黄土在我国分布面积估计有63 万km2，约占全国面积的6.6%，主要分布在秦岭以北。黄土成因复杂，与它接触的地层的物理力学性质也有很大差异。目前我国在穿黄土地层的水工隧洞设计经验不多，值得研究总结。本文着重讨论黄土水工隧洞设计中遇到的黄土不稳定性、湿陷和接触带不均匀变形等问题及其对策。
1 黄土水工隧洞设计遇到的主要问题
1.1 黄土自稳问题
黄土结构松散，物理力学性质大约是干容重12.5～14.5kN/m3、内摩擦角11°～18°、凝聚力极小，围岩牢固系数约0.21～0.33，特别是Q3、Q4 黄土属极不稳定围岩，隧洞开挖的自稳时间很短，如引大东二干渠黄土隧洞开挖半径2.47m，围岩干容重12.5～13.7kN/m3，休止角11°～17°，自稳时间仅4～8h。自稳时间很短，若不及时支护，极易形成掉块和顶部大面积塌落。如万家寨引黄工程总干6 号、7 号隧洞出口和8 号隧洞进口穿过Q3黄土地层;9 号隧洞贯穿Q3地层;10 号隧洞进口段为Q2、Q3 黄土，出口段穿过Q2 和Q3 泥砾;上述Q3 黄土的平均干容重13.3kN/m3 ，Q2的平均干容重14.5kN/m3 。在上述几条隧洞施工过程中，曾由于支护不及时，7 号隧洞塌方段长18m，塌落高度30～40m;10 号隧洞进口黄土段也发生过塌落。如1993 年9 月15 日5 时30 分左右，9 号隧洞进口段(0+33～0+55m)出现拱顶土块剥落，并有开裂声，施工人员刚撤至二次支护段，塌方即发生，塌至地表约20m，在山顶形成8～17m 的椭圆形塌坑，坑深1~2m。经分析，塌方原因是一次支护段太长(22m)，二次支护未能及时跟上，而且没有观测预报，导致事故发生。
1.2 黄土的湿陷性问题
Q2黄土属中更新统黄土，以浅棕红色亚黏土为主，多含钙质结核，局部夹亚砂土和砂砾石，部分土层有弱湿陷性。Q3黄土属晚更新统黄土，为浅黄色，大多为亚砂土，成因不一，冲积和洪积好些，风积最差，湿陷系数δs=0.015～0.11，属弱、中或严重湿陷性黄土。一旦隧洞漏水，黄土湿陷将导致黄土隧洞变形，甚至破坏。做好衬砌结构防渗和抗渗，是保证隧洞安全的重要条件之一。
1.3 隧洞的稳定性问题
黄土常呈沟壑分布，受自然或人为影响，容易形成滑塌、地裂缝或落水洞等，工程稳定性差。如引大入秦东干新1 号隧洞长4 630m，横断面为B×H=3.17m×3.08m的三心圆拱曲墙，隧洞施工期，地表出现宽10～50cm 的裂缝，沉降1～1.5m，虽用混凝土封堵了裂缝，但运行三年后，遇50mm/h 暴雨，雨水汇流于原沉陷缝处，灌穿40m厚的土层，导致20m长隧洞塌陷破坏，地面形成宽40m，长50m，深20～25m 的塌坑，上下1km隧洞被泥流堵塞。后来用钢拱架、管棚与波状钢板形成一次联合支护，随后完成二次浇筑衬砌，才对塌方段修复。
1.4 接触带不均匀变形问题
黄土与不同岩性地层的接触带，如Q3 与Q2 接触、Q3 与N2 接触、或黄土与基岩的接触段，由于岩性和厚度变化大，容易发生不均匀沉降而引起隧洞变形破坏。
1.5 黄土边坡稳定问题
当隧洞进出口为高陡的黄土边坡时，特别是Q3、Q4 黄土，或与其不利的接触带，在自然或人为作用下容易引发滑坡。如万家寨引黄工程8 号隧洞进口Q3 黄土，其下部为N2 红黏土，N2 红黏土顶面倾向沟内(进口)，接触带上层有滞水渗流，形成天然的软弱面，曾发生数次滑坡，后经大量削坡和处理，才得以改善。
2 黄土水工隧洞设计要着重解决的问题
2.1 隧洞路线布置
