黃土地區(qū)隧道施工技術(shù)研究

1、1項(xiàng)目背景由于隧道能縮短線路，改善線形，保護(hù)環(huán)境和根除病害，在我國高等級(jí)公路建設(shè)中，采用越嶺長隧道方案，將愈來愈成為現(xiàn)實(shí)，幾十年來，我國在隧道工程方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，在勘測設(shè)計(jì)、施工方法、防水排水和運(yùn)營防災(zāi)等技術(shù)方面有了很大進(jìn)展。作為隧道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和進(jìn)一步推動(dòng)隧道建設(shè)的發(fā)展，交通部相繼編寫了公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范、公路隧道施工技術(shù)規(guī)范、公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范和公路隧道勘測規(guī)程。西部大開發(fā)戰(zhàn)略決策的實(shí)施，促進(jìn)了西部地區(qū)高等級(jí)公路的發(fā)展，穿越黃土地區(qū)的公路隧道將越來越多。黃土是第四系堆積的陸相沉積物，在我國分布面積為64萬km2占國土面積的6.3%，其特點(diǎn)是具有大孔隙、有垂直節(jié)理和管狀孔道，天然

2、含水量時(shí)強(qiáng)度較高，能維持很高的垂直邊坡，但遇水時(shí)土顆粒崩解，表現(xiàn)為較強(qiáng)的濕陷性。由于黃土分布的廣泛性和典型的工程特性，歷來受到工程界和學(xué)術(shù)界的重視。黃土公路隧道的修建起步較晚，基本借鑒了鐵路隧道在此方面已有的科研成果，鐵路工程設(shè)計(jì)手冊(cè)規(guī)定對(duì)黃土地區(qū)淺埋隧道圍巖壓力采用謝家依公式進(jìn)行計(jì)算，而深埋隧道采用修正卡柯公式進(jìn)行計(jì)算，并指出對(duì)黃土地區(qū)隧道不宜按計(jì)算摩擦角或圍巖類別確定隧道圍巖壓力，應(yīng)根據(jù)實(shí)測的黃土物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這些建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，基本體現(xiàn)了我國對(duì)黃土隧道的認(rèn)識(shí)水平。公路隧道由于大跨徑、大斷面和扁坦?fàn)钜约胺浪燃?jí)較高，加之黃土強(qiáng)度較低，開挖擾動(dòng)后變形大等特點(diǎn)以及由此引起的設(shè)計(jì)施工方法

3、的特殊性，鐵路隧道業(yè)已達(dá)成廣泛共識(shí)的優(yōu)秀成果對(duì)于公路隧道是否依然適用？黃土公路隧道較多采用的兩層模筑混凝土襯砌形式中每個(gè)組成部分的荷載特性如何？黃土公路隧道防排水設(shè)計(jì)是否得當(dāng)？黃土公路隧道的結(jié)構(gòu)型式和參數(shù)選取是否合理？現(xiàn)有設(shè)計(jì)及施工方法的合理性及經(jīng)濟(jì)性如何？黃土公路隧道存在那些病害及處治技術(shù)是否合理有效？一系列的問題都值得工程技術(shù)人員研究與思考。針對(duì)黃土公路隧道亟待解決的以上問題，交通部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)小組于2001年10月決定開展黃土地區(qū)隧道的修筑技術(shù)研究科研項(xiàng)目。2課題研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)2.1研究內(nèi)容本課題針對(duì)目前黃土公路隧道修筑技術(shù)中存在的問題，結(jié)合大量已建和在建實(shí)體工程，通過大

4、規(guī)模的現(xiàn)場實(shí)測、有限元仿真計(jì)算、室內(nèi)試驗(yàn)及大量現(xiàn)場調(diào)查，對(duì)黃土公路隧道的圍巖壓力特性、防排水技術(shù)、結(jié)構(gòu)型式、設(shè)計(jì)參數(shù)、施工及病害處治技術(shù)等分五個(gè)子課題進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，主要研究內(nèi)容包括：（1）黃土隧道圍巖壓力特征研究主要通過現(xiàn)場實(shí)測對(duì)黃土公路隧道一次襯砌和仰拱圍巖壓力、格柵拱鋼筋軸力、一襯和二襯接觸應(yīng)力以及二襯混凝土應(yīng)變時(shí)間變化規(guī)律及其分布特性進(jìn)行了研究；通過數(shù)值仿真對(duì)影響圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的各種因素進(jìn)行研究，通過理論研究給出黃土隧道的深淺埋界定標(biāo)準(zhǔn)及圍巖壓力計(jì)算公式。（2）黃土隧道防排水技術(shù)研究通過對(duì)大量已建工程的調(diào)查及在建實(shí)體工程的分析，對(duì)黃土隧道漏水原因及防排水對(duì)策、黃土隧道防排水構(gòu)造的

