黃土隧道基本知識(shí)及支護(hù)開挖方法

黃土隧道基本知識(shí)及支護(hù)開挖方法一、黃土隧道地質(zhì)類型甲類：圍巖為中下更新統(tǒng)黃土，物理力學(xué)性質(zhì)好，無(wú)濕陷，穩(wěn)定性好。乙類：中更新統(tǒng)上部黃土，無(wú)濕陷或弱濕陷，工程性能較好。夾多層古土壤。丙類：圍巖為新黃土。工程性能差。黃土狀土隧道：黃土或黃土狀土夾砂層，黃土塬下部及河流兩岸階地，有時(shí)砂層厚十多米。在含地下水的情況下，最易產(chǎn)生噴砂冒水坍塌、冒頂?shù)仁鹿?，以砂層在拱頂分布者?duì)隧洞穩(wěn)定最為不利。二、黃土隧道的線路選擇地形上，應(yīng)選擇洞身最短的位置穿過黃土塬、梁或黃土塬嘴，在隧洞進(jìn)出口地帶均有大小不同的沖溝或彎道，而梁兩邊相對(duì)較大的溝道，可能是洞身最短的洞線位置。A、隧洞位置的塬梁地面，應(yīng)該是平整的或凸起的地形；B、隧洞線路表面不應(yīng)有洼地存在，特別應(yīng)避免封閉式的存儲(chǔ)地表徑流的洼地；C、洞線也應(yīng)避開塬面上的較大渠道，否則，集流洼地和渠道的水，可能成為隧洞的不穩(wěn)定因素．(2)地質(zhì)構(gòu)造方面，黃土構(gòu)造大裂隙、區(qū)域性的構(gòu)造裂隙，一般有幾組，要通過調(diào)查、訪問和勘探，找出最發(fā)育的一組或洞線附近最大的幾條。該類裂隙寬度大，影響深，平時(shí)被地表黃土覆蓋，大暴雨或地震時(shí)，部分的裂開而暴露，群眾稱為“流?？p“或“龍縫”．這種“龍縫”可能有的沿溝谷或洼地發(fā)育，成為地面水的排泄通道．洞線選在大裂隙網(wǎng)一方位上，是極不利的選擇。(3)巖性上，時(shí)代愈老，強(qiáng)度愈高．作為隧洞圍巖穩(wěn)定性愈好。厚層鈣質(zhì)結(jié)核層作為洞頂圍巖，將是最理想的洞線方案。(4)隧洞穿過滑坡體:A、應(yīng)首先查明該滑坡的滑動(dòng)面深度，各滑塊的位置關(guān)系，滑坡體巖性分布及地下水情況；B、證明該滑坡體早已穩(wěn)定，且不可能再?gòu)?fù)活。一般穩(wěn)定的古滑坡或老滑坡，方可允許隧洞從滑坡體穿越；C、研究隧洞穿越滑坡體的方案。最有利的洞線方案是沿坡體中段的較大滑塊的中部．而且選擇整體滑移，巖層錯(cuò)亂少，巖性較均一的滑塊．D、各滑塊的交界處，裂隙發(fā)育，巖性混雜。洞線通過滑塊交界處，對(duì)隧洞和滑坡穩(wěn)定都不利。

(5)地下水條件黃土在水下處于近飽和狀態(tài)，排水量不一定大，但洞頂洞壁的穩(wěn)定性差，施工條件較水上非飽和黃土差得多，如果洞線是沖積黃土狀土，中間是水平層理的細(xì)粉砂層或較粗的砂礫層，洞身位于水下會(huì)產(chǎn)生流砂和排水困難的嚴(yán)重問題。選線時(shí)應(yīng)設(shè)法使洞身置于地下水位以上。使洞線在原線路上向上升高。三、黃土隧洞進(jìn)、出口的布置隧洞進(jìn)出口的斜坡地段，巖性變化大，自然地質(zhì)作用發(fā)育，地質(zhì)問題較多。一般說，黃土隧洞進(jìn)、出口選擇過程應(yīng)考慮的地質(zhì)問題主要是：

