黃土隧道設(shè)計(jì)

1、第十六章黃土隧道設(shè)計(jì)第一節(jié)黃土的基本特征、我國的黃土分布黃土是一種第四世紀(jì)松散堆積物，因其具有特殊的成分和性質(zhì)而在工程地質(zhì)中占據(jù)特殊的地位。我國黃土地區(qū)主要分布在陜西、山西、河南、河北、山東、內(nèi)蒙古、遼寧、吉林、新疆、青海、甘肅、寧夏等 12省和自治區(qū)，覆蓋面積達(dá) 64萬平方公里，是國土面積的6.6%。我國黃土分布區(qū)域如圖 16-1-1。我國鐵路路網(wǎng)中，經(jīng)過黃土地區(qū)的有隴海、大秦、寶中、神延、神朔、西延、朔黃等鐵路線，鄭州至西安鐵路客運(yùn)專線所經(jīng)過的黃河中游黃土高原地區(qū)，因黃土分布廣，層序全而最具典型性。圖16-1-1中國黃土分布區(qū)域圖、黃土地貌特征黃土地貌一般可分為“墟、梁、嵬”三大類型，以及

2、河谷階地、沖積洪積平原等。(1)黃土塘：具面積較大的平坦高地，有陡峻的邊緣，通常由黃土所構(gòu)成，在黃土塘頂 部表層廣泛分布著黃土質(zhì)土。（2）黃土梁：地形呈長條狀的壟崗，兩旁夾以深谷，壟崗高度大體保持一致，也是由黃土 所構(gòu)成，但也有少數(shù)上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)新近堆積的黃土質(zhì)土，如隴中、隴東、陜北、晉南、柴 達(dá)木盆地香日德附近等地區(qū)。（3）黃土嵬：指個體獨(dú)立或連續(xù)的黃土丘陵，由于地形嚴(yán)重切割，溝谷斜坡地帶往往分布著新近堆積的濕陷性大的黃土質(zhì)土。（4）河谷階地：包括現(xiàn)代河流的河漫灘、超漫灘、低級階地、高級階地及河谷范圍內(nèi)的各 種斜坡地帶以及河谷兩側(cè)的一些溝谷等地貌。（5）沖積洪積平原：分布著全新統(tǒng)的黃土質(zhì)土

3、，一般具有較弱的濕陷性，當(dāng)含粘土顆粒較多時，濕陷性較小或無濕陷性，如關(guān)中、河南、河北等黃土沖積洪積平原。三、黃土的物理、力學(xué)特征（一）黃土的地層劃分黃土是第四紀(jì)以來在干旱、半干旱氣候條件下陸相沉積的一種特殊土，土顆粒成分以粉粒為主，富含鈣質(zhì)、呈棕黃、灰黃或黃褐色，具有大孔性的大陸沉積物，黃土包括老黃土和新黃土。老黃土是下更新統(tǒng)的午城黃土 （Q1）和中更新統(tǒng)的離石黃土 （Q2）的統(tǒng)稱，其大孔結(jié)構(gòu)多經(jīng)壓 密，一般沒有濕陷性或僅在 Q2黃土的上部有輕微濕陷性。覆蓋在上述黃土上部及階地上的上更新統(tǒng)馬蘭黃土（Q3）及全新統(tǒng)的新近堆積黃土 （Q4）,稱為新黃土，土質(zhì)均勻，較疏松，大孔和 蟲孔發(fā)育，具垂直節(jié)

4、理，有較嚴(yán)重的濕陷性。我國各層黃土形成時代和成因如表16-1。黃土的地層劃分和特性表16- 1年代黃 土名稱成因備注全新世（Q4）近期新 黃 土新近 堆積以水成 為主雜亂無章，具不均勻性 高壓縮性、強(qiáng)濕陷性早期一般濕陷性 黃土風(fēng)成 為主淺黃，一般 具濕陷性晚更新世（Q3）馬蘭黃土中更新世（Q2）離石黃土老黃 土非濕陷性黃土褐紅，一般不具濕陷 性或在高壓下具輕微 濕陷性早更新世（Q1）午城黃土（二）黃土的物理、力學(xué)特征一般老黃土的抗剪強(qiáng)度比新黃土高，尤以粘聚力c最為明顯。就原狀黃土的各向異性而言，由于垂直節(jié)理及大孔隙的存在，使得原狀黃土的強(qiáng)度隨方向而異。風(fēng)積黃土的抗剪強(qiáng)度水平方向最大，垂直方向最

5、??；沖積、洪積黃土垂直方向最大，水平方向最小。就含水量的影響 看，黃土的抗剪強(qiáng)度隨含水量增大而劇烈降低，當(dāng)含水量接近塑限時，強(qiáng)度降低減慢。一般而 言，黃土的。值介于 19至42的范圍之內(nèi)，c值介于10至110 kPa之間。黃土浸水后在外荷載或土的自重作用下，發(fā)生的下沉現(xiàn)象稱為濕陷。根據(jù)性質(zhì)又可分為自重濕陷和非自重濕陷兩類。自重濕陷是指土層浸水后僅僅由于土的自重發(fā)生的濕陷；非自重濕陷是指土層浸水后， 由于自重及附加壓力的共同作用而發(fā)生的濕陷。一般用相對濕陷系數(shù)8判別黃土是否具有濕陷性。濕陷試驗(yàn)可以在實(shí)驗(yàn)室用普通固結(jié)儀完成。當(dāng)8sh0.02時為濕陷性黃土。黃土濕陷原因，是黃土浸水時膠結(jié)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)

