湿陷性黄土

一、概念

黄土是在第四纪形成的一种特殊的陆相疏松堆积物，颗粒成分以粉粒为主，富含碳酸钙，多孔隙，颜色一般呈棕黄、黄色或黄褐色。土中含易溶盐类，其中以碳酸盐含量最多，遇水易冲蚀、崩解、湿陷。黄土按其湿陷特征可分为非湿陷性黄土、湿陷性黄土。

湿陷性黄土是一种非饱和的欠压密土，具有大孔和垂直节理，在天然湿度下，其压缩性较低，强度较高，但遇水浸湿时，土的强度显著降低，在附加压力与土的自重压力下引起的湿陷变形，是一种下沉量大、下沉速度快的失稳性变形，对建筑物的危害性大。(湿陷性黄土又分为自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土)。

我国湿陷性黄土的颗粒主要为粉土颗粒，占总重量约50～70％，而粉土颗粒中又以0．05～O ．01ram 的粗粉土颗粒为多，占总重约40.60％，小于0．005ram 的粘土颗粒较少，占总重约14.28％，大于0．1rnm 的细砂颗粒占总重在5％以内，基本上无大于0．25mm 的中砂颗粒。西宁地区的湿陷性黄土是粉质土，且低阶地一般为粉质亚粘土为主，高阶地以粉质亚砂土为主。

西宁市区内的湿陷性黄土进行湿陷类型、湿陷等级划分，河谷低阶地的湿陷性黄一般为I 一Ⅱ级非自重湿陷，高阶地多为Ⅱ级非自重湿陷，洪积裙多为I 一Ⅱ级自重湿陷，黄土丘陵边缘地带多为Ⅲ级自重湿陷。

1.黄土湿陷性判定

通过室内压缩试验在一定压力下的湿陷程度。

湿陷性系数's ()/p p o h h h δ=-

δs ≧0.15 湿陷性黄土

δs<0.15 非湿陷性黄土

2.湿陷类型判别

1）自重湿陷性判别（在饱和自重压力下的湿陷程度）

自重湿陷性系数δzs

δzs ≧0.015 自重湿陷性黄土

δzs<0.015 非自重湿陷性黄土

2）场地湿陷类型（实测自重湿陷量或计算自重湿陷量Δzs ）

s si o i z z h βδ?=∑

Δzs ≧7cm 自重湿陷性黄土场地

Δzs <7cm 非自重湿陷性黄土场地

3.湿陷等级判别（总湿陷量s ?、自重湿陷量Δzs ）

s si i h βδ?=∑

通常：s ?≧50，Δzs ≧30可判定为Ⅲ级，30

二、工程特性

1.湿陷性：在天然含水量时往往具有较高的强度和较小的压缩性，但在浸水后，在土的自重或外部荷载或二者的共同作用下，其结构很快破坏，发生剧烈变形，强度也随之迅速降低，亦即黄土的湿陷性。

2.崩解性：湿陷性黄土大多遇水后迅速崩解，且以块状崩解为主，崩解曲线陡立，呈片状崩解的湿陷性黄土。

3.多裂隙性：黄土垂直节理发育，垂直方向渗透性强，裂隙发育。

三、成因

湿陷性黄土之所以在一定压力下受水时产生显著附加下沉，除了其在遇水时颗粒接触点处胶结物的软化作用外，还在于土的欠压密状态。干旱气候条件下，无论是风积或是坡积和洪积的黄土层，其蒸发影响深度大于大气降水的影响深度，在其形成过程中，充分的压力和适宜的湿度往往不能同时具备，导致土层的压密欠佳。接近地表2--3米的土层，受大气降水的影响，一般具有适宜压密的湿度，但此时上覆土重很小，土层得不到充分的压密，便形成了低湿度、高孔隙率的湿陷性黄土。

湿陷性黄土在天然状态下保持低湿和高孔隙率是其产生湿陷的充分条件。我国湿陷性黄土分布地区大部分年平均降雨量约在250～500ram ，而蒸发量却远远超过降雨量，因而湿陷性黄土的天然湿度一般在塑限含水量左右，或更低一些。

架空孔隙和集粒内微孔隙的同时存在是黄土产生湿陷性的主要原因

四、湿陷性影响因素

1.易溶盐。易溶盐对湿陷性的影响较大，因为当湿陷性黄土遇水时，易溶盐含量越大，其内部结构变化就越大，土颗粒骨架的破坏程度就越大，因此湿陷性也就越强。

2.天然含水率和塑限。天然含水率和塑限对湿陷性也有一定影响，比如天然含水率较小时，土体浸水受荷，其结构变化更大，而塑限越大，则含黏量越大，更有利于维护黄土的原生结构，不容易湿陷。天然孔隙比越大，土体浸水受荷时，土颗粒形成的骨架变形就越大，增长了其湿陷性。根据西宁地区典型取样点的试验数据分析，湿陷系数随天然含水量的增加而逐步减小，湿陷程度从强烈降低为轻微，一般在14％～16％左右湿陷系数小于0．015，湿陷消失。即天然含水量接近或大于塑限含水量时，湿陷性消失。

