渗透性强，从而地表水快速下渗，在黄土深处形成饱水区造成湿陷，一旦隧道经过饱水层，围岩即失去下部支撑而塌陷。
2.2渗水漏水
隧道渗水漏水也是黄土隧道中较为普遍的病害，其多发生在含水率较大或降水较多的黄土隧道中，在部分隧道内表现为开挖过程中的大量涌水，也有的黄土隧道在修建过程中无水却在运营一段时间后发生渗漏。渗漏对于隧道的危害是多方面的，主要表现为对围岩结构的破坏、对衬砌的腐蚀、对洞内用电设备的干扰以及对路面的破坏造成的交通隐患等。
机理分析：前已述及，黄土本身多空隙或大孔隙骨架式的結构类型与垂直节理发育的构造形式使得垂直方向的透水性很大，地表水可以很快深入到黄土内部并富集于二元结构界面上，在隧道上方形成汇水区；从开挖扰动的角度分析，黄土隧道地层在开挖前为一封闭水环境、地下水基本处于天然的平衡状态，开挖成洞后在开挖出形成新的渗流边界、原有的平衡被打破，而有分析表明黄土隧道在开挖后其周围水力传导系数在距洞壁1m范围内明显增大，因此可以认为在隧道开挖后在其上方形成一条汇水走廊，加速了渗水漏水的发生。
2.3衬砌开裂
该种病害在施工期间与运营过程中均有发生，多存在于进出口段，其主要表现形式为二次衬砌环向开裂或初期支护的开裂变形，部分还产生拱顶、边墙或路面的开裂。
机理分析：黄土地区隧道多表现出浅埋特征，加之黄土隧道的特殊性，作用于衬砌体上的围岩压力主要来自上覆土体的自重力，而由于黄土垂直节理发育的特点导致其水平侧压较小，从隧道结构力学的角度分析：竖向围岩压力越大，侧压力越小，则衬砌各个截面处的弯矩越大、轴力越小，从而衬砌更容易由压控制转变为受拉控制，造成开裂；同时，隧道上方富集的大量地下水所施加的附加水压力也进一步增大了衬砌上方竖直压力，加速了这一过程。
三、黄土隧道中锚杆作用机制
黄土地区隧道的锚杆作用问题曾在很长一段时间内成为学术界和工程界争论的热点，部分人认为黄土隧道中设置锚杆起不到预定作用，而另一部分人则持相反观点，相关学者基于大量工程经验、通过理论分析和现场测试相结合的方法后得出黄土隧道中无需设置系统锚杆、但有必要设置拱脚锚杆的结论，这也逐渐成为学术界和工程界较为认同的观点。
研究黄土隧道中锚杆的作用首先应分析锚杆产生作用的两个条件：①锚杆一端嵌入深处稳定岩体形成锚固段；②与塑性区围岩之间产生足够的粘结力。而在黄土隧道特殊的围岩条件线能否满足上述两个基本条件便成为问题的关键点，在此分析的基础上相关学者在某黄土隧道的3个断面中埋设多根测力锚杆并进行了现场受力测试，分析结果后得出以下规律：
①拱部锚杆大多数受压，只有少数截面受拉且应力较小；
②拱脚锚杆以手拉为主；
③拱脚锚杆应力大于拱部锚杆应力；
此规律说明取消系统锚杆代以锁脚锚杆是合理的。
在现场测试结论的基础上进一步分析其内因：首先，黄土隧道开挖后对围岩扰动较大，有测试表明两车道公路黄土隧道开挖后仅边墙处塑性区深度都达到3m；其次，黄土隧道多表现浅埋性质，现场调查发现即使在埋深40m的黄土隧道地表也会产生沉降裂缝，也就是说其拱部土体发生的是整体沉降，其中的锚杆不会发生相对变形；另外现场的锚杆拉拔试验表明黄土中锚杆拉拔力仅有30KN左右，远远达不到设计要求；综上，从必须有锚固段和在破碎岩体中形成粘结力两方面黄土隧道都无法满足系统锚杆产生作用所需要的条件。
三、湿陷性黄土隧道基地加固方式
黄土地层结构特殊、受力性能差的特点使得黄土隧道基地产生过量的压缩变形与湿陷变形，不但不能满足如今高速行车对于路面沉降的高标准要求，还会影响隧道结构体的受力方式，带来安全隐患。与地面工程中对于湿陷黄土基地的处理方式相比，隧道内施工空间小与围岩对振动敏感性高的特点限制了黄土隧道中基底处理方法的选择。本文主要介绍以下两种多用于黄土隧道基底加固的方式：