6、和物理化學(xué)反應(yīng)，使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低；其濕陷的條件是黃土中存在孔隙直徑大于周圍顆粒直徑的架空結(jié)構(gòu)。濕陷性黃土對工程建設(shè)的影響最為顯著。一般濕陷性黃土主要分布在表層，以新黃土及新近堆積的黃土為主，其厚度一般在20m以內(nèi)，而鄭州至西安鐵路客運(yùn)專線所經(jīng)過的三門峽地區(qū)濕陷性黃土厚度最大達(dá)到35nl黃土的水理性質(zhì)包括：滲透性、收縮與膨脹性、崩解性等。由于黃土的各向異性，一般垂 直方向的滲透性大于水平方向；此外，粘粒含量越多，其透水性越差。一般黃土的滲透系數(shù)K 約為i x 10 210 3m/s,老黃土的滲透系數(shù)約為i x 10 310 5 m/s。黃土遇水膨脹，干燥后 又收縮，多次反復(fù)容易形成裂縫和剝落。由于

7、黃土的堆積作用，其水平方向的收縮量比垂直方向大，一般大約 50%100%各類黃土的崩解性相差較大，新黃土浸水后會完全崩解，老黃 士則要經(jīng)過一段時間后才全部崩解，午城黃土浸水后基本不崩解。第二節(jié) 黃土隧道的工程特征一、黃土隧道研究現(xiàn)狀黃土隧道的工程特征，由于黃土特殊的物理力學(xué)性質(zhì)，而表現(xiàn)出與普通巖石隧道相當(dāng)大的差異。在黃土隧道建設(shè)的歷史過程中，設(shè)計(jì)院、科研院校以及施工單位結(jié)合黃土的特性對黃土隧道的工程特征進(jìn)行過大量研究工作：對隴海線三門峽鐵路部門：上世紀(jì)六十年代鐵道部成立黃土雙線隧道現(xiàn)場設(shè)計(jì)研究組,對隴海線三門峽潼關(guān)段13座出現(xiàn)裂縫的黃土雙線隧道進(jìn)行試驗(yàn)研究；八十年代鐵科院在大秦線對淺埋黃土隧

8、道做過大斷面開挖與噴錨支護(hù)的研究；1989年中鐵隧道局主持“淺埋黃土質(zhì)雙線鐵路隧道施工新技術(shù)”研究；九十年代修建的寶中線、神延線、神朔線、西延線、朔黃線等出現(xiàn)了大量的 單線及部分雙線黃土隧道，神延鐵路公司與西南交通大學(xué)“黃土隧道施工研究”；1999年鐵一局主持“大跨度黃土隧道新奧法施工綜合技術(shù)研究”。公路部門：隨著近年西北高速公路的大量修建，公路系統(tǒng)針對雙車道公路隧道（開挖斷面105m2）做過比較多的研究。 如2000年2001年甘肅省交通廳與長安大學(xué)“公路黃土隧道圍巖 特性及支襯結(jié)構(gòu)受力性狀研究”；黃陵延安高速公路公司與長安大學(xué)“黃土隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施 工控制研究”。在黃土隧道基礎(chǔ)加固方面，甘

9、肅省交通廳與長安大學(xué)及中鐵19局完成“土家灣隧道軟黃土地基加固技術(shù)試驗(yàn)研究”。西安理工大學(xué)水電學(xué)院教授劉祖典編著的黃土力學(xué)與工程一書，總結(jié)了大量的研究成果，對黃土力學(xué)與工程建設(shè)進(jìn)行了深入細(xì)致的分析研究。二、黃土隧道典型工程特征通過以上長期的試驗(yàn)、研究和工程實(shí)踐，可以將黃土隧道的主要工程特征概括歸納為以下 幾個方面：（一）黃土隧道圍巖壓力特征1、壓力分布規(guī)律：黃土雙線隧道垂直地層壓力在隧道兩側(cè)拱部45o和起拱線處較大，向拱頂逐漸遞減，可能成一反拱形分布；2、側(cè)向壓力系數(shù)：拱部有較大的側(cè)向壓力，側(cè)向壓力系數(shù)范圍入=0.50.8,墻部側(cè)向壓力較小；3、豫西（鄭西客專范圍）黃土隧道土體破裂角，破裂面起

10、點(diǎn)調(diào)查揭示在拱腳，為折線，可 能有多條，但主要的只要一條，角度5863 ;4、黃土雙線隧道的土體破壞一般不能形成所謂的普氏壓力拱，巖石隧道設(shè)計(jì)采用的普氏理論與黃土隧道的實(shí)際壓力分布不符。（二）黃土隧道初期支護(hù)的變形特征1、黃土隧道初期支護(hù)收斂變形量較巖石隧道大，且底鼓現(xiàn)象嚴(yán)重;2、黃土隧道初期支護(hù)的變形量與黃土性質(zhì)（如新老黃土）、洞室跨度，尤其是土體的含水量有著密切的關(guān)系。隧道開挖后洞室變形具有“三大、三小”的特點(diǎn)：新黃土變形量大，老黃土變形量??；大跨洞室變形量大，小跨度洞室變形量?。?土體含水量大時變形量大，土體含水量小時變形量小。變形的主要表現(xiàn)形式為初期支護(hù)的整體下沉。黃土隧道變形發(fā)展的規(guī)