5、基本型式、黃土隧道的防排水設(shè)計(jì)方案和施工工藝等進(jìn)行研究。（3）黃土隧道合理襯砌結(jié)構(gòu)型式與設(shè)計(jì)參數(shù)研究通過模型試驗(yàn)和仿真分析，考慮影響黃土公路隧道襯砌斷面型式的因素，對(duì)黃土公路隧道不同襯砌斷面型式進(jìn)行比較分析。（4）黃土隧道施工技術(shù)研究通過依托工程，對(duì)黃土公路隧道開挖方法、施工過程及工藝、質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行研究。（5）黃土隧道病害處治技術(shù)研究采用現(xiàn)場調(diào)查、文獻(xiàn)收集及室內(nèi)分析的方法，對(duì)黃土隧道病害類型、病害成因與機(jī)制及病害處置方案進(jìn)行研究。2.2關(guān)鍵技術(shù)（1）如何保證現(xiàn)場測試真實(shí)反映實(shí)際工程性狀，測試元件的精度和長期使用性能可否滿足現(xiàn)場測試的工作環(huán)境。（2）如何在數(shù)值仿真分析中有效地模擬黃土公路隧

6、道一襯和二襯之間的荷載作用性狀及隧道開挖中的空間效應(yīng)。3）如何合理界定深淺埋黃土公路隧道的劃分標(biāo)準(zhǔn)，有效地確定黃土公路隧道的圍巖壓力計(jì)算方法及襯砌結(jié)構(gòu)型式。（4）如何確保黃土隧道防排水技術(shù)的適用性及結(jié)構(gòu)型式的合理性。（5）如何選用合適的軟件模擬不同條件下隧道開挖后地下水的遷移特性。3主要研究進(jìn)展本課題通過對(duì)以上研究內(nèi)容的研究，主要在9個(gè)方面取得進(jìn)展。這些成果不僅是對(duì)黃土公路隧道理論研究的重大貢獻(xiàn)，而且對(duì)黃土公路隧道的設(shè)計(jì)、施工及病害處治等方面具有重要價(jià)值。簡述如下：（1）研編了數(shù)值仿真有限元程序針對(duì)現(xiàn)有通用商業(yè)有限元軟件在隧道結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真中存在種種缺陷狀況，首先根據(jù)隧道工程施工的具體特點(diǎn)，研編

7、了數(shù)值仿真有限元程序，該程序較客觀的反映了隧道施工中的開挖效應(yīng)以及一次襯砌和二次襯之間的接觸特性等。（2）系統(tǒng)研究了土體參數(shù)、襯砌參數(shù)、開挖進(jìn)尺以及埋置深度對(duì)圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)受力與變形性狀影響利用研編程序，研究了土體參數(shù)、襯砌參數(shù)、開挖進(jìn)尺以及埋置深度對(duì)圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)受力與變形性狀影響。分析了各參數(shù)的影響規(guī)律和敏感性，其中土體粘聚力、內(nèi)摩擦角、剛度參數(shù)k和初始切線泊松比為計(jì)算敏感參數(shù)；混凝土強(qiáng)度提高對(duì)圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)影響不大；存在一個(gè)“合理經(jīng)濟(jì)”的襯砌厚度；考慮混凝土齡期與否對(duì)襯砌軸力影響較大。從地面沉降角度說明雙洞間距的確定，不僅要考慮圍巖類別因素，而且還應(yīng)考慮埋置深度的影響；土體的位移和豎向應(yīng)

8、力結(jié)果均表明了土體變形的楔形幾何特性，也反映了變形較大土體重量向兩側(cè)土體轉(zhuǎn)嫁作用特性；拱部開挖階段土體位移比例較大，且隨著埋深而增大。（3）分析了隧道結(jié)構(gòu)受力性狀及浸水對(duì)結(jié)構(gòu)的影響黃土公路隧道數(shù)值仿真表明：襯砌豎向壓力呈兩側(cè)大中間小的分布形式，但其階段之間變化規(guī)律隨埋深而有所不同，最大側(cè)向壓力發(fā)生位置不同，現(xiàn)行規(guī)范中側(cè)向荷載系數(shù)值偏低；在淺埋隧道中，一次襯砌拱部彎矩中間大兩側(cè)小，邊墻彎矩相對(duì)較小，仰拱壓力呈現(xiàn)兩側(cè)大中間小的分布規(guī)律，其彎矩為負(fù)彎矩，拱腰處軸力較大；在深埋隧道中，一次襯砌拱部彎矩呈拱頂處小兩側(cè)大分布性態(tài)，墻腳處彎矩值較大，仰拱壓力和彎矩相對(duì)較大，拱腰處軸力較大；二次襯砌拱部彎矩值

