（交通运输工程专业论文）甘肃黄土公路隧道设计与施工技术研究.pdf

摘要 黄土隧道是难以修建且建成后病害较多的一类隧道。本文以甘肃省黄土公路隧道为 工程依托，通过研究总结甘肃省黄土隧道的工程地质特点、典型黄土隧道有限元分析、 黄土公路隧道结构设计、黄土公路隧道歼挖方法及优缺点、支护的选型与优化、隧道施 工组织与控制、隧道质量检测方法及评定标准，得到了以下结论： 黄土公路隧道数值仿真表明：衬砌竖向压力呈两侧大中间小的分布形式，但其阶段 之间变化规律随埋深而有所不同，最大侧向压力发生位置不同，现行规范中侧向荷载系 数值偏低；在浅埋隧道中，一次衬砌拱部弯矩中间大两侧小，边墙弯矩相对较小，仰拱 压力呈现两侧大中间小的分布规律，其弯矩为负弯矩，拱腰处轴力较大；在深埋隧道中， 一次衬砌拱部弯矩呈拱顶处小两侧大分布性态，墙脚处弯矩值较大，仰拱压力和弯矩相 对较大，拱腰处轴力较大；二次衬砌拱部弯矩值较小，轴力几乎处于均布状态，可按轴 对称圆筒理论进行拱部衬砌设计和强度验算。浅埋黄土公路隧道施工完成后地面大量浸 水，会使得拱上土体呈整体下沉趋势，衬砌竖向压力增大。开挖后浸水，一次衬砌拱顶 处轴力减小，墙部衬砌和仰拱轴力增大。黄土公路隧道在施工中拱部极易发生小的坍塌， 但随着时间的推移，围岩压力趋于均匀分布，浅埋隧道围岩压力“猫耳朵“分布形状较 为明显。仰拱在深埋与浅埋隧道中的作用不尽相同，在浅埋隧道中仰拱受力相对较小， 但对维护隧道结构长期稳定的作用不可替代，在深埋隧道中仰拱受力相对较大，且两端 大，中间小。 黄土公路隧道采用两次模筑衬砌的设计中，二衬承受荷载相对较小，其设计计算方 法与“新奥法 的设计有较大的区别。除老黄土及未风化的红色泥岩外，不宜设置三车 道隧道断面。黄土隧道初次衬砌起拱线以上宜采用变截面结构；二次衬砌仰拱与侧墙的 连接采用小半径圆弧；初期支护采用格栅拱架代替工字钢拱架。 对含水量不高的一般黄土隧道宣采用双侧壁导坑先拱后墙正台阶法施工；对于软弱 的饱和黄土、风化软弱的泥岩段及浅埋段宜采用双侧壁导坑先墙后拱反台阶法施工；在 胶结较好的老黄土及未风化的红色泥岩段，可采用新奥法短台阶进行施工。对双车道隧 道断面，可采用单侧壁导坑法( c d 法) 进行施工，对紧急停车带三车道大断面坦拱隧 道，可采用双侧壁导坑法进行施工。 关键词：黄土公路隧道，有限元，设计，施工 a b s t r a c t l o e s st l m n e li sh a r dt ob u i i d 觚ds e tu pa i le m p r e s sad i s e a s et oh a n i iat y p eo fm o r e t u n n e l t 1 1 i st e x tt a k e ss w e e tl o e s sh i g h w a yi nt h eg a n s up r o v i n c et u m l e la se n g i n e e r i n gt 0 r e l yo nt t l a ti tb yp a s s i n gt h ee n g i n e e r i n gg e o l o g yc h a r a c t e r i s t i c st h a tm er e s e a r c ht a l i i e su p s 、v e e tl o e s st l m n e l i nm eg a l l s up r o v i n c ea i l dt h et u i l l l e lf i n i t ee l e m e n to fm e 够p i c a lm o d e l l o e s sa l l a j y z e s ，t h et u | 加e ls t m c t u r eo ft h el o e s sh i g h v ，a yd e s i g n s ，t h el o e s sh i 曲w a yt u l l i l e l o p e n s t 0d i gm e t h o da n dl l i e r i ta n ds h o n c o m i n g ，p a yt op r o t e