11、律性很強(qiáng)?，F(xiàn)以雙車道高速公路隧道臺階法開挖工程為例，現(xiàn)場施工監(jiān)控量測資料表明，初期支護(hù)的變形發(fā)展一般分為三個階段：第I階段：上導(dǎo)坑開挖后 13天，變形（下沉）小，拱部僅輕微下沉拱腳輕微內(nèi)移，變形量一般為13 cmo第n階段：迅速發(fā)展階段，該階段從下半斷面落底挖邊墻馬口開始，洞室變形發(fā)展迅速，變形量往往達(dá)到 3 （無水）20cm （有水）。第m階段：變形趨于穩(wěn)定階段，該階段從仰拱初期支護(hù)封閉成環(huán)，仰拱模筑混凝土施工完成后開始，至二次拱墻模筑襯砌施工完成止。施工量測表明，該階段變形（沉降）趨于穩(wěn)定。隧道開挖后總的變形量值和迅速變形階段結(jié)束的時間，完全受控于仰拱封閉的時間，仰拱早封閉則總變形量小，

12、仰拱晚封閉則總變形量大。 黃土隧道初期支護(hù)變形量與仰拱施作時間的圖16-2-1初支變形量與仰拱施作時間關(guān)系（三）圍巖的含水量是影響圍巖穩(wěn)定、支護(hù)變形量的重要因素根據(jù)陜西省交通廳公路勘察設(shè)計(jì)院的經(jīng)驗(yàn)，黃土含水量可以分為三個等級，針對不同黃土 含水量采用不同的支護(hù)、加固措施，如表 16-2-1。高速公路黃土含水量與支護(hù)關(guān)系表16-2-1序 號黃土含水量（為特 征支護(hù)參數(shù)117天然含水量圍巖穩(wěn)定性好，按普通黃土隧道設(shè)計(jì)21726土質(zhì)變軟，施工時仰拱可能 積水圍巖較穩(wěn)定，仰拱開挖后噴砂封閉（510cm）326 32水從鉆孔中流出，若用手掌 接觸開挖面，手掌沾水。圍巖穩(wěn)定性差，按有水黃土設(shè)計(jì)，仰拱緊跟，

13、及時封 閉，支護(hù)加強(qiáng)。必要時仰拱采用鋼花管壓漿加固。第三節(jié)黃土隧道設(shè)計(jì)一、普速鐵路、高速公路黃土隧道設(shè)計(jì)從上世紀(jì)六十年代對隴海線三門峽潼關(guān)段13座開裂黃土雙線隧道進(jìn)行試驗(yàn)研究，到八十年代鐵科院對大秦線軍都山隧道進(jìn)口淺埋黃土段的研究，以及九十年代初我國第一座采用噴錨構(gòu)筑法設(shè)計(jì)施工的土質(zhì)單線長隧道一一大寨嶺隧道，再到寶蘭二線高含水量新松樹灣隧道的建成，我國在黃土地區(qū)的隧道修建技術(shù)也從傳統(tǒng)的礦山法逐漸過渡到噴錨構(gòu)筑法，黃土隧道設(shè)計(jì)方法與施工工藝亦逐漸走向成熟。（一）普速鐵路黃土隧道設(shè)計(jì)參數(shù)近些年我國修建了大量單、雙線鐵路黃土隧道， 在普通單、雙線普通斷面黃土隧道的設(shè)計(jì)方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。表16-3

14、-1為神木延安鐵路單線黃土隧道代表性支護(hù)參數(shù)。神木延安鐵路單線黃土隧道支護(hù)參數(shù)表16-3-1圍 巖 級 別初次襯砌二次襯砌預(yù) 留 變 形 （cm）噴層 厚度 （cm）錨桿22鋼筋網(wǎng) （J）6鋼拱架拱部 墻部仰拱長度 （m）間距(cm)間距(cm)型號間距 （m）厚度（cm）厚度(cm)V153.01.020X 20I160.5 1.035407IV102.51.025X 25I160.5 1.030355(二)高速公路黃土隧道設(shè)計(jì)參數(shù)甘肅、陜西等黃土核心地區(qū)近十幾年來修建了多條高速公路，出現(xiàn)了大量采用噴錨構(gòu)筑法設(shè)計(jì)施工的雙車道公路黃土隧道(開挖斷面約100吊)，同時也完成了許多科研項(xiàng)目。針對不