在了解洞线范围的黄土地质年代、成因、分布和湿陷性等基本特征的基础上，进一步判定洞线水位以下黄土的湿陷等级，尽可能避开中等、严重湿陷带。设计过程中，比选隧洞位置是必要的，使洞线选定在稳定的土层范围内，避开影响洞线稳定的雨水浸蚀带和严重湿陷带等。通常黄土的湿陷性随埋深而减轻，以Q3黄土而言，应尽量避开风积黄土地层。许多黄土隧洞并非全洞穿过黄土，往往是在隧洞进出口段分布黄土地层，除注意上述方面外，宜选择地层结构简单的隧洞线路。进出口洞门的黄土厚度宜大于3～5 倍洞径。若属长距离输水的黄土隧洞，为运行安全留有余地，可考虑在进口前布置泄流设施。对隧洞进出口要作好加固、护坡和排水，防止塌方和浸蚀。
2.2 衬砌断面形式
为改善衬砌结构应力、成洞条件和运行安全，宜采用马蹄形组合式衬砌结构形式(若为压力流，可在洞内安装压力管道，本文不再论述)，一次支护不仅起到施工安全作用，而且还有防渗和改善二次衬砌受力的作用。如万家寨引黄工程总干黄土隧洞设计流量48m3/s，设计纵坡1/1500，n=0.014，采用内径5.36m的标准马蹄形断面组合式衬砌结构，初步设计阶段的一次支护为全断面挂网锚喷15cm厚混凝土，二次衬砌为50cm厚钢筋混凝土，顶拱120°范围内进行回填灌浆。施工图设计阶段，为便于施工和节省费用，将一次支护改为30cm厚模筑混凝土。
2.3 衬砌断面构造
防止内水向外渗漏浸蚀黄土，是断面构造设计的重点内容，有以下方面值得注重：1)关于伸缩缝设置和止水。黄土易湿陷变形，二次支护伸缩缝分段不应过长，一般不宜大于8m。伸缩缝间设止水带和闭孔泡沫塑料板充填，并在缝间嵌入BW 止水条(如万家寨引黄总干黄土隧洞在进出口每6m设一道伸缩缝，第5 浇筑段后每8m设一道伸缩缝，缝宽1.2cm，填充三毡四油，采用两翼增设GB 材料的复合651-2型止水带)。实践表明，必须确保止水带不错位，并与先、后浇筑的混凝土紧密结合，周围混凝土无孔洞，才能达到止水目的，否则恰得其反。2)施工缝止水问题。经验说明，施工缝处理不当，极易形成渗漏，特别是对黄土隧洞衬砌更应妥善处理，应沿缝面设一道垂直止水片(如用铝片、不锈钢或HDPE片)，并对先浇混凝土充分凿毛，按施工缝工艺要求施工，才能防止施工缝渗漏。万家寨引黄总干黄土隧洞纵向施工缝仅设一道BW-2(D)止水条或GB 止水条，尚待检验。3)一、二次支护间设置防渗膜。设置防渗膜是必要的，但对材质宜有一定延伸性和耐刺性(万家寨引黄工程黄土隧洞一、二次支护间设置厚1mm的低密度聚乙烯防渗层)，要求与一二次支护面粘贴密实，并防止二次浇筑时的人为破损，做好接触灌浆似有必要。4)设置导渗管问题。虽然采取了上述防止渗漏的措施，考虑到施工质量的保证程度，一旦某些部位发生渗漏，后果仍将严重，笔者曾提出一项预防措施，即在隧洞反拱底部一次支护面上设置导渗管，将可能出现的渗漏水顺坡引出，避免下渗[1]。目前可能没有实例，但我们在相似工程中采用以堵为主，以排为备的防渗方案，有效地防止了局布伸缩缝止水不严和其它原因出现渗漏对地基的影响，如高填方上的输水槽、黄土地基上的压力前池等。
2.4 应有施工工艺要求
要达到有效防止渗漏的要求，止水材料质量和精心施工也是关键之一，除对止水材料有严格的质量要求和检测外，应有包括工序、安装、保护、震捣、检测等在内的详尽施工工艺要求，并按关键点加强施工监理。
2.5 对衬砌混凝土的特殊要求
为了增强混凝土的抗渗和抗裂性能，宜按抗裂设计，并可在混凝土中掺入防水剂，如中国建筑材料科学研究院研制的U 型混凝土膨胀剂(UNIted Expanding Agent)简称UEA，可用于抗裂防水混凝土的特种外加剂[2]，在十三陵水库地下九龙宫墙体混凝土中掺入11%(水泥重量)，应用良好;万家寨引黄总干黄土隧洞衬砌混凝土中掺入3%～5%(水泥重量)复合高效抗渗防水剂(TMS)。
3 万家寨引黄总干9 号隧洞存在的问题及处理
