黃土隧道設(shè)計施工難點_圖文

1、大跨黃土隧道設(shè)計與施工技術(shù)鐵道第一勘察設(shè)計院一、黃土的分布及基本特征二、黃土隧道的變形特征三、黃土隧道的圍巖壓力四、以往黃土隧道的設(shè)計、施工、坍塌、病害情況五、大跨黃土隧道設(shè)計、施工方案意見六、大跨黃土安全施工對策隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展,目前鐵路進(jìn)入新一輪建設(shè)高潮,根據(jù)中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃,到2020年全國鐵路運營里程達(dá)到10萬公里,初步統(tǒng)計,客運專線隧道將超過1000Km。其中鄭西、西蘭、太中銀、包西等線黃土隧道占很大比例,其最大開挖斷面達(dá)160m2左右,為特大斷面隧道,而我們僅有一些常規(guī)鐵路單雙線(或公路隧道的設(shè)計和施工經(jīng)驗,設(shè)計、施工和科研面臨巨大的難題,需建管、設(shè)計、施工、科研單位共同努力

2、,協(xié)同攻關(guān)?，F(xiàn)結(jié)合以往鐵路、公路黃土隧道經(jīng)驗談?wù)勛约簩Υ罂琰S土隧道設(shè)計施工的初步意見,達(dá)到拋磚引玉的目的。一、黃土的分布及基本特征一、黃土的分布及基本特征我國黃土的分布面積63.5萬km2,約占全國陸地面積的6.6%,主要分布在我國西北、華北等地。我國黃土以分布廣、厚度大、地層層序完整、古土壤清楚而著稱于世,黃土的地層一般可分為二大組。一、黃土的分布及基本特征1、老黃土(Q1、Q2:其大孔結(jié)構(gòu)多經(jīng)壓密,一般不具濕陷性,土的承載力較高。主要分布在陜甘黃土高原,覆蓋在第三紀(jì)紅土層或基巖上。2、新黃土(Q3、Q4 :廣泛覆蓋在老黃土之上,質(zhì)地均勻,具有多孔性,有肉眼能看到的大孔隙,呈松散結(jié)構(gòu)狀態(tài),密

3、度低,在北方各地分布很廣,與工程建設(shè)關(guān)系密切,一般都具有濕陷性。基本特征:黃土是第四紀(jì)干旱、半干旱氣候條件下形成的一種特殊土,基本色調(diào)是黃色;顆粒成分以粉粒(顆粒直徑為0.0750.005mm為主,約占50 %75%,幾乎沒有大于0.25mm的顆粒;一般無明顯層理,有堆積間斷的剝蝕面和埋藏的古土壤層;具柱狀節(jié)理,垂直節(jié)理發(fā)育,直立性強(C、水平、垂直差異;表層多具濕陷性,易產(chǎn)生潛蝕,形成陷穴。各地區(qū)黃土的總厚度不一。一般來說,高原地區(qū)較厚,而以陜甘黃土高原最厚,達(dá)100 200m,而其他高原地區(qū)一般只有30100m。河谷地區(qū)的黃土總厚度一般只有幾米到30m。(%13.4517.4717.251

4、9.43g/cm 3 1.73 1.86 1.99 2.04g/cm 3 1.55 1.61 1.60.80.7140.5950.593%50.5968.2678.8288.88%44.3541.4737.0536.47直剪內(nèi)摩擦角(°19.319.8322.924.14試驗?zāi)哿?CkPa 17.5221.9321.7328.82Q 1eol3+el1Q 1lgl1試驗項目單位飽和度 (Sr孔隙度 ( n干密度 (d 孔隙比 (e含水量 (w密度 (Q 3eol3Q 2eol3+el1鄭西客專黃土物理力學(xué)參數(shù)表 二、黃土隧道的變形特征(一新黃土隧道新黃土(Q3、Q4 大孔發(fā)育,具垂

5、直節(jié)理,土質(zhì)結(jié)構(gòu)松散-稍密-中密,含水量較小,一般5-15%,易產(chǎn)生天生橋和陷穴,覆蓋于地表,厚度一般30-50m。由于其垂直節(jié)理發(fā)育,在垂直節(jié)理面上因節(jié)理切割形成豎向軟弱面,軟弱面之間粘聚力(C很小,多個軟弱面互相切割,形成與周邊圍巖粘聚力很小的棱體,在下部開挖隧道時形成臨空面,受開挖擾動和支護(hù)缺陷,在重力的作用下棱體塌落形成塌方。根據(jù)對其變形分析,在新黃土(Q3、Q4地層,正常情況下圍巖變形小。在破壞時圍巖變形釋放快、具突然性,屬脆性破壞,故要強調(diào)變形的控制。二、黃土隧道的變形特征 侯月線百家垣隧道地表、拱頂下沉位移圖,反映了該隧道襯砌前的最大沉降值。 寶蘭二線碼頭隧道雙層復(fù)合式襯砌試驗斷