15、同大小的斷面，已有了比較合理的支護(hù)參數(shù)系列。表16-3-2為黃延高速公路黃土隧道支護(hù)參數(shù)黃延高速公路黃土隧道支護(hù)參數(shù)表16-3-2圍 巖 類 別噴層 厚 度 (cm)徑向錨桿鋼筋網(wǎng)鋼拱架管棚小89二襯厚 度 (cm)預(yù)留 變形 (cm)直 徑 (mm長度 (m)間距 (m直 徑 (mm間距(cm)型號間距(cm)長度 (m)間距(cm)I28224.51.08.020I20a5010505515n25224.01.08.020I20a755012二、高速鐵路黃土隧道設(shè)計(jì)(一)黃土隧道主要設(shè)計(jì)原則根據(jù)黃土隧道的工程特征、高速鐵路超大斷面的特點(diǎn)，確定以下黃土隧道主要設(shè)計(jì)原則：1、黃土隧道的選線要遵

16、循繞避的原則隧道選線一方面要避免穿行于不良地質(zhì)帶，同時要避免通過地形、 地貌變化復(fù)雜、沖溝陷穴發(fā)育地帶，以及明顯地形、地質(zhì)偏壓地段。隧道盡可能從老黃土或者紅粘土中穿過，避免從 新黃土中通過。2、襯砌斷面形式的選擇(1)黃土隧道襯砌斷面應(yīng)采用平拱。雙線客專黃土隧道結(jié)合圍巖壓力特點(diǎn)及緩解空氣動 力學(xué)效應(yīng)的需要，宜采用單心圓拱；(2)襯砌斷面應(yīng)選用曲墻帶仰拱形式，邊墻與仰拱之間宜圓順連接；3、防排水(1)位于地下水位線以下的黃土隧道宜以堵為主，采用全封閉襯砌，進(jìn)行防水分區(qū)；(2)施工縫、變形縫的防水措施，防水板，排水管組成的防排水系統(tǒng)應(yīng)具有可維護(hù)性?？删S護(hù)性指防排水系統(tǒng)具有易于維修、養(yǎng)護(hù)，持久保持其

17、功能的性質(zhì)。其屬性可歸納為：1)襯砌外部水的可控制性；2)滲漏部位的可診斷性；3)滲漏部位的易修復(fù)性；4)排水系統(tǒng)的易疏導(dǎo)性；5)防排水材料、部件的易更換性。設(shè)計(jì)時應(yīng)進(jìn)行可維護(hù)性設(shè)計(jì)。4、支護(hù)結(jié)構(gòu)(1)隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)按新奧法原理設(shè)計(jì)，采用復(fù)合式襯砌；(2)初期支護(hù)應(yīng)有足夠大的剛度，宜選用型鋼鋼架；(3)高速鐵路二次襯砌應(yīng)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。5、結(jié)構(gòu)計(jì)算(1)物理力學(xué)參數(shù)的選用由于不同地區(qū)黃土物理力學(xué)參數(shù)差異較大，結(jié)構(gòu)計(jì)算所需要的黃土圍巖物理力學(xué)參數(shù)應(yīng)盡量通過現(xiàn)場取樣、原位試驗(yàn)獲得；(2)荷載1)淺埋隧道：按松弛荷載，考慮黃土C ?的影響；2)深埋隧道：考慮圍巖的形變壓力；(3)計(jì)算模型：二次

18、襯砌采用“結(jié)構(gòu)荷載”模型，應(yīng)用SAP90軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析。初期支護(hù)采用有限單元法和有限差分法應(yīng)用Ansys,Flac-3D軟件，進(jìn)行二維或三維彈塑性分析及粘彈塑性分析；對施工各分部應(yīng)應(yīng)用三維彈塑性分析軟件分析每部的變形、應(yīng)力及隧道結(jié)構(gòu)的最終狀態(tài)。圖163為CRDfe施工的計(jì)算模型示例：模型為三維模型，模型縱向長為90 nl兩側(cè)離隧道中心為100m,底部邊界離隧道軌面 100 nl隧道頂部覆土為100m,上部邊界自由邊界。共有70920個8節(jié)點(diǎn)六面體單元，共有節(jié)點(diǎn)數(shù)75888個。模型網(wǎng)格具體見圖16-3-1 。a)開挖臺階布置情況b)個。模型網(wǎng)格具體見圖16-3-1 。a)開挖臺階布置情況b

19、)局部網(wǎng)格放大圖圖16-3-1 CRD法計(jì)算模型6、隧道拱腳地基的加固設(shè)計(jì)（1）結(jié)構(gòu)措施1）拱腳設(shè)置鎖腳錨桿，必須保證鎖腳錨桿的數(shù)量和長度;2）增大拱腳截面積，其截面積應(yīng)由計(jì)算確定;酬豌單位林上僦上杜蹦力KPa20-7020-4C赳醺蒯思2040田7加加舟髓KN/m3117詢勤緘口5M巧在土舶的期球MPn/m200如125MPo/m150250KXK150（2）加固措施可采用密實(shí)法、旋噴樁或攪拌樁加固；（3）換填措施可采用挖除換填；地基加固技術(shù)的選擇，要進(jìn)行專門研究，且必須滿足黃土隧道施工的空間和時間要求。（二）鄭西客專黃土隧道設(shè)計(jì)1、隧道支護(hù)參數(shù)鄭西客專黃土隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合考慮了新老黃土（圍