3.饱和度。随着饱和度的增大，同一结构的黄土湿陷性降低而压缩变形增加。

2)湿陷变形随着饱和度的增大而减小，压力值在200 kPa一400 kPa范围内时，土体湿陷变形的能力较大，在实际工程中应尽量避开这一压力段，避免建筑物因黄土湿陷产生过大的沉降或不均匀沉降。

4.天然孔隙比。湿陷系数随天然孔隙比的增加而逐步增加，减小而减小，湿陷程度随之变化。根据典型取样点的试验数据分析(图4)，一般在天然孔隙比小于O．85左右时，湿陷系数小于0．015，湿陷消失；天然孔隙比在0．90～1．00时，湿陷系数0．015～0．04，湿陷性轻微一中等；天然孔隙比大于1．00时，湿陷系数大于0．050，湿陷性中等一强烈。

5.深度。湿陷系数随深度加深，逐步减小，湿陷程度从强烈降低为轻微。黄土状土层的湿陷起始压力随深度变化明显，一般随深度加深逐渐加大，变化规律4．0～5．0m深度内，湿陷起始压力小于100kPa。大于4．0～5．0m深度，湿陷起始压力大于100kPa。

6.地貌位置及成因。湿陷强度在平面上受控于其所处的地貌位置及成因，一般河谷高阶地上的以弱湿陷为主，低阶地以中等湿陷为主，洪积裙及黄土丘陵边坡地带以强湿陷为主；在垂向上湿陷强度随深度的增加而减弱，呈现不规则的递减趋势。

五、湿陷性黄土带来的问题（隧道的角度）

湿陷性黄土具有多裂隙性、崩解性和湿陷性等工程特性，黄土垂直节理发育，垂直方向渗透性强，地表水很快渗透至地下，使深部黄土处于饱水状态，其原有结构完全丧失，从而使强度和承载力降低，当隧道开挖至饱水黄土层时，围岩随即因失去支撑而失稳，黄土彼此在水平方向的连接力较弱。在干燥时，黄土的强度较高，衬砌受力较小；遇水后颗粒黏结力削弱，黄土强度随之降低，此时极易引起衬砌受力不均匀。当隧道跨度较大，且遇黄土饱和时，或隧道埋深较浅，也可坍塌到地表。黄土的这种湿陷变形具有突变性、非连续性和不可逆性，极易导致隧道基础沉降、衬砌开裂等，对隧道产生严重危害。施工中极易发生大变形甚至塌方、冒顶等事故，洞外地表沉降及洞内拱顶下沉难以控制。

在大断面湿陷性黄土隧道施工中，经常发生围岩失稳、大段落大变形现象，结果是变形侵入二次衬砌限界需返工处理，在处理过程中安全隐患大，造成大量的成本流失。

六、隧道施工方案的原则

事先进行地表预加固和超前支护，使隧道自开挖成临空至支护发生作用这段的时间围岩能自承重;开挖中对围岩的扰动控制至最低限度内，维护围岩的自稳能力;开挖后及时进行支护，尽快使围岩达到稳定。

在黄土隧道施工过程中，必须严格遵循“早预报、管超前、预注浆、短进尺、少扰动、强支护、快封闭、勤量测、早成环”的原则，稳扎稳打，安全施工。

并在各工序施工中始终强调“快速和干燥”这一核心思想，及时抑制黄土围岩的持续变形，杜绝因施工造成的安全隐患。

七、湿陷性黄土隧道处理措施

1.洞口防护加固：

由于黄土浸水后易产生湿陷性，因而在该段隧道施工前，搞好洞口黄土地段的防、排水及加固工作尤为重要。

2.开挖工序：

①掌子面开挖后稳定性差，应采用合理的的方法进行洞身施工。（超短台阶、上台阶预留核心土、弧形开挖等，以及后文的已建隧道采用的一些方法）

②由于中槽边墙比较单薄，所以边墙落底不宜距离掌子面太远，应在保证相互不

干扰施工的情况下紧随掌子面进行(左右两边错位进行以防止因两侧同时落底造成掉拱)，以防止因边墙土体的塑性变形造成掉块或坍塌导致掉拱。

③开挖进尺应控制在0．5一1．0 m之间，缩短循环周期时间。

④根据洞身设计断面尺寸选择与之匹配的长臂型挖机，并根据需要调整刀片的角度，以保证开挖速度及开挖轮廓线的准确，尽量缩短人工修凿时间，从而缩短围岩的暴露时间。

3.支护工序：开挖后及时进行初期支护，及早封闭成环。提高围岩的承载能力。

①为了缩短围岩的暴露时间，应先施作网喷混凝土(因未施作锚杆，可预先在围岩中打入一定数量的短钢筋用来挂钢筋网)，以便在地下水未沁至围岩表面前及时封闭围岩，防止围岩裂隙水渗出后造成掉块或崩塌。随之架立钢架、喷混凝土至设计厚度。最后施作锚杆。