（1）旋喷桩：即利用钻机将注浆管钻至预定深度，以高压设备将浆液旋转喷出，同时提升钻杆，在地基深处将土与浆液强制搅拌达到改善其性能的目的。旋喷桩加固机理主要为高压喷射流对土体的破坏作用、混合搅拌作用、置换作用、充填渗透固结作用及对桩间土的压密作用。其优点在于施工作业、设备简单，工期易于控制。
（2）树根桩：为一种小型钻孔灌注桩，其特点在于布桩方式较灵活，可采用垂直、倾斜设置，也可采用网状布置，这种桩的优点在于承载力高，沉降量低，对于围岩的扰动小，施工简单，经济性高等，但由于其在近几年才开始尝试用于黄土隧道，目前理论研究落后于实际。
无论用上述方式还是其它基底处理方式，在实际应用中都应具体情况具体分析，根据工程实际合理的选择加固方式并确定设计参数，对此本文不再过多讨论。
四、结语
黄土隧道的设计与施工时目前隧道建设中的一个问题集中点，解决其中的问题首先应该充分了解黄土的特性，并理论结合实际，只有如此才可以逐渐形成黄土隧道的完整理论体系，使我国的隧道建设事业更加完善。
参考文献
[1] 来弘鹏，杨晓华.黄土隧道病害类型及机理探讨[J].公路交通科技（应用技术版），2006（3）
[2] 陈建勋，乔 雄，王梦恕.黄土隧道锚杆受力与作用机制[J].岩石力学与工程学报，2011,8（30）.
[3] 马建强.论述湿陷性黄土基地加固方法[J].中国新技术新产品，2013（6）
本文结合已有研究，针对黄土地区隧道的病害类型与机理、锚杆作用机制及黄土隧道中基底加固方法三个问题进行了讨论与总结。
关键词：黄土隧道；病害；锚杆作用机制；基底加固；
中图分类号： U45 文献标识码： A
一、引言
近年来伴随着我国西部建设事业的蓬勃发展，黄土地区隧道数量不断增加，黄土本身的特殊性使得黄土隧道长久以来都是学术界与工程界关注的热点，然而针对黄土隧道的设计到施工至今仍未形成一套完整的理论体系，如果说基于新奥法理念之上的岩石隧道发展已逐渐处于成熟，那么对于黄土隧道的研究可以说仍处在初级阶段且需要大量的理论研究与工程实践，基于上述情况，本文结合已有研究成果对黄土隧道中三个问题进行了讨论与总结，以供参考交流。
二、黄土隧道病害类型与产生机理
2.1塌方
塌方是黄土隧道施工过程中危害最严重的病害之一，塌方一旦发生，施工进度将会受到严重影响。塌方主要发生在隧道进出口浅埋段与地质条件突变处（黄土与基岩、泥质夹心交界处），其中浅埋段塌方多贯通到地表形成大型漏斗，而深埋处的隧道塌方一般为局部塌落。
机理分析：一方面，黄土自身强度低，开挖后由于施工的扰动在一定范围内形成松弛区，随着松弛区的扩大围岩整体性不断下降、围岩压力增大，从而松动围岩形成脱离体掉落并在新的截面形成新的松弛区导致恶性循环，最终导致大面积塌方；另一方面，黄土垂直节理发育，垂直方向渗透性强，从而地表水快速下渗，在黄土深处形成饱水区造成湿陷，一旦隧道经过饱水层，围岩即失去下部支撑而塌陷。
2.2渗水漏水
隧道渗水漏水也是黄土隧道中较为普遍的病害，其多发生在含水率较大或降水较多的黄土隧道中，在部分隧道内表现为开挖过程中的大量涌水，也有的黄土隧道在修建过程中无水却在运营一段时间后发生渗漏。渗漏对于隧道的危害是多方面的，主要表现为对围岩结构的破坏、对衬砌的腐蚀、对洞内用电设备的干扰以及对路面的破坏造成的交通隐患等。
机理分析：前已述及，黄土本身多空隙或大孔隙骨架式的結构类型与垂直节理发育的构造形式使得垂直方向的透水性很大，地表水可以很快深入到黄土内部并富集于二元结构界面上，在隧道上方形成汇水区；从开挖扰动的角度分析，黄土隧道地层在开挖前为一封闭水环境、地下水基本处于天然的平衡状态，开挖成洞后在开挖出形成新的渗流边界、原有的平衡被打破，而有分析表明黄土隧道在开挖后其周围水力传导系数在距洞壁1m范围内明显增大，因此可以认为在隧道开挖后在其上方形成一条汇水走廊，加速了渗水漏水的发生。
2.3衬砌开裂
该种病害在施工期间与运营过程中均有发生，多存在于进出口段，其主要表现形式为二次衬砌环向开裂或初期支护的开裂变形，部分还产生拱顶、边墙或路面的开裂。