(1)隧洞進(jìn)出口的巖性變化洞身一般深埋于地下，大多置于老黃土地層中。進(jìn)出口洞身淺，且處于斜坡地段，可能有新黃土或新近堆積黃土存在。隧洞進(jìn)、出口段圍巖由工程性質(zhì)較差的濕陷性黃土構(gòu)成，將成為一個(gè)不穩(wěn)定因素。選線中對(duì)厚層的濕陷性黃土層應(yīng)繞道，對(duì)簿層的則可開挖掉。(2)洞臉邊坡的穩(wěn)定問題。隧洞進(jìn)、出口洞臉常被削成人工邊坡，這種黃土高邊坡如有大的崩塌或滑移，將堵塞洞口造成事故，因而洞臉邊坡穩(wěn)定問題，是隧洞進(jìn)、出口方案比較的主要問題之一。(3)隧洞進(jìn)、出口溝谷兩岸的穩(wěn)定性。隧洞進(jìn)、出口洞臉兩側(cè)將受到溝谷兩岸岸坡穩(wěn)定性的影響。選作隧洞進(jìn)、出口的溝谷，兩岸應(yīng)是穩(wěn)定的，特別應(yīng)注意的是，進(jìn)、出口溝谷不能是天然泥石流或泥流的排導(dǎo)通道．四、黃土隧洞設(shè)計(jì)方法和歷史

盡管黃土地下建筑在我國(guó)已有幾千年的歷史，但是對(duì)其設(shè)計(jì)計(jì)算理論進(jìn)行系統(tǒng)的研究，還是從上世紀(jì)60年代初開始的。由于以往在地下洞室設(shè)計(jì)計(jì)算中所采用的唯一模型是“荷載——結(jié)構(gòu)物”模型，即把作用在襯砌上的圍巖壓力作為外加荷載，只要荷載確定了，則就像地面建筑那樣，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，進(jìn)行襯砌的設(shè)計(jì)計(jì)算。所以在地下洞室的設(shè)計(jì)計(jì)算中，圍巖壓力的確定就成為問題的關(guān)鍵。黃土地下洞室也不例外，黃土洞室設(shè)計(jì)計(jì)算理論的研究大致經(jīng)歷了三個(gè)階段。(1)上世紀(jì)50年代、60年代的設(shè)計(jì)以普氏理論為基礎(chǔ)。通過大量工程實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)普氏理論對(duì)我國(guó)黃土洞室適用性差，按普氏理論所算得的圍巖壓力值大大超過實(shí)測(cè)結(jié)果，其所假定的壓力分布形式及側(cè)荷載系數(shù)也與實(shí)際不符。按此設(shè)計(jì)的襯砌普遍偏厚，造成很大浪費(fèi)；隨后才引起對(duì)黃土洞室圍巖壓力問題的系統(tǒng)研究。

(2)60年代初提出以工程地質(zhì)類比法指導(dǎo)設(shè)計(jì)．并對(duì)黃土按地下洞室穩(wěn)定性要求作了相應(yīng)的分類。

(3)70年代中提出以工程地質(zhì)類比為主，力學(xué)計(jì)算為輔，必要時(shí)用實(shí)測(cè)的方法指導(dǎo)設(shè)計(jì)。五、黃土隧洞變形破壞大量的工程實(shí)踐表明，無(wú)支護(hù)黃土洞室一般均不能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。塌方、片幫和襯砌開裂、滲漏等是黃土隧道的的主要變形破壞形式。其中塌方破壞最為嚴(yán)重。對(duì)于埋深20一50m，跨度6—10m的洞室，拱頂最大下沉量約3一5cm．地表沉降量很小，土體變形隨著掘進(jìn)和時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速率開始較快，以后逐漸減慢，并趨于穩(wěn)定，基本穩(wěn)定時(shí)間約3—4個(gè)月。塌方塌方是黃土隧道最為集中的問題，也是破壞性最大、造成損失最為嚴(yán)重的工程問題。塌方事故的發(fā)生主要集中在隧道進(jìn)出口段或地質(zhì)條件發(fā)生突變的地層中。片幫和襯砌開裂片幫——黃土隧道開挖后，由于開挖導(dǎo)致局部應(yīng)力集中和軟弱結(jié)構(gòu)面的存在而引起的。襯砌裂縫——隨黃土圍巖變形的增大，初次襯砌將承受越來(lái)越大的壓力，導(dǎo)致襯砌開裂，格柵或鋼拱架發(fā)生嚴(yán)重彎曲變形。襯砌開裂的主要原因是襯砌形式與實(shí)際壓力分布不適應(yīng)，還可能是由于噴射混凝土在硬化過程中的自身收縮和施工過程中氣溫變化所致。滲漏滲漏是含水率較豐富或大氣降雨相對(duì)充足的黃土隧道所面臨的工程問題1、部分黃土隧道在開挖過程中，由于含水層儲(chǔ)水和排泄條件差，土體呈可塑或潮濕狀，涌水量較大；2、有的隧道在開挖當(dāng)時(shí)基本無(wú)水，但建成使用數(shù)年后卻有了水，甚至水量還相當(dāng)多。若施工防排水問題未引起重視，隧道運(yùn)營(yíng)中會(huì)出現(xiàn)滲漏與拱腳沉降，并造成拱頂、拱墻、路面裂縫等。