②提高钢架加工的精度，尽量缩短钢架在洞内架立时的焊接作业时间，从而缩短洞内安装作业时间。

③开挖拱脚处时应预留约30 cm的土台，在架立钢架时再用人工凿至设计标高，以保证钢架底脚落在稳固的地基上。钢架架立时应根据实际进尺在底脚设置一块长木板(5．0 cm厚)或槽钢以增加底脚的受力面积，以应对黄土的塑性变形。

④所有锚杆孔应采用干钻(煤电钻)成孔，尽量避免因施工用水而浸泡围岩。在钢架的拱脚和两边墙脚处应增设一定数量的锁脚锚杆，以增加钢架底脚处的稳固性。

⑤由于砂浆锚杆和中空注浆锚杆存在一个浆液凝固时间问题，锚杆施作后难以在短时间内发挥锚固作用，洞内系统锚杆应采用速效型锚杆(如钢筋树脂药包锚杆)，可以在较短的时间内有效地抑制黄土围岩的持续性变形。

4.二次衬砌：

①由于黄土的塑性变形特点，洞身开挖后的围岩内敛性很强，所以在保证掌子面开挖及支护作业面的情况下应尽早修筑仰拱衬砌，抵抗围岩的进一步变形，必要时应先修筑仰拱。

②尽早修筑二次衬砌以抑制围岩的后续变形，以不影响作业面施工为宜，保证衬砌紧跟。

5.围岩监控量测：

由于黄土的塑性变形较大，变形周期较长，监控量测就显得更为重要。加强超前地质预报和围岩监控最测工作，为正确采用、修改相应的开挖和支护参数提供依据，以确保施工安全和工程质量。超前预报包括：洞内掌子面地质索描和地面地形地貌踏勘贯通以及超前物探(地质雷达和红外探水)贯通，必要时增加超前水平钻孔。为隧道开挖提供地质资料。

另外需要对支护进行监控量测。监控量测主要包括以下几个项目：洞口及浅埋地段的地面沉降观测、拱顶下沉量测、周边收敛量测、仰拱隆起量测和开挖断面的地质素描。黄土隧道的收敛量测项目，除与一般软弱围岩相同的地方外，还要针对柔性支护的几个薄弱点(即钢支撑的接头位置)进行布线监控。

6.隧道基底的处理

(1)垫层法。换填深度一般不大于8 In，可置换部份湿陷性土层，可扩散附加应力，减小沉降量，提高地基土的承载能力。

(2)重锤夯实法。处理深度可达10—15 m，不同处理厚度采用不同的夯击能量，在有效加固范围内均可消除湿陷性，改善压缩性。

(3)灰土(水泥)挤密法。处理深度可达12—20 m，在挤密深度范围内均可消除湿陷性，提高土层密实度，形成桩土复合地基。

(4)桩基础法。建筑物当采用其它地基处理方法不能满足要求时，采取此法效果良好，但费用较高。其他还有高压旋喷注浆、水泥搅拌桩等方法。

7.水的处理：(重点,关键)

妥善处理好渗入洞内的地下水和各种施工用水是湿陷性黄土隧道施工得以顺利进行的关键环节。

①地下水的处理：围岩裂隙水渗入洞内将浸泡洞内的黄土路面，影响施工车辆运行，从而影响正常的施工作业。因此，应在边墙开挖及支护后于洞的两侧及时修筑临时浆砌水沟，及时排出围岩裂隙水。

②施工用水的管理：要妥善管理好洞内的各种施工用水，严防因施工用水浸泡洞内路面而影响施工。

8.超挖回填：

在开挖及支护时应该力求轮廓线准确，封闭迅速以控制超挖。对于已超挖的部位应用同等级的混凝土回填密实，严禁空洞存在。否则可能因空洞处的围岩进

一步剥落而延及附近围岩，从而产生大的崩塌甚至导致支护变形。

八、已建隧道施工方案

石板沟隧道黄土地段采用洞口段地表注浆锚杆加固、小导管预注浆超前支护、正台阶开挖、锚喷网辅助、钢拱架支撑、地脚托梁和锁脚小导管注浆加强拱脚支承、监控量测同步等综合措施的施工方案。采用预留核心土弧形开挖法施工，开挖前采用超前小导管预注浆辅助施工措施。预留核心土弧形开挖具有保证围岩稳定，施工安全的特点，但该施工法工序多、干扰大、进度缓慢。因此，施工中应加强对机械设备的维护以及劳动力的组织安排工作，合理安排施工单班循环时间，对施工进度和工程施工质量都是十分重要的。