c to fc h o o s ea 帅ew i t he x c e l l e n t t u m ，t l l et u 衄e lc o n s t r u c t i o no r g a n i z e sa n dc o n 仃o l sa n dt 1 1 et u 肌e lq u a l i t ye x 锄i n e s sm e t h o d a i l da s s e s s e ss t a i l d a r d ，w m c hg o tt o 出a 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sn e g a t i v ec u l e dj u 锄dt h ea r c hw a i s ts t a l kd i n ti sb i g g e r ；i n l e m i d d l eo fc o v e r i n gu pt u n n e ld e 印l y ，ac h e nc a r v e st h ea r c hd e p a r t m e n tc u r v e dj ut op r e s e n t ad o m e ，s m a l lt v 岫s i d e s e sd i s t r i b u t es e x1 a ig r e a t l y 廿l ew a l lf e e tc u r v e dj ui sm o r ea l l d 眺a t l yw o m l ，y 弧ga r c hp r e s s u r e 埘t l lc u r v e d 吐l ej ui so p p o s i t eb i g g e ra 芏l d t 1 1 ea r c hw a i s t s t a l kd i mi sb i g g e r ；7 r w oc h e n sc a ea i la r c hd e p a l l m e n tac u e dj uv a l u es m a l l e rw l l i c ht h e s t a l kd i n ta l m o s ti sp l a c e di na l lc l o t l la p p e a r a i l c e ，c a j lp r e s st 1 1 es t a l l ( s y m m e t r yc i r c l et i l b e m e o r i e st 0c a n yo na i la r c hd e p a r t r i l e n tc h e nt 0c 卵陀d e s i g i la i l ds t r e n g mt oc h e c kc a l c u l a t e s h a l l o wc o v e ru pt h et 咖e lc o n s t r u c t i o no f 吐l el o e s sm g h w a yc o 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o w c o v e ru p 也e 劬c t i o ni nt 量l et u i u l e ln o tt oe x e r tah o m o l o g y ，t l l ey 抽ga r c hi ss u b j e c t e dt od i n t i n s h a l l o w l yc o v e ru pm et u 】【1 i l e lo p p o s i t es m a l l e r b u tc a n ta c tf o rt om e 如n c t i o nw h i c h s u p p o r t s 眦ls 仇j c t l l r et os 油i l i z eo v e ral o n gp e r i o do ft i m e ，m ey a n ga r c hi ss u b je c t e dt o d i mi nd e 印l yc o v e r u pt h et u r m e lo