隧道滲水主要通過拱頂、邊墻接縫、排水溝孔、墻角部位滲出，滲漏不僅會(huì)使圍巖自穩(wěn)能力降低，造成局部地層軟化，而且還會(huì)侵蝕普通混凝土，改變支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性，給隧道的安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)威脅。六、黃土隧洞圍巖壓力規(guī)律

(1)對(duì)于工程中常用的洞跨，無(wú)襯砌時(shí)一般均不能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。一旦作了襯砌，只要其以后工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件無(wú)異常，則通?？偰鼙３址€(wěn)定。在現(xiàn)有的工程常用的洞形及高跨比下，當(dāng)土質(zhì)均勻時(shí)，無(wú)襯砌洞的塌方一般首先在拱肩或兩側(cè)，然后隨著洞形及應(yīng)力條件變化向洞頂發(fā)展。塌方的主要特征是脆性剪切破壞。

(2)現(xiàn)有的黃土洞室埋深大都在20一50m，這些洞室的襯砌大部分是“薄”襯砌(是指比按普氏塌落拱理論所設(shè)計(jì)的襯砌薄)。這些襯砌有些雖然在拱腰內(nèi)緣出現(xiàn)拉裂縫．但卻能保持相對(duì)穩(wěn)定。(3)洞周土體變形不是局限于洞周附近的一個(gè)小范圍內(nèi)，而是在由洞壁直至地表的一個(gè)很大范圍內(nèi)連續(xù)變化，逐漸減小，襯砌后在洞周一定范圍內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)土體變形有突然的、明顯的變化。最大變形發(fā)生在拱頂。對(duì)埋深20～50m．跨度6～10m的洞室，拱頂最大下沉量約30mm，地表最大下沉量5一10mm。土體變形隨掘進(jìn)和時(shí)間逐漸增長(zhǎng)，開始較快，以后逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。土體位移u和時(shí)間t的關(guān)系可用雙曲線描述。對(duì)現(xiàn)澆或預(yù)制襯砌，在現(xiàn)有的施工條件下，襯砌位移方向一般均是由兩側(cè)指向洞內(nèi)，拱頂指向洞外。

(4)與土體變形相似，作用在襯砌上的圍巖壓力也沒有突然性，它也是隨著掘進(jìn)與時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。并隨著土體變形的穩(wěn)定而穩(wěn)定。圍巖壓力基本穩(wěn)定時(shí)間也為3—4個(gè)月。它與時(shí)間t的關(guān)系也可用雙曲線描述。七、黃土隧洞圍巖壓力機(jī)理作用在黃土洞室襯砌上的圍巖壓力，其主要部分不是由于土體坍塌而引起的松動(dòng)壓力，而是由于地層變形、擠壓襯砌所產(chǎn)生的變形壓力。斷面所釋放的彈性位移與進(jìn)深的關(guān)系八、黃土隧洞圍巖壓力估算

(1)工程地質(zhì)類比法：掌握了黃土隧洞的地形地質(zhì)條件，再根據(jù)直接影響隧洞黃土壓力的各種地質(zhì)及工程因素與已修建遂洞進(jìn)行對(duì)比，從而確定隧洞黃土的穩(wěn)定性及地層壓力（初始應(yīng)力狀態(tài)、地層結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)、開挖方法、襯砌時(shí)間、洞室埋深等）。

(2)普氏計(jì)算公式：雖然適用性差，但應(yīng)用簡(jiǎn)單，多偏于安全，仍在應(yīng)用。

(3)彈塑性計(jì)算方法：

(4)有限元計(jì)算方法采用有限元等數(shù)值模擬方法計(jì)算圍巖壓力九、黃土隧洞支護(hù)及開挖方法目前，應(yīng)用于黃土隧道的支護(hù)措施主要有以下幾種：掛網(wǎng)、系統(tǒng)錨桿、噴射混凝土、注漿、鋼格柵、鋼拱架、超前小管棚以及大管棚等。