9、較小，軸力幾乎處于均布狀態(tài)，可按軸對(duì)稱圓筒理論進(jìn)行拱部襯砌設(shè)計(jì)和強(qiáng)度驗(yàn)算。淺埋黃土公路隧道施工完成后地面大量浸水，會(huì)使得拱上土體呈整體下沉趨勢，襯砌豎向壓力增大。開挖后浸水，一次襯砌拱頂處軸力減小，墻部襯砌和仰拱軸力增大。浸水和開挖發(fā)生次序不同，拱部襯砌彎矩變化較大。浸水使得二襯軸力增大，但分布形式未發(fā)生變化，二次襯砌彎矩分布形式及大小變化不大（4）開展了大規(guī)模、系統(tǒng)全面的現(xiàn)場測試立足于黃土公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力特性，首次開展了大規(guī)模、系統(tǒng)全面的現(xiàn)場測試，著重研究了一次襯砌和仰拱圍巖壓力、格柵拱鋼筋軸力、一襯和二襯接觸應(yīng)力以及二襯混凝土應(yīng)變時(shí)間變化規(guī)律及其分布特性。測試結(jié)果表明，黃土公路隧道施工

10、中土體有局部坍塌的可能，隨著時(shí)間的推移，圍巖壓力趨向于均勻分布，襯砌結(jié)構(gòu)偏壓狀態(tài)將得到改善。淺埋隧道圍巖壓力屬松動(dòng)壓力，深埋隧道圍巖壓力屬形變壓力，淺埋隧道圍巖壓力“貓耳朵”分布形狀較為明顯。應(yīng)用太沙基公式計(jì)算淺埋隧道襯砌豎向壓力時(shí)，埋深較淺時(shí)計(jì)算值偏大，埋深較大時(shí)計(jì)算值偏小，深埋隧道按實(shí)測值推算豎向壓力結(jié)果與修正卡柯公式較為一致。仰拱在深埋和淺埋隧道中的作用不盡相同，在淺埋隧道中仰拱受力相對(duì)較小，但對(duì)維護(hù)隧道結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定作用不可替代，深埋隧道中仰拱受力相對(duì)要大，和拱圈、邊墻共同組成封閉的承載結(jié)構(gòu)。新莊嶺隧道二襯垂直荷載分擔(dān)比例為10.5%，白虎山隧道二襯垂直荷載分擔(dān)比例為8.9%，說明在現(xiàn)有

11、黃土公路隧道兩層模筑混凝土設(shè)計(jì)施工中，二次襯砌承受荷載相對(duì)較小，其設(shè)計(jì)計(jì)算方法與“新奧法”二襯設(shè)計(jì)有較大區(qū)別。格柵拱鋼筋軸力在初期變化較大，其軸力值很快趨于穩(wěn)定，由于柔性較大，只能承受部分荷載，其它荷載由混凝土承擔(dān)，格柵拱鋼筋以受壓為主。（5）提出了深淺埋界定的新思路、推導(dǎo)了淺埋土質(zhì)隧道圍巖壓力公式結(jié)合現(xiàn)場測試結(jié)果和數(shù)值仿真結(jié)果，明確了應(yīng)從圍巖壓力性質(zhì)角度進(jìn)行深淺埋界定，首次提出了以拱上中心線土體側(cè)壓力系數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行深淺埋界定的思路，并用兩個(gè)工程實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。針對(duì)現(xiàn)有淺埋隧道圍巖壓力公式的缺點(diǎn)，推導(dǎo)了淺埋土質(zhì)隧道圍巖壓力公式，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值推算結(jié)果較為吻合。（6）總結(jié)出了黃土隧道防排水結(jié)

12、構(gòu)的設(shè)計(jì)原則通過黃土地區(qū)隧道調(diào)查分析，提出了黃土區(qū)隧道涌水類型劃分表，將隧道涌水類型劃分為四類，并提出了對(duì)涌水類型校核與細(xì)分的三種方法。引進(jìn)非飽和黃土基質(zhì)吸力的概念，建立各向同性對(duì)稱平面問題的彈塑性解，解釋了非飽和黃土隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)病害的原因是土體的含水量增加，進(jìn)而指出非飽和黃土隧道應(yīng)以排水為主，注意保護(hù)土體的基質(zhì)吸力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以土體飽和狀態(tài)力學(xué)參數(shù)作為計(jì)算指標(biāo)。通過實(shí)地工程實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)，證實(shí)中心排水溝、復(fù)合襯砌、排水半管、集水管等組合構(gòu)成的防排水型式對(duì)黃土隧道是適用的?？偨Y(jié)出了黃土隧道防排水結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則，其中須特別注意的是路基排水構(gòu)造應(yīng)能防止隧底軟化、水溝凍結(jié)，且為有限排水，防止造成生