20、巖級別及G值）、隧道深淺埋情況及黃土天然含水量等因素；同時再與已建成鐵路雙線隧道及公路黃土隧道進(jìn)行工程類比，最終確定鄭西客專超大斷面黃土隧道支護(hù)參數(shù)如表16-3-3 。客專超大斷面黃土隧道支護(hù)參數(shù)表16-3-3所如支：F二賈尉毋煙落爪呻錯軒割笑（由】耀（曲巾H蜘 Hh cm)聃（M）魅靶NtiM)皿擲1ft#樂翩也 f m）也u m器納械引加加螂1.0 x13.5刪口方至和50鈍就叫印心也燃1 .Ox 1.02h15122a“的50S0V朧，麒同加加物IJOK L0254I22d0刷冷W忸1re1八井埼，即我/而n到1.0K 1 國旺4如即用2、計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)鄭西客專黃土隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算采用物理

21、力學(xué)參數(shù)如表16-3-4物理力學(xué)參數(shù)表16-3-43、隧道代表性斷面鄭西客專黃土隧道IV、V級圍巖代表性橫斷面，如圖 16-3-2IV圍巖V級圍巖圖16-3-2代表性橫斷面（三）有待進(jìn)一步研究的問題高速客專超大斷面黃土隧道工程的建設(shè)，在國內(nèi)甚至國外都是第一次，它既要面臨普通黃土隧道工程建設(shè)的難題，同時又要解決因?yàn)閿嗝娣e增大而帶來的新問題，沒有經(jīng)驗(yàn)可以參考。設(shè)計(jì)原則制定得正確與否，以及設(shè)計(jì)中沒有弄明白的問題，只有通過現(xiàn)場施工來驗(yàn)證， 并通過現(xiàn)場科研、試驗(yàn)來加以解決。1、關(guān)于拱部系統(tǒng)錨桿的作用問題黃土隧道拱部系統(tǒng)錨桿作用如何，特別是淺埋隧道拱部系統(tǒng)錨桿有沒有必要設(shè)置，多少年來一直是黃土隧道修建過程

22、中討論的熱點(diǎn)問題。對于深埋黃土隧道，由于圍巖壓力主要表現(xiàn)為形變壓力，土體塑性區(qū)范圍一般不大，如中鐵一局在國道210線黑山寺黃土隧道主持的科研項(xiàng)目“大跨度黃土隧道新奧法施工綜合技術(shù)研究”中，對開挖跨度12.54m的公路隧道所做的有限元分析表明，隧道開挖后最大塑性區(qū)為 3.3m。所以公路系統(tǒng)隧道設(shè)計(jì)錨桿一般較長，如黃延高速公路系統(tǒng)錨桿長44.5m。根據(jù)現(xiàn)場測試,錨桿拉拔力一般大于 50kN,說明深埋黃土隧道系統(tǒng)錨桿的作用不能忽視。對于淺埋隧道，由于隧道開挖后洞頂土體呈整體下沉趨勢，土體發(fā)生塑性變形，再考慮到黃土地層垂直節(jié)理發(fā)育的特性，所以有人認(rèn)為拱部系統(tǒng)錨桿作用不大?？梢钥隙ǖ氖菧\埋黃土隧道系統(tǒng)錨

23、桿作用沒有深埋隧道大，但能否在設(shè)計(jì)中取消，這就需要進(jìn)行專題研究，按拱部設(shè)錨桿與拱部不設(shè)錨桿兩種支護(hù)形式進(jìn)行對比試驗(yàn)，通過洞室變形、 支護(hù)內(nèi)力等項(xiàng)目的對比來確定。2、黃土含水量與初期支護(hù)、預(yù)留變形量的關(guān)系大量的工程實(shí)踐已經(jīng)證明，黃土隧道開挖后當(dāng)黃土含水量少時，洞室穩(wěn)定程度較巖石隧道V級圍巖（如斷層破碎帶）好；但黃土含水量大時（一般超過20%或稍小），隧道塌方的風(fēng)險大大增加，圍巖收斂變形難以穩(wěn)定。因此，鄭西客專大斷面黃土隧道考慮了黃土的這一工程特性，設(shè)計(jì)時初期支護(hù)參數(shù)及預(yù)留變形量值根據(jù)黃土含水量大小而有所區(qū)別。含水量按大于20% 15320叱間及小于15%分為含水量大、一般及含水量少三個等級。結(jié)合

24、黃土的塑限含水量（如鄭西客專粘性黃土塑限含 水量19%,并參考了大量已施工的黃土隧道發(fā)生病害時的含水量，如寶蘭二線新松樹灣隧道 施工至DK1601+036時黃土含水量明顯變大，含水量達(dá)到23.3%,導(dǎo)致支護(hù)收斂變形異常等工程實(shí)例，鄭西客專設(shè)計(jì)中取黃土天然含水量上限為20%根據(jù)黃土含水量的三級劃分原則來確定初期支護(hù)參數(shù)及預(yù)留變形量值，對客專超大斷面隧道來說還沒有經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn)； 另外，由于隧道開挖后土體含水量一般都要增大， 有時不一定 是天然含水量，這就要求開展現(xiàn)場測試工作， 結(jié)合施工中黃土含水量的變化， 對不同的黃土含 水量對應(yīng)的支護(hù)參數(shù)和預(yù)留變形量值的大小作進(jìn)一步研究。3、型鋼鋼架與格柵鋼架