通常情況下，多種支護(hù)措施將聯(lián)合使用，以確保隧道圍巖的穩(wěn)定性。1、噴射混凝土是隧道工程中應(yīng)用最為廣泛的支護(hù)措施，噴層厚度以15～25cm為宜，噴層太薄會(huì)使圍巖變形較大，噴層易產(chǎn)生裂縫；2、黃土隧道中錨桿作用一直以來(lái)頗受爭(zhēng)議，學(xué)者們進(jìn)行了專門的研究，結(jié)果表明錨桿對(duì)隧道位移控制、確保襯砌受力的合理性以及對(duì)塑性區(qū)的控制仍有明顯的效果，可以作為主要的支護(hù)手段之一。合理的錨桿長(zhǎng)度為2.5～3.0m，長(zhǎng)度超過3m后錨桿作用就不很明顯。支護(hù)方法3、注漿主要適姑應(yīng)于圍仗巖比較話破碎、搭地層含羅水率豐桐富的黃遮土隧道次。近期豈出現(xiàn)的央水泥-水玻花璃雙若液注播漿在盲加固藝隧道包圍巖左破碎晶帶中盈具有授顯著祖的效餃果。4、超前小爽管棚加泥注漿是淺埋蹈偏壓隧制道通常執(zhí)采用的轎一種超雪前支護(hù)心技術(shù)，烤亦可應(yīng)產(chǎn)用于軟款弱地層笛，其實(shí)鮮質(zhì)是在凳擬開挖續(xù)的地下幻玉隧道或敏結(jié)構(gòu)的練襯砌拱臂圈隱埋哈弧線上奪，預(yù)先恐設(shè)慣性姐力矩較壓大的厚開壁鋼管獨(dú)，起臨菌時(shí)超前魄支護(hù)作響用，防火止土層復(fù)坍塌和限地表下盲沉，以繳保證掘偏進(jìn)和后筐續(xù)支護(hù)倆工藝安練全運(yùn)作理。超前伴小管棚嗽的長(zhǎng)度蠻約為3～6仇m，直徑約朝為4～8店cm唱，搭界斗長(zhǎng)度漠一般報(bào)不小構(gòu)于1.晶2午m，環(huán)向親間距嶼約為30～50葬cm，傾角葬為1°～5°。5、大管棚一般勵(lì)是針紐奉對(duì)隧趣道進(jìn)逗出口圍段超確淺埋小新黃鋸?fù)猎O(shè)侵置的走一種膀強(qiáng)力字支護(hù)未，長(zhǎng)現(xiàn)度可雨達(dá)30繪m左右，圈直徑直艘徑約10匆c余m。6、鋼拱架也是一此種強(qiáng)力居支護(hù)措利施，多戀見于圍夕巖較破準(zhǔn)碎和隧佩道進(jìn)出雄口段。開挖抖方法施工賊方法映及開惰挖方眠式對(duì)乖圍巖只穩(wěn)定卷性有誘重要尼的影淋響。嬌常見啊的黃富土隧忙道施府工方懷法有昂：全斷面底開挖法雷、先拱貞后墻法陽(yáng)、先墻望后拱法袖、CRD法、棋盾構(gòu)釀法等。域具體品的開深挖方拖式要露根據(jù)顧隧道驚類型性、截?fù)P面尺庸寸、淋埋深淚、圍抖巖類平別、溜水文盯條件嬌、施陣工機(jī)忠械等炸確定衡。CR塘D工法示侵意圖濕陷性錦黃土隧遙道巖土朋環(huán)境條富件分級(jí)十、圈濕陷般性黃燈土隧惜道問羽題濕陷性起黃土隧子道浸水危環(huán)境條嫂件分級(jí)濕陷痕性黃茫土隧掩道的朗環(huán)境您分級(jí)依據(jù)鐵宣路路基期沉降變匠形控制你標(biāo)準(zhǔn)，頑建筑地吳基濕陷鵝變形引文起結(jié)構(gòu)壤破壞的孔調(diào)查結(jié)榜果，以問及隧道辣地基濕樹陷變形衣引起襯嫁砌結(jié)構(gòu)諷力學(xué)性吳狀的變特化，分登析確定笑隧道地莊基的濕碗陷等級(jí)程。隧道抵地基榮濕陷聯(lián)等級(jí)董劃分鐵路滴路基谷設(shè)計(jì)劉中要撕求有適碴軌紙道建罪成后鬧沉降鴉變形派小于5隸cm，可以周滿足時(shí)匆速20爬0條km及/h以上近列車廈的運(yùn)客行；提有碴面軌道辟建成秀后沉術(shù)降變隔形小報(bào)于15悲c條m，可刪以滿晃足時(shí)院速200軌km光/h時(shí)速列真車的運(yùn)調(diào)行。依轟據(jù)GB除50帥02極5—需20頂04），煙當(dāng)自點(diǎn)重濕提陷變減形量讀小于7cm時(shí)，允屬非靜自重錦濕陷驗(yàn)性地持基。課對(duì)于恥乙類章建筑福，地新基處乖理后熱剩余擾濕陷奶變形夫量在13～22絹c末m之間時(shí)奸，結(jié)構(gòu)帽出現(xiàn)較餡輕微的珠裂縫。十一拿、小棍結(jié)1