p p o s i t em o r eb i g ，a n db o t l le n d sb i g ，i nt h ec e n t e rs m a l l 1 1 l el o e s sl l i g h w a yt u n n e la d o p t sat w om o l dt ob u i l dt l l ed e s i g nt l l a tm ec h e nc a r v e s m e d i u i n ，帆oc h e n sb e a ra1 0 t u st oc a r 巧o p p o s i t es m a l l e r ，i t sd e s 培nc a l c u l a t i o nd e s i g n o w i t h m e t l l o da n d ”n e wa u s t r i a nt u 肌e l i n gm e t l l o d f ic o r l t a i nb i g g e rd i 舵r e n t i a t i o n i n a d d i t i o nt oo l d1 0 e s sa n dd o n tt l l er e dm i r er o c ko fm o r a l sa n dc u s t o ms h o u l dn o te s t l b l i s h t l l r e ed r i v e w a yt u 衄e lc r o s ss e c t i o n so u t s i d e t h el o e s st u n n e lf i r s tt i m ec h e ns t a r t st 0c a r v e t l l ea r c hl i n ea b o v ep r 叩e ra d o p t i o nt oc h a n g et oc u tn o o d l e ss t m c t l l r e ；t w oc h e n sc a r v et 1 1 e l e s s e rh a l fp a t ha r co ft 1 1 ec o n j u n c t i o na d o p t i o no f y 觚ga i ha n ds i d e 、a l l ；p a i dt op i o t e c tt h e a d o p t i o ns p a c eg r i da r c ht or 印l a c eaw o r k 、o r ds t e e la r c hi nm ee a r l yy e a r s t oc o n t a i l l 吐l e 锄o u n to fw a t e rn o tl l i g hg e n e r a jp r o p e ra d o p t i o nd o u b l es i d e 、a l lo f 也e l o e s st 硼l n e lt ol e a dp i tf i r s ta r c hb e l l i n dt h ew a l lp o s i t i v es t 印m c t h o d 比毗c o n s t m c t i o n ；f 0 l t 1 1 e 血r er o c ko fm ew e a ks a t u r a t e dl o e s s ，m o r a l sa i l dc u s t o mf l a b b i n e s ss e g m e n ta n ds h a l l o c o v e ru pap r o p e ra d o p t i o nd o u b l es i d ew 2 l l l t ol e a dp i tf i r s taw a l lb e h i n da r c ha n t i s t 印 m e t l l o dc o n s 饥l c t i o n ；k n o tb e 牡e ro l dl o e s si i lm eg u ma 芏1 dd o n tt h er e dm i r er o c ko ft