25、的適用條件目前在黃土隧道鋼架的采用上，我國公路部門較多采用 HW1751鋼鋼架，如陜西黃陵至延安高速公路黃土隧道緊急停車帶部分，鐵路部門更多地采用了格柵鋼架。兩種鋼架型式各有其優(yōu)缺點(diǎn)：型鋼鋼架的優(yōu)點(diǎn)在于初期剛度大，且剛度上得快，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件差時有較大優(yōu)勢；缺點(diǎn) 在于和圍巖的接觸條件不好，噴混凝土不易填滿鋼架背后空隙，且和噴混凝土的共同作用效應(yīng) 不佳，格柵鋼架的工程特點(diǎn)則正好相反。黃土隧道初期支護(hù)變形特點(diǎn)在于初期變形量大，所以在鋼架的使用上應(yīng)結(jié)合隧道埋深及黃土天然含水量情況而定： 在淺埋隧道段以控制初期支護(hù)的收斂變形量為重點(diǎn)，以及含水量大時宜采用型鋼鋼架，其余地段可采用格柵鋼架。然而，目前國內(nèi)畢竟

26、還沒有象客專雙線開挖面積達(dá)160 m2的黃土隧道修建經(jīng)驗(yàn)，這種選擇原則是否正確，還應(yīng)在施工中去進(jìn)一步論證，結(jié)合隧道的實(shí)際地質(zhì)條件、地下水、初期支護(hù) 收斂變形量及實(shí)際測得的支護(hù)應(yīng)力情況綜合研究兩者的適用范圍。4、圍巖壓力及結(jié)構(gòu)檢算方法的研究（1）大跨黃土隧道圍巖壓力計(jì)算1）我國黃土隧道設(shè)計(jì)中圍巖壓力計(jì)算現(xiàn)狀在進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，必須對擬訂的初期支護(hù)及二次襯砌進(jìn)行力學(xué)檢算，目前用得最多的計(jì)算方法還是“荷載-結(jié)構(gòu)”模型，即首先計(jì)算出隧道所承受的圍巖壓力，然后把荷載加到 結(jié)構(gòu)上，以此計(jì)算出結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。關(guān)于黃土隧道圍巖壓力的計(jì)算較為復(fù)雜，按深淺埋分別進(jìn)行計(jì)算。 計(jì)算方法包括：松弛荷載法、太沙基公式、謝家

27、休公式（淺埋）、彈塑性理論公式（深埋）、經(jīng)驗(yàn)公式等。以上公式或理論都有一定的局限性和適用條件，不一定適合超大斷面黃土隧道的設(shè)計(jì)。2）淺埋黃土隧道圍巖壓力計(jì)算淺埋隧道由于承受的是松弛荷載，其圍巖壓力計(jì)算最不利情況按隧道上覆土柱的全部重力考慮，這種計(jì)算明顯過于保守，僅適用于超淺埋隧道。對于一般淺埋段，常規(guī)的做法是上覆土 柱的重力減去兩側(cè)土體對土柱的摩擦阻力。淺埋黃土隧道圍巖壓力也可按謝家便公式進(jìn)行計(jì) 算，謝家便公式考慮了黃土的C、中值，應(yīng)該說更結(jié)合了黃土隧道的特點(diǎn)。根據(jù)長安大學(xué)公路學(xué)院在甘肅省讒口至蘭州高速公路新莊嶺隧道所做的測試（測試斷面埋深82m ,按謝家便公式計(jì)算的圍巖壓力為 803.5kP

28、a ,實(shí)測值為424.1 kPa ,說明理論計(jì)算和 實(shí)際還有較大差距。鄭西客運(yùn)專線按覆蓋層 45m計(jì)算，計(jì)算圍巖均布壓力為 600 kPa,這個結(jié) 果略大于按一般淺埋減去摩擦阻力的計(jì)算結(jié)果，對于超大斷面黃土隧道是否合適， 尚須實(shí)測驗(yàn) 證。3）深埋黃土隧道圍巖壓力計(jì)算常規(guī)的深埋隧道圍巖壓力計(jì)算方法存在著與實(shí)際情況不符的問題，設(shè)計(jì)中用得最多的是鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 中的坍方高度公式， 但是該公式是基于單線鐵路隧道各類圍巖坍方高度 的平均值，是一種經(jīng)驗(yàn)公式，對于開挖斷面已達(dá)160吊的大斷面隧道，特別對于黃土隧道不一定合適。另外，無論是太沙基理論還是普氏理論，均以松散體理論為基礎(chǔ)， 和鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中的

29、坍方高度公式相似，都是不加支護(hù)情況下的最終坍落高度。然而大量的實(shí)測資料和理論分析均證明，深埋黃土隧道圍巖壓力主要為形變壓力，作用在黃土隧道襯砌上的圍巖壓力其主要部分是由土體的塑性變形及長期蠕變引起的。如長安大學(xué)公路學(xué)院在讒口至蘭州高速公路白虎山隧道所做的實(shí)測資料(測試斷面處埋深167.5m),圍巖壓力分布較為均勻，并未明顯表現(xiàn)出淺埋隧道特有的兩側(cè)墻腳壓力大的特點(diǎn)。說明淺埋隧道和深埋隧道圍巖壓力差別較大，同時也說明以豎向力為主的坍方高度公式計(jì)算的圍巖壓力不適合于深埋黃土隧道。傳統(tǒng)的馬蹄形隧道斷面適用于豎直壓力為主的松散壓力理論，但隨著隧道斷面越修越大，以及土質(zhì)或軟弱圍巖中隧道的大量修建，馬蹄形斷