6、面水平收斂位移圖,反映了該隧道襯砌前水平收斂已趨穩(wěn)定。(二老黃土隧道一般覆于新黃土之下,埋深較大,含水量為15 -40%。與隧道位置原始地應(yīng)力相比,其圍巖強度低,圍巖容易發(fā)生屈服形成塑性區(qū),這時的變形為塑性變形,可進(jìn)行柔性支護(hù)和適度釋放變形,但若無支撐或支護(hù)強度不足圍巖蠕變過大,會脫落形成塌方。因其為塑性變形,初期支護(hù)的變形有一個發(fā)展過程,故變形規(guī)律可采用監(jiān)控量測手段監(jiān)控。 寶中線大寨嶺隧道水平收斂位移圖,反映了該隧道水平收斂呈繼續(xù)發(fā)展趨勢。 寶中線大寨嶺隧道水平收斂位移圖,它反映了該隧道在調(diào)整支護(hù)參數(shù)后水平收斂、拱頂下沉已趨穩(wěn)定。深埋老黃土隧道其變形具蠕變特性,它有一個發(fā)展過程,若監(jiān)控量測位

7、移不收斂,應(yīng)加強初期支護(hù)或調(diào)整施工方法或及時施做二次襯砌。對老黃土隧道而言含水量的大小對施工的影響很大,直接影響圍巖穩(wěn)定、開挖安全、初期支護(hù)穩(wěn)定、二次襯砌變形。三、黃土隧道的圍巖壓力(一深淺埋隧道的劃分鐵路隧道設(shè)計規(guī)范(TB10003-2005中關(guān)于深淺埋隧道的劃分標(biāo)準(zhǔn),其覆蓋厚度按塌方高度的2.5倍確定的。淺埋隧道覆蓋厚度值(m圍巖級別單線隧道5710141825雙線隧道81015203035鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊依據(jù)調(diào)查和統(tǒng)計資料,對深埋和淺埋黃土隧道的分界深度,單線隧道為15-25m,雙線隧道為20-50m。黃土隧道的深淺埋分界與黃土的特性如粘粒的含量(局域性、含水量等及與隧道的跨度有關(guān),

8、對新黃土而言,其覆蓋厚度一般為30 -50m,深淺埋分界目前可按40-50m為宜,若太大依據(jù)不足。 (二圍巖壓力的確定1、新黃土隧道根據(jù)對新黃土地層變形分析,隧道在開挖后,淺埋黃土地表會形成沉降槽,但沉降過大時,沉降體延垂直節(jié)理面滑錯,使隧道結(jié)構(gòu)承擔(dān)上部全部土體重量。目前對淺埋(含偏壓黃土隧道圍巖壓力的確定,采用謝家休公式進(jìn)行計算,其屬于松弛壓力概念。2、老黃土隧道一般覆于新黃土之下,埋深較大,含水量為15-40 %。當(dāng)隧道開挖后施做初期支護(hù)后,圍巖發(fā)生塑性并形成塑性區(qū),在初支有效約束圍巖變形的情況下,來自圍巖的壓力傳遞至初支再作用于襯砌結(jié)構(gòu),這時對結(jié)構(gòu)形成形變壓力。若圍巖塑性變形過大或開挖、

9、支護(hù)缺陷,使巖體持續(xù)變形,則造成松弛巖體延節(jié)理面脫落形成塌方。結(jié)構(gòu)承擔(dān)荷載由形變壓力轉(zhuǎn)變?yōu)樗沙趬毫?。故對深埋黃土隧道應(yīng)重視形變壓力的同時,應(yīng)強調(diào)松弛壓力概念,應(yīng)采用塌方高度作為圍巖的垂直荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。侯月線百家垣隧道雙線老黃土試驗(隧道跨度12.2m徑向壓力分布圖,從圖可以看出,拱腰和拱腳的壓力大于拱頂壓力,側(cè)壓力系數(shù)接近1。徑向壓力分布圖(MPa 寶蘭二線碼頭雙線隧道雙層復(fù)合式襯砌試驗(隧道跨度11.9m,面積113m2徑向壓力分布圖,從圖可以看出,圍巖與第一層襯砌之間的壓應(yīng)力要大于兩層模筑襯砌之間的壓應(yīng)力,說明第一層襯砌主要承擔(dān)圍巖壓力;拱腰和拱腳的壓徑向壓力分布圖(MPa 力大于拱頂

10、壓力,側(cè)壓力系數(shù)大于1。寶蘭二線碼頭雙線隧道雙層復(fù)合式襯砌試驗(隧道跨度11.9m,面積113m2壓應(yīng)力-時間曲線(MPa,從圖中看出,前20天圍巖壓力變化明顯,以后漸趨穩(wěn)定。 壓應(yīng)力-時間曲線(MPa新莊嶺公路隧道(開挖面積106m2壓力分布圖(MPa,從圖可以看出,拱腰和拱腳的壓力大于拱頂壓力,與鐵路科研結(jié)論一致。新莊嶺公路隧道壓力分布圖(KPa四、以往黃土隧道的科研、設(shè)計、施工、坍塌、病害情況四、以往黃土隧道的科研、設(shè)計、施工、坍塌、病害情況(一黃土隧道科研、設(shè)計、施工簡況在以往鐵路大線中,如寶中線、侯月、神延線、寶蘭線,黃土隧道的設(shè)計采用錨噴支護(hù)、模筑襯砌或復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)形式,一般雙線