l l e m o r a l sa i l dc u s t o ms e g m e n t ，w h i c hi tc a i la d o p tn e wa u 嘶a i lt h i l l l e l i n gm e t h o ds h o r ts t e pt o c a “yo nac o n s 仃u c t i o n b e c a u s ed o u b l e “v e 、v a yt u 】【l i l e lc r o s ss e c t i o n ，i tc a na d o p ts i n g l e s i d ew 址lt 01 e a dap i tm e t l l o d ( c dm e t h o d ) t 0c a r 黟o nac o n s t n j c t i o n ，t a k et l l r e ed r i v e w a y s b 追c r o s ss e c t i o nt a na r c ht u i m e lt ot l l eu i 苫e n tp a d d n g ，c a na d o p t i o nd o u b l em es i d ew a l ll e a d a p i tm e t h o dt oc a r r yo n ac o n s 舡1 j c t 主o n k e y w o r d s ：l o e s sh i 曲w a yt u n n e l ；f i n i t ee l e m e n t ；d e s i 即；c o n s t m c t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 芬静砖。 7 胡年多月占日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：墨诗秽 哆年么月，日 导师签名：呖霞厶械7 p 吵年多月帅 长安人学工程硕士学位论文 1 1 黄土公路隧道研究现状 1绪论 我国是世界上黄土分布最广的国家，分布面积约6 3 万k m 2 ，约占全国陆地面积的 6 6 ，主要分布在北纬3 3 。4 7 。、东经7 5 。1 2 7 。之间，黄土高原为黄土主要分布区。 铁路工程设计技术手册隧道【l 】【2 1 规定对黄土地区浅埋隧道围岩压力采用谢家 杰公式进行计算。谢家杰( 1 9 6 4 ) 针对浅埋隧道，把滑动土体分为三个区域，利用三个 区域土体的力学平衡，推导出了浅埋隧道( 包括偏压) 的围岩压力公式。公式中侧压力和 垂直压力考虑了土的粘聚力和内摩擦角的影响，也考虑土体首次下沉和以后继续下沉时 破裂面粘聚力的变化对地压的影响，以及拱效应对地压的影响。按本式计算的侧压力一 般大于按t 9 2 ( 4 5 一罢) 计算的侧压力，不计破裂面粘聚力的侧压力大于计破裂面粘聚力时 z 侧压力，且大于按静止土压计算的侧压力。由于该公式揭示了浅埋隧道围岩压力的主要 特征，故在我国得到了推广应用，铁路隧道设计规范和公路隧道设计规范相继 采纳这一公式。铁路工程设计技术手册隧道规定对黄土地区深埋隧道采用修正卡 柯公式进行计算，并指出对黄土地区隧道不宜按计算摩擦角或围岩类别确定隧道围岩压 力，应根据实测的黄土物理力学指标进行设计。 铁道部科学研究院，第一、三四设计院和专业设计院( 1 9 6 6 ) 对陇海线三漳段1 3 座 双线黄土隧道进行了大量的调查研究和现场试验，得出结论【3 】【4 】【5 】【6 】：双线铁路黄土隧道 一般不能形成普氏“压力拱 ，竖向压力分布呈“反拱形”，两侧较大，中央较小，拱部 侧压系数为o 5 o 8 ，衬砌出现纵向裂缝的主要原因是衬砌型式与实际压力分布不适应， 建议改用较平些的拱圈。 隧道的合理断面型式通常由多方面的因素决定，它除了能保证围岩最稳定和衬砌受 力最有利外，还要保证隧道使用上的要求，施工上方便和开挖量少经济合理。这一问题 长期以来一直被工程技术人员所重视，因为它可以较小的代价获得较大的经济效益。下 面从不同的角度探讨这一问题【7 】。 从受力的角度来说，传统隧道设计理论认为：隧道合理断面形式的轮廓线应为衬砌 自重、按传统地压理论计算的围岩压力、围岩抗力等作用下的压力曲线。