30、面已不能適應(yīng)大斷面土質(zhì)隧道，越來越多的隧道采用邊墻腳圓順連接方式，這種形式更能適應(yīng)深埋隧道形變壓力的特點(diǎn)。鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊？隧道第457頁中的深埋隧道彈塑性理論公式應(yīng)該說比較適合黃土隧道的特點(diǎn)，計(jì) 算結(jié)果較接近實(shí)測值，但對超大斷面黃土隧道還須進(jìn)一步驗(yàn)證。西安理工大學(xué)劉祖典教授在 黃土力學(xué)與工程一書中，對小斷面黃土洞室推薦采用經(jīng)驗(yàn) 公式。 2根據(jù)各種公式計(jì)算結(jié)果，鄭西客專大跨黃土隧道垂直壓力最大一般為6080tzm。(2)荷載分配及計(jì)算結(jié)果客專隧道二次襯砌按承受圍巖壓力的60%十算，通過各種工況計(jì)算分析，一般情況下二次襯砌均滿足鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)，個別點(diǎn)不滿足，通過配筋解決。IV

31、級淺埋二次襯砌內(nèi)力及位移計(jì)算結(jié)果如圖16-3-3 。軸力圖（kN）彎矩圖（kN.m）安全系數(shù)圖位移曲線圖（軸力圖（kN）彎矩圖（kN.m）安全系數(shù)圖位移曲線圖（mm圖16-3-3 IV級淺埋內(nèi)力及安全系數(shù)圖綜上所述，無論是對黃土隧道圍巖壓力的認(rèn)識，還是隧道結(jié)構(gòu)的檢算理論、方法基本上都是建立在普通巖石隧道的理論和經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的，這就未能全面反映黃土這一特殊地層與隧道工程的內(nèi)在客觀聯(lián)系，最后出現(xiàn)對同樣的工程，不同的人，有不同的認(rèn)識；不同的人用不同的計(jì)算理論其結(jié)果卻相去甚遠(yuǎn)的情況。因此，對于黃土隧道工程，我們還應(yīng)該結(jié)合具體的工程實(shí)踐，開展大量、系統(tǒng)的研究工作，進(jìn)一步探索黃土與隧道工程間內(nèi)在、本質(zhì)的聯(lián)系

32、。第四節(jié) 濕陷性黃土隧道地基處理一、濕陷性黃土隧道地基處理的目的和要求進(jìn)行濕陷性黃土隧道地基處理的目的就是要滿足客運(yùn)專線鐵路對建筑物工后沉降的要求，保證高速鐵路列車運(yùn)營的安全。根據(jù)高速鐵路設(shè)計(jì)暫規(guī)，路基的工后沉降要求一般地段不大于5cm,沉降速率應(yīng)小于 2cm/年；對于橋梁墩臺均勻沉降量的容許值規(guī)定：有硝橋面為3cms無硝橋面為2cm；暫規(guī)對隧道工后沉降未做規(guī)定，考慮到隧道工程的特點(diǎn)，隧道底板的工后沉降應(yīng)以不超過橋梁基礎(chǔ)工后沉降容許值為原則，即，有硝道床為3cm、無硝道床為2cm=二、消除隧道基底黃土濕陷性的方法客運(yùn)專線鐵路要求線路有高度的平順性，若隧道基礎(chǔ)為濕陷性黃土，則須考慮采取工程措 施

33、消除地基黃土的濕陷性。消除黃土濕陷性的措施很多，應(yīng)根據(jù)具體的工程環(huán)境而定。一般來說，若隧道仰拱以下濕 陷性黃土土層較薄， 通常采用三七灰土換填； 當(dāng)因濕陷性黃土較深而換填不可行時，多采用擠密樁或置換施工法來消除黃土濕陷性。隧道內(nèi)地基加固的方法一般常見的有四種：（1）沉管成孔法；（2）鉆孔夯擴(kuò)法；（3）靜壓預(yù)制樁法；（4）高壓旋噴法。其中，前 3種屬于擠密法，后一種為置換施工法。（1）沉管成孔法：屬于非排土型成孔法，根據(jù)施工機(jī)械的不同可采用振動沉管法、錘擊沉 管法、靜壓沉管法和沖擊成孔法。1 ）振動沉管法：采用振動沉管機(jī)，將底端封閉的鋼管沉入預(yù)定的基底深度，并邊拔管邊 回填料，并利用振動/沖擊裝