11、隧道采用臺階法(拱部留核心土弧形開挖施工,情況復(fù)雜時采用分部施工方法,如寶蘭二線曲兒岔隧道(雙線,面積120m2在下穿既有線時采用CRD法施工。坍塌、病害情況1、黃土隧道科研簡況在以往各鐵路大線中,鐵一院自七十年代開始主持了部內(nèi)全部的與黃土有關(guān)的科研項目:1崾峴河黃土隧道試驗(79年,在崾峴河隧道(單線開展的黃土隧道試驗研究工作的基礎(chǔ)上,編制了單線電化鐵路老黃土隧道襯砌和洞門(壹隧0042部參考圖。2在寶中線大寨嶺隧道開展了新奧法的施工驗證試驗(93年,據(jù)此,在黃土隧道中采用新奧法原理進(jìn)行設(shè)計和施工得以推廣。坍塌、病害情況3在寶中線老頭溝隧道開展了黃土偏壓單線鐵路隧道受力特性及設(shè)計施工技術(shù)。4

12、在侯月線百家垣隧道(雙線開展了黃土隧道試驗研究工作,課題名稱:雙線鐵路老黃土隧道襯砌設(shè)計與施工研究試驗,并據(jù)此編制了雙線電化鐵路老黃土隧道襯砌和洞門(壹隧0053部參考圖。坍塌、病害情況5在神延線針對本線隧道黃土的特性,開展了土質(zhì)隧道襯砌斷面優(yōu)化設(shè)計研究工程試驗項目,并在部分深埋黃土隧道中采用了優(yōu)化后的襯砌斷面。6在神延線宋家坪隧道淺埋偏壓新黃土段開展了水平旋噴預(yù)支護(hù)技術(shù)研究工程試驗項目。四、以往黃土隧道的科研、設(shè)計、施工、坍塌、病害情況7在寶蘭二線碼頭隧道(雙線雙層模筑復(fù)合式襯砌試驗,課題名稱:雙線隧道軟弱圍巖雙層模筑復(fù)合式襯砌試驗研究。通過現(xiàn)場量測、土工試驗及結(jié)構(gòu)分析,以獲取雙層模筑復(fù)合式

13、襯砌的適用范圍、結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)及優(yōu)缺點,用以指導(dǎo)設(shè)計和施工。 目前,黃土隧道設(shè)計、施工的一些理念、思路,指導(dǎo)原則,施工方法和注意事項均吸收了上述研究的精華和成果。坍塌、病害情況2、侯月線百家垣隧道設(shè)計、施工情況百家垣隧道長344.5m,雙線,隧道洞身通過Q2pl 黃土質(zhì)砂粘土地層,最大埋深45m。為鐵道部科研試驗工點,目的是研究適應(yīng)老黃土地層的雙線隧道襯砌斷面以及合理的施工方法。坍塌、病害情況圍巖級別初期支護(hù)預(yù)留變形量二次襯砌噴層系統(tǒng)錨桿鋼筋網(wǎng)8鋼架位置錨桿類型長度間距位置間距鋼架類型間距拱墻仰拱Cm(m(m(cm榀/m(cm (cm(cm甲式15拱墻砂漿31*1拱墻25*25格柵1204540

14、乙式15砂漿31*125*25格柵1205550百家垣隧道雙線老黃土試驗支護(hù)參數(shù)表坍塌、病害情況隧道施工采用拱部留核心土弧形開挖,正臺階法施工,施工主要以人工開挖為主。 百家垣隧道開挖步序坍塌、病害情況3、寶蘭二線碼頭隧道設(shè)計施工情況寶蘭二線雙線隧道較多,如碼頭、東口、平套、新玉石嘴1、2號、曲兒岔等隧道,均通過了黃土地層。碼頭隧道長429m,最大埋深45m。為部科研試驗工點,目的是研究適應(yīng)復(fù)雜地層情況下(第四系粘中黃土、細(xì)砂、粉土等的雙線隧道采用雙層模筑適用性及合理的施工方法。坍塌、病害情況 雙層模筑復(fù)合式襯砌試驗斷面坍塌、病害情況設(shè)計施工方法對通過砂層段采用雙側(cè)臂導(dǎo)坑法或CD法施工,其它土質(zhì)地層采用超短臺階法(留核心土施工。施工采用拱部環(huán)形開挖留核心土超短臺階法。坍塌、病害情況3、寶蘭二線曲兒岔隧道設(shè)計施工情況曲兒岔隧道出口位于Q4al3新黃土中,下穿既有寶蘭鐵路,覆蓋層后8m左右,既有鐵路路堤高17m,設(shè)計采用復(fù)合式襯砌。坍塌、病害情況 曲兒岔隧道出口坍塌、病害情況曲兒岔隧道支護(hù)參數(shù)表圍巖級別初期支護(hù)預(yù)留變形量二次襯砌噴層系統(tǒng)錨桿鋼筋網(wǎng)8鋼架位置錨桿類型長度間距位置間距鋼架類型間距拱墻仰拱