由此出发，经 过分析，其所得的隧道合理断面型式的结论是： ( 1 ) 当围岩较好即只有垂直围岩压力时，为圆拱直墙形断面 l 绪论 ( 2 ) 当围岩较差即不仅有大的垂直围岩压力而且还有较大的侧向围岩压力时，为圆 拱曲墙形断面。最常见的为马蹄型断面。 ( 3 ) 当围岩很差、同时还有底部围岩压力时，为带有仰拱的上述断面型式。 黄土公路隧道具有大跨径、大断面的特点，若仍沿用以往的铁路隧道断面型式，则 开挖断面积将大幅度增加，而隧道内空间的有效利用率将显著降低，其工程造价也会大 幅上升，为了解决这一问题，只能通过增加跨高比来实现，而跨高比的增大对隧道结构 的稳定性的影响极大。 2 0 世纪5 0 年代末，我国于学馥教授提出了轴比论【7 】，他提出在二维应力场中，最 佳隧道形状是具有一定轴比的椭圆。1 9 7 8 年瑞合资和贝觉克门又从理论计算方面解决 了这一问题。在轴比论中，使隧道得到最小的应力集中的轴比称为等应力轴比。 从施工、经济的角度来说，在满足建筑界限的前提下，跨高比越大其断面小，隧道 净空的利用率越高，工程造价也越低，越经济合理。如果按等应力轴比来选定隧道的断 面，会使施工不便、不能满足使用要求和不够经济，这时可采用零应力轴比来选择隧道 断面形状，即使隧道不出现拉应力，围岩处于受压状态。 新松树湾隧道位于饱和的砂粘上中，上体的稳定性极差，施上难度较大。为此，乔 春生等人【8 】在隧道施工期间，通过土工试验、隧道收敛和围岩内部位移的现场监测、隧 道变形的二维有限元仿真计算等乎段，对该隧道的变形规律进行了系统研究，获得了大 量试验数据。研究成果对隧道的施上组织和支护参数的确定起到了重要作用，为此类隧 道的施上积累了经验。 凌荣华等人1 9 】研究了大跨度深埋黄土隧洞在其它条件不变的前提下全断面丌挖时 黄土的变形破坏规律和衬砌中内力的分布规律，指出了它们存在本质区别的原因在于不 同的开挖方式，揭示了开挖的本质，分析了内力合理分布的条件。 赵占厂等人【1 0 】通过对浅埋黄土公路隧道衬砌受力现场测试，研究了隧道衬砌围岩压 力、钢花拱轴力和二次衬砌混凝土应变随时间变化以及不同位置分布情况。结果表明： 拱部和边墙围岩压力先是增大后减小然后趋于稳定，隧道周围土体有局部坍塌的可能， 按实测值推算的竖向围岩压力小于按已有公式计算的值，钢花拱轴力稳定较快且以受压 为主，二次衬砌和仰拱的承载作用并不明显。 目前国内在黄土公路隧道防排水技术上仍然沿用岩土隧道常用的技术措施与结构 型式，除了在洞内外进行防排水设置外，对衬砌自防水、二次衬砌铺设复合式防水层、 注浆堵水和施工缝、沉降缝、伸缩缝的止防水等方面也闩益引起重视，逐步开始应用抗 2 长安人学工程硕士学位论文 渗混凝土、复合式防水层、软式透水管、弹簧引水管、h d p e 波纹网管和p v c 、e v a 、 l d p e 、p e 等各种防排水板( 卷) 材等新材料与新技术【l l 】。但黄土公路隧道在设计与施工 技术上出现了许多不同于岩土隧道的新问题，如长期受西北地区干早和半干早的少雨缺 水这一特殊地理地质表面现象的影响，使得人们对黄土公路隧道防排水的有些关键技术 研究不够，关于新黄土( 晚更新世q 3 马兰黄土及全新世q 4 黄土) 和老黄土隧道水害对围 岩应力分布与稳定性影响、黄土层地下水情特性和适用防排水结构等方面有许多工作要 做。 1 2 甘肃省黄土公路隧道建设概况 甘肃省位于我国黄土高原的西部，是我国主要黄土分布省份，分布面积约1 2 万k i i l 2 ， 约占黄土分布面积的1 9 ，占甘肃省国土面积的2 5 1 。且黄土大部分位于甘肃中东 部中高山区，在公路工程建设中不可避免地要与黄土接触。由于黄土具有大孔隙性、普 遍存在有垂直节理和管状孔道，天然含水量时强度较高，能维持很高的垂直边坡，但遇 水时土颗粒崩解，表现为较强的湿陷性。给公路工程建设带来了较大的难度，工程建成 后病害较多。 随着西部大开发逐步进入实质性阶段，公路建设的发展速度直接关系到西部经济发 展的快慢。