兰渝铁路项目l0个洞口湿陷性黄土段落采用三台阶法施工，上台阶开挖7d 后，表现为沉降，不及时对二台阶马口开挖就会造成上台阶初期支护应力集中，加速变形；在施工二台阶马口时，允许上台阶初期支护下沉，也是应力释放的过程；三台阶施工沉降变形规律类似。在开挖初期，隧道沉降量较小，速度较慢，但没有回归的趋势，在第5天开挖二台阶马口时，沉降速率变大，在第9天开挖三台阶时，沉降速率进一步增大，在仰拱封闭后，围岩趋于稳定。湿陷性黄土隧道初期变形主要表现在拱顶沉降与浅埋段的地表沉降，而水平收敛变化不大，相对于拱顶沉降的变化量是非常小的。三台阶法施工规避了施工难度大、成本高、进度慢的CRD施工方法，为单位创造了良好的效益。

汉寨隧道在整个施工的始末应贯穿一个核心思想，即：“快速和干燥”，施工方法应采用超短台阶法。开挖时在上台阶预留核心土弧形开挖，并采用机械为主、人工为辅的方法进行。

秦家河隧道工程利用灰土挤密桩法成功地消除了隧道内黄土湿陷性，提高了隧道基底承载力，说明该法处理湿陷性黄土隧道基底是可行、有效的，值得推广应用。

兰渝铁路黑山隧道在湿陷性黄土下穿段，采用双侧壁导坑法虽可有效控制地表沉降量，但由于是自下而上施工，容易因黄土的自重湿陷性引起应力累积。因此，施工中特别注意双侧壁导坑临时支护的拆除转化及监控量测数据分析，随时准备补强支护参数。地表下沉是多种因素的综合作用，但在地层条件一定的情况下，合理的设计与巧妙的施工是控制地表下沉的关键。黑山隧道出口下穿民居段

坚持”管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测“这”十八字”方针，虽然造成一定的沉降，但也算顺利完成了下穿民居的任务

大有山隧道利用旋喷桩加固湿陷性黄土基底，充分利用黄土作为固结体骨料，既未扰动隧道基底，又极大地提高了隧道基底承载力，承载效果特别明显，不失为一种加固湿陷性黄土隧道基底加固处理措施，有很好的经济效益和社会效益，有很大的推广价值。

九、注意事项

(1)首先做好洞口、洞门及洞顶的排水系统，并妥善处理好陷穴、裂缝，以免地面积水浸蚀洞体周围，造成土体坍塌。

(2)施工时应严格遵循“短进尺、快循环、少扰动、强支护、紧封闭、勤量测”的原则，如对土体产生大的扰动，将使土体产生沉降，致使施作完毕的结构产生细小的裂纹。因此，在施工时要严格控制对黄土的扰动。

(3)黄土围岩开挖后不能暴露时间过长，否则围岩周壁风化至内部，围岩休松弛会加快，进而造成坍塌。因此宜采用复合式衬砌，及时封闭土体。

(4施工时要特别注意拱脚与墙脚处断面，如超挖过大，应用浆砌片石及时回填，如发现该处土体承载力不够，应立即加设锚杆或采取其它措施进行加固，钻锚杆时应采用干钻。

(5)在开挖与灌筑仰拱前，为防止边墙向内位移，宜加设横向撑梁顶紧。

(6)施工中如发现不安全因素时，应暂停开挖，加强临时支护。

(7)开挖方法宜采用合理的方法。如台阶法或分部开挖法(预留核心土)等，初期支护应紧跟开挖面施作。

(8)在雨季到来之前，应经常检查洞外地表，看是否有裂纹，防止雨水从裂纹中下渗浸泡土体，造成不安全事故的发生。

(9)在稳定性较好的黄土地层中隧道施工，应充分利用黄土具有的自稳能力，尽量减少开挖分部，采用简便高效的工艺。

(10)施工中一定要重视地质的变化，针对不同的地质条件，采取相应的超前支护及施工支护措施。

(11)初期支护应尽早连成一体，封闭成环。以约束围岩变形，防止过快的变形造成隧道坍塌。

(12)机械设备的配套及性能，是决定选用施工方案的重要制约因素，土质隧道工序多，交叉作业，复杂多变，必须确保机械设备的完好率，才能保证施工顺利进行。