34、置擠密孔內(nèi)的松散回填料，同時對莊周士體再次擠密 （二次擠密）。由于此方法振動小，擠密效果好，成孔質(zhì)量高，在采取正確的技術(shù)工藝后施工振動較小，對隧 道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖的穩(wěn)定影響不大，是首選方法。2）錘擊成孔法：采用打樁機(jī)將鋼管打入土中至設(shè)計(jì)深度。錘擊沉管成孔后，向孔內(nèi)邊填 料邊夯實(shí)，直至成樁。此方法振動和噪音較上述方法大，對隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖的穩(wěn)定影響較大。3）沖擊成孔法：借助于機(jī)械提升后沖錘在自由下落時產(chǎn)生的沖擊能量，對擬加固的基底 沖擊成孔，在此過程中對孔周土體進(jìn)行側(cè)向擠密。成孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度后分層加入填料，同樣利用沖錘自由下落時產(chǎn)生的沖擊能量對松散回填料進(jìn)行沖擊擠密成樁，也對回填料擠密

35、樁的樁周土再次進(jìn)行擠密加固。在隧道內(nèi)，沖擊擠密樁的施工是在開挖隧道只具有初期支護(hù)的條件下進(jìn)行的。由于非飽和濕陷性黃土的敏感性，沖擊振動將對隧道初期支護(hù)和黃土圍巖產(chǎn)生不利影響，甚至可能造成嚴(yán)重后果。因此，必須對其振動效應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測和控制。（2）鉆孔夯擴(kuò)法：如洛陽鏟和工程地質(zhì)鉆機(jī)， 屬于排土型成孔法。鉆孔直徑約300400mm 該方法振動小，但是擠密效果不如非排土型成孔法，也就是說，消除濕陷性黃土的效果不如上述（1）中所述的方法。（3）靜壓預(yù)制樁法：靜壓樁是利用靜壓力將預(yù)制樁壓入土中，同時對樁周土產(chǎn)生擠密作 用。通過擠密作用可消除黃土的濕陷性，加固隧道基底。施工中沒有振動和噪音，因此對隧道圍巖無振動

36、影響。(4)高壓旋噴樁：高壓旋噴樁法是利用沉入土層中的特制旋噴頭，將水泥漿液高壓(2030MPO)噴出，直接沖切孔周土體，使土體與噴射水泥漿液就地?cái)嚢杌旌?，凝固后形成?qiáng)度高的水泥土混合體，從而達(dá)到改善土體性質(zhì)，提高強(qiáng)度和剛度，消除濕陷性的目的。與上述各擠密樁的原理不同，高壓旋噴樁法是一種強(qiáng)行置換固化方法。技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量可靠、進(jìn)度快、施工中沒有振動和噪音，因此對隧道圍巖無振動影響。關(guān)鍵問題主要是工程造價較(Wj 三、現(xiàn)場試驗(yàn)隧道基底加固完成后， 應(yīng)對基底加固效果進(jìn)行測試，除密度，濕陷性，滲透性，抗剪強(qiáng)度，壓縮模量等指標(biāo)外，還有彈性抗力系數(shù)和基底承載力測試。(一)圍巖彈性抗力系數(shù)和黃土基底承載力的

37、現(xiàn)場測試黃土圍巖彈性抗力系數(shù)是對黃土隧道進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的重要參數(shù)，至今我國尚缺乏這方面的可靠數(shù)據(jù)。同時，應(yīng)對黃土加固處理后的承載力進(jìn)行試驗(yàn)檢測，以驗(yàn)證是否滿足設(shè)計(jì)要求。加固后基底承載力的試驗(yàn)應(yīng)包括單樁和復(fù)合基底兩部分。測定的主要參數(shù)是： 荷載-沉降(ps)曲線，從中得出黃土圍巖彈性抗力系數(shù)kv (MN/俞和基底承載力極限值 pu (kN)。試驗(yàn)簡圖如16-4-1圖，可供現(xiàn)場試驗(yàn)參考。圖16-4-1平板荷載試驗(yàn)示意圖1,黃土圍巖彈性抗力系數(shù)的試驗(yàn)測定根據(jù)圖的平板載荷試驗(yàn)加載方案二，利用反力柱將千斤頂所施加的荷載傳遞到拱頂墊板，拱頂 墊板和隧道頂部填以水泥砂漿(或弧形墊板)，這樣處理就可以近似認(rèn)為荷載是均勻作用在隧道頂部 圍巖上。根據(jù)荷載、墊板面積以及荷載作用下產(chǎn)生的位移，就可以計(jì)算出圍巖彈性抗力系數(shù)。2.加固基底承載力試驗(yàn)基底承載力檢測方法采用平板載荷試驗(yàn)，承載板的面積為單根樁所承擔(dān)的處理面積。為減小對隧道施工的干擾，可在隧道外進(jìn)行復(fù)合基底承載力現(xiàn)場試驗(yàn)。(1)試驗(yàn)裝置平板載荷試驗(yàn)由剛性承壓板、加荷系統(tǒng)、反力系統(tǒng)和觀測系統(tǒng)組成(見圖8)。壓板置于擬檢測的基底表面，壓板下設(shè)置20m曲度的中粗砂平衡層。加荷系統(tǒng)采用油壓千斤頂， 千斤頂?shù)闹休S線通過壓板中心。反力系統(tǒng)采用堆載作為反力源，堆載量不小于承載力設(shè)計(jì)要求值的兩倍。監(jiān)測荷載量值的伺服裝置采用聯(lián)于千斤頂及油泵上的0.4M