该洞在Q2、Q3黄土中通过，全长217m，建成后，委托中国水利水电科学研究院进行全面检查，发现有以下主要质量问题[3]：1)全洞32 个浇筑段中有19 段的拱顶出现纵向裂缝，共22 条，长87m，最大缝宽0.5mm，最大缝深27.8cm，大多数裂缝发生在隧洞进出口和塌方处理段，可能与拱顶受力超载有关。2)约有1/3 的环向伸缩缝，因止水带安装错位，混凝土浇筑不密实而渗漏，不能满足止水设计要求。出现如此情况，说明缺少详细的施工工艺要求、施工质量差以及监理不严等。3)底拱混凝土50%芯样强度低于设计标号;6 个浇筑段中，局部存在孔洞、蜂窝等缺陷;钢筋保护层厚达15cm～20cm，不符合设计要求。4)一、二次支护混凝土间粘结质量不良，60%检查孔的单位吸水率达不到设计要求;发现衬砌混凝土渗水点54 处。5)混凝土碳化严重，平均碳化深度14.2mm～17.0mm，实测最大深度42.4mm。
上述缺陷，经采取1)用环氧树脂浆液灌浆处理出现的表面裂缝;2)对全部环向伸缩缝和纵向施工缝，采用开槽，嵌填双组分聚硫密封胶处理;3)对6 个浇筑段底拱内局部混凝土存在的孔洞、蜂窝、骨料架空等缺陷，采用梅花形布孔水泥灌浆(孔深小于衬砌厚度)逐步加密法处理;4)对底板钢筋保护层大于10cm的洞段，凿开底拱10cm厚混凝土，代以一级配C25 补强收缩混凝土，配制的钢筋与原侧拱内侧受力筋焊接，钢筋保护层4cm。
4 黄土隧洞施工
为达到黄土的成洞条件和提高衬砌的防渗漏性能，黄土隧洞应采用组合衬砌，开挖和一次支护采用上下分部阶梯式前进，分段开挖后立即支护的原则进行施工：上断面(腰线以上拱部)每进1m即打超前锚杆，安装格栅钢拱架，立即浇筑一次模筑混凝土;下断面(腰线以下两侧边拱部)开挖对称进行，每次进尺可按3m(宜与上断面错缝)控制一次混凝土支护衬砌;一次支护的底部封拱可在二次衬砌跟进前完成，其长度据二次衬砌段长度而定，一般当全断面完成6～8m 一次支护时，进行二次混凝土浇筑，即完成一个浇筑段。
万家寨引黄南干1 号隧洞长848m，其中黄土洞长494m。在黄土段中除出口段16m洞顶板为Q3黄土外，其余均为Q2黄土及黄土类土，土质较密实，平均干容重1.58kN/m3。土洞设计净断面为内径4.24m的标准马蹄形，开挖毛断面直径5.54m，用风镐配合三齿耙开挖，一次支护模筑混凝土厚25cm，二次衬砌钢筋混凝土厚40cm，在一、二次间设有一层聚乙烯防渗层。由于按分段开挖后立即支护的原则进行施工，并严格监控施工质量，同时进行了施工监测(在0+718 设有一个拱顶沉降量观测断面，0+694 设有一个顶拱三角形底边收敛值观测断面)，正确指导了施工，保证了工程安全。该黄土隧洞开挖和支护施工程序如图1 所示[4]，图中腰线以上导洞平台纵深不小于2m，格栅钢拱架每1m设一榀，依施工顺次分段组成闭合环;格栅钢拱架由2 根准22 和1 根准30 螺文钢筋组成等腰三角形截面，主钢筋间焊接斜向筋并设三角形箍筋，两榀钢拱架间设置联系钢筋和网状分布筋，并在拱脚设纵向托梁钢筋，逐段焊接以加固拱圈纵向连接强度。原设计在顶拱120°范围打超前锚干长3m，外扩角20°，间距60cm;以及顶拱拱脚处设有八字形分布的砂浆锚干，考虑到土质较好，施工过程中未实施。
上述施工方法，安全应用在万家寨引黄工程黄土隧洞施工中，只要严格按照技术要求，加强监测分析和质量监控，特别是关键点的监控，是可安全成洞和保证质量的。
[参考文献]
[1]黎运棻，刘小梅.万家寨引黄和引沁入汾工程中隧洞设计的几个问题[J].地下工程技术，1997(4)：17-22.
[2]黎运棻. 几种新型建筑材料的应用[J]. 山西水利科技，1995(2)：80-83.
[3]王国秉，赵廷式.万家寨引黄工程总干土质隧洞设计、施工和修补[J].山西水利科技，2005(2)：1-4.
[4]张之钰.万家寨引黄工程黄土洞段施工法及施工监测[J].地下工程技术，1997(4)：23-25.
[作者简介]黎运棻，男，1932 年生，1953 年武汉大学水利系毕业，教授级高级工程师。