机理分析：黄土地区隧道多表现出浅埋特征，加之黄土隧道的特殊性，作用于衬砌体上的围岩压力主要来自上覆土体的自重力，而由于黄土垂直节理发育的特点导致其水平侧压较小，从隧道结构力学的角度分析：竖向围岩压力越大，侧压力越小，则衬砌各个截面处的弯矩越大、轴力越小，从而衬砌更容易由压控制转变为受拉控制，造成开裂；同时，隧道上方富集的大量地下水所施加的附加水压力也进一步增大了衬砌上方竖直压力，加速了这一过程。
三、黄土隧道中锚杆作用机制
黄土地区隧道的锚杆作用问题曾在很长一段时间内成为学术界和工程界争论的热点，部分人认为黄土隧道中设置锚杆起不到预定作用，而另一部分人则持相反观点，相关学者基于大量工程经验、通过理论分析和现场测试相结合的方法后得出黄土隧道中无需设置系统锚杆、但有必要设置拱脚锚杆的结论，这也逐渐成为学术界和工程界较为认同的观点。
研究黄土隧道中锚杆的作用首先应分析锚杆产生作用的两个条件：①锚杆一端嵌入深处稳定岩体形成锚固段；②与塑性区围岩之间产生足够的粘结力。而在黄土隧道特殊的围岩条件线能否满足上述两个基本条件便成为问题的关键点，在此分析的基础上相关学者在某黄土隧道的3个断面中埋设多根测力锚杆并进行了现场受力测试，分析结果后得出以下规律：
①拱部锚杆大多数受压，只有少数截面受拉且应力较小；
②拱脚锚杆以手拉为主；
③拱脚锚杆应力大于拱部锚杆应力；
此规律说明取消系统锚杆代以锁脚锚杆是合理的。
在现场测试结论的基础上进一步分析其内因：首先，黄土隧道开挖后对围岩扰动较大，有测试表明两车道公路黄土隧道开挖后仅边墙处塑性区深度都达到3m；其次，黄土隧道多表现浅埋性质，现场调查发现即使在埋深40m的黄土隧道地表也会产生沉降裂缝，也就是说其拱部土体发生的是整体沉降，其中的锚杆不会发生相对变形；另外现场的锚杆拉拔试验表明黄土中锚杆拉拔力仅有30KN左右，远远达不到设计要求；综上，从必须有锚固段和在破碎岩体中形成粘结力两方面黄土隧道都无法满足系统锚杆产生作用所需要的条件。
三、湿陷性黄土隧道基地加固方式
黄土地层结构特殊、受力性能差的特点使得黄土隧道基地产生过量的压缩变形与湿陷变形，不但不能满足如今高速行车对于路面沉降的高标准要求，还会影响隧道结构体的受力方式，带来安全隐患。与地面工程中对于湿陷黄土基地的处理方式相比，隧道内施工空间小与围岩对振动敏感性高的特点限制了黄土隧道中基底处理方法的选择。本文主要介绍以下两种多用于黄土隧道基底加固的方式：
（1）旋喷桩：即利用钻机将注浆管钻至预定深度，以高压设备将浆液旋转喷出，同时提升钻杆，在地基深处将土与浆液强制搅拌达到改善其性能的目的。旋喷桩加固机理主要为高压喷射流对土体的破坏作用、混合搅拌作用、置换作用、充填渗透固结作用及对桩间土的压密作用。其优点在于施工作业、设备简单，工期易于控制。
（2）树根桩：为一种小型钻孔灌注桩，其特点在于布桩方式较灵活，可采用垂直、倾斜设置，也可采用网状布置，这种桩的优点在于承载力高，沉降量低，对于围岩的扰动小，施工简单，经济性高等，但由于其在近几年才开始尝试用于黄土隧道，目前理论研究落后于实际。
无论用上述方式还是其它基底处理方式，在实际应用中都应具体情况具体分析，根据工程实际合理的选择加固方式并确定设计参数，对此本文不再过多讨论。
四、结语
黄土隧道的设计与施工时目前隧道建设中的一个问题集中点，解决其中的问题首先应该充分了解黄土的特性，并理论结合实际，只有如此才可以逐渐形成黄土隧道的完整理论体系，使我国的隧道建设事业更加完善。
参考文献
[1] 来弘鹏，杨晓华.黄土隧道病害类型及机理探讨[J].公路交通科技（应用技术版），2006（3）
[2] 陈建勋，乔 雄，王梦恕.黄土隧道锚杆受力与作用机制[J].岩石力学与工程学报，2011,8（30）.
[3] 马建强.论述湿陷性黄土基地加固方法[J].中国新技术新产品，2013（6）