13、態(tài)環(huán)境失衡，故應(yīng)對(duì)涌水量特大的地段采用帷幕注漿，降低地下水滲透系數(shù)、減少隧道涌水量。（7）提出了黃土公路隧道的襯砌斷面型式針對(duì)黃土公路隧道大跨、扁平、幾何形狀呈多樣化的特點(diǎn)，通過對(duì)三種不同的隧道襯砌斷面型式（單心圓、尖三心圓、坦三心圓）的室內(nèi)試驗(yàn)與有限元仿真分析，得出了如下結(jié)論：就整體襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)來講尖三心圓斷面型式與單心圓斷面型式?jīng)]有太大的差別，而坦三心圓斷面型式與其它兩種斷面型式相比劣勢比較明顯。在滿足建筑限界、通風(fēng)等相同條件下，單心圓斷面型式幾何尺寸簡單、內(nèi)輪廓凈面積較小，且受力較好，施工放線方便，因此，在黃土公路隧道設(shè)計(jì)中首選單心圓斷面型式。就綜合考慮來說，優(yōu)化斷面形狀比增加襯砌

14、厚度更為有效。（8）提出了適合黃土隧道的施工方法通過對(duì)各種開挖方法的缺點(diǎn)比較及大量的實(shí)體工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，提出了適合黃土隧道的開挖方法：對(duì)含水量不高的一般黃土宜采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑先拱后墻正臺(tái)階法施工；對(duì)于軟弱的飽和黃土、風(fēng)化軟弱的泥巖段及淺埋段宜采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑先墻后拱反臺(tái)階法。改進(jìn)了黃土隧道防排水技術(shù)：墻腳縱向排水系統(tǒng)由原來布設(shè)于墻腳外側(cè)改為布設(shè)于邊墻與仰拱圓順過渡外側(cè)，這樣施工方便，且安全性好。防水層將沿二次襯砌外側(cè)全斷面鋪設(shè)封閉成環(huán)。杜絕以往以往由于施工排水不暢而引起的路面跑水及路面破壞現(xiàn)象。且防水層施作方便，與二次襯砌施工干擾少。（9）提出了黃土公路隧道的病害類型及各種類型的處治方法通過調(diào)查甘肅

15、省、陜西省和山西省境內(nèi)8座典型黃土隧道（新莊嶺隧道、土家灣隧道、祁家大山隧道、七楞山隧道、樓子溝隧道、燕家?guī)X隧道、翅膀溝隧道羊馬河隧道），提出了黃土隧道病害的基本類型，研究了黃土隧道不同類型病害的成因與機(jī)制，并對(duì)不同的病害類型提出了具體的處治方案。黃土隧道的病害類型主要有以下幾種：襯砌開裂、洞頂?shù)魤K、塌方、滲水漏水、地表變形（裂縫、陷穴、溶洞）及拱頂下沉。相應(yīng)的處治措施為：滲水漏水病害處治措施的原則是：“以排為主、防截排堵相結(jié)合、因地制宜綜合治理”；洞頂?shù)魤K、塌方病害的處治措施，應(yīng)具體結(jié)合病害發(fā)生的原因、機(jī)制、部位進(jìn)行；襯砌開裂病害的處治應(yīng)提高圍巖自身的力學(xué)性能，增強(qiáng)自承能力，減小圍巖壓力，增加支護(hù)體的剛度和強(qiáng)度，若存在地下水時(shí)，應(yīng)注意地下水的處治；地表變形（裂縫、陷穴、溶洞）病害處治時(shí)，首先應(yīng)處理地表已有的裂縫、陷穴、溶洞，同時(shí)應(yīng)注意完善防排水系統(tǒng)，避免地表水入滲。4進(jìn)一步工作建議由于地下結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及黃土公路隧道工程的特殊性，課題完成之時(shí)仍感到有許多方面未能觸及或深入，希望以后在以下方面進(jìn)行進(jìn)一步研究：（1）隧道工程施工屬三維空間問題，黃土也表現(xiàn)出較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性和流變性，開展這方面數(shù)值仿真工作實(shí)屬必要。（2）數(shù)值仿真和現(xiàn)場測試較多的述及豎向圍巖壓力，而對(duì)于側(cè)