“九五 期间，甘肃省黄土地区公路建设速度加快，完成了车道岭隧道、祁 家大山隧道等黄土地区公路隧道建设；“十五 期间，黄土地区公路逐渐加快建设速度， 完成了王甫梁隧道、贾家岔隧道、坡儿川隧道等黄土公路隧道的建设，并进入高速公路 建设起步期，目前已经建成的有谗柳高速公路、白兰高速公路、兰海高速公路、兰临高 速公路等。“十一五”期间，在建的高速公路有宝天高速公路、平定高速公路、华庄二 级公路等，在以上公路建设中，黄土隧道数量特别多，隧道最大开挖宽度达到了1 2 5 m ， 如谗柳高速公路就遇到4 处上下行共8 座黄土隧道，兰海高速公路有3 处上下行共6 座 黄土隧道，平定高速公路有5 处上下行共1 0 座黄土隧道。随着西部公路建设的进一步 深入，黄土隧道数量将会继续大幅度增加，且随着隧道的增长，不可避免地需要在隧道 内设置紧急行车带，隧道最大开挖宽度将达到1 5 m 以上。根据已建、在建黄土地区公 路隧道施工中存在的问题与不足及今后黄土隧道建设形势，对黄土地区隧道设计与施工 技术进行研究显得尤为迫切与重要。 结论 照片1 1白虎山黄土公路隧道 照片l2 赵家楞杆黄土公路隧道 13 甘肃省已建成黄土公路隧道病害现状 由于甘肃省中东部地区黄土分布较广，地形条件为中低山，以黄土粱、峁地形为 主，冲沟十分发育，在公路建设中隧道工程不可避免，截止2 0 0 6 年6 月底甘肃省已 长安人学工程硕士学位论文 建成黄土隧道3 1 座共计2 6 0 5 3 m ，在建黄土隧道1 2 座，共计1 4 0 2 0 m 。在技术上通过多 年的总结、改进、提高以及施工机械设备的不断更新，甘肃省黄土隧道的建设水平有了 较大的提高，从最初的矿山法一次衬砌施工发展到两次衬砌施工，克服了长期以来困扰 甘肃省的隧道渗漏水( 冬季顶部挂冰、路面结冰) 问题。但从已建成的黄土公路隧道在 运营期间反映出的问题来看，绝大部分隧道存在不同程度的病害，主要有以下几种情况 f l l 】： ( 1 ) 沉降量大 由于黄土地基承载力低，一般为1 5 0 k p a ，加之后期黄土地基受水侵害，产生湿陷， 以及以往的隧道设计结构存在的不足，甘肃省黄土公路隧道普遍存在后期沉降量偏大的 问题。以谗柳高速公路新庄岭隧道为例，由于受地表灌溉影响，从2 0 0 1 年1 1 月1 日至 2 0 0 2 年5 月1 日，实测隧道墙脚最大沉降量达到了7 2 m m 。 ( 2 ) 拱项、拱腰纵向开裂 由于隧道施工及运营期的沉降变形，以及施工方法及施工工艺的原因，加之隧道拱 部上方土体强度低，隧道受力以上方土体自重应力为主，随着隧道松动圈不断扩大，导 致隧道拱部受力不断加大，根据隧道施工及运营期二次衬砌应力量测结果，隧道围岩与 一次衬砌间、一次衬砌与二次衬砌间及衬砌结构内部的受力在初期变化较大，但很快趋 于稳定。压力值在隧道各部位表现不一，拱部以受压为主，而侧墙则先期受拉，后期受 压，隧道受力存在不均现象。但在隧道运营期，拱顶、拱腰逐渐出现纵向开裂，最大长 度达到4 0 m 以上。 ( 3 ) 渗漏水严重 由于黄土的垂直节理及大孔隙性，加之受隧道施工时产生的纵向裂缝及管状松动圈 的影响，地表雨水极易入渗至隧道周围，突破隧道防排水施工的薄弱环节，在隧道施工 缝处产生渗漏水现象。 #m 照片i3 垃儿川隧道渗漏水 ( 4 ) 地表开裂 由于隧道采用矿山法先拱后墙的施上方法，隧道捕工中的下沉量较大，导致松动圈 的不断扩大，加之黄土的抗剪强度( c 、中值) 及基底承载力较低，隧道初次衬砌无法 抵抗黄土的白重应力，隧道拱部上方倒梯形土体随隧道向下产生垂直位移，导致隧道上 方地表产生纵向裂缝。 器鍪蔷：。两一穗_ = ；叠荔爨溺鏖鲤鲤箨馨黧墨翟宝鲤 照片l4 新庄岭隧道地表裂缝 ( 5 ) 路面底鼓、纵向丌裂 由于隧道设计中侧墙与仰拱的连接方式存在缺陷，以及为了减少隧道的开挖及回填 k 安 学i 程硕士学位论i 程造价仰拱半径偏大，造成隧道墙脚的衬砌压力远大于中部的衬砌压力， ：的缺陷( 仰拱左右幅分两次施工) ，导致隧道墙脚的下沉量远大于仰拱的 ! 仰拱上部出现过太的拉力，以及仰拱配筋不足( 深埋段为素混凝土) ，造 并向上反射至路面，致使路面产生纵向开裂现象。 照片1 5 新庄蛉隧道路面开裂 ，k 管结碱堵塞导致施工缝渗漏水 ：中存在大量的盐碱，随着地表雨水的入侵而溶于地下水中，地下水含盐浓 苦涩味，不能饮用) 由于甘肃省蒸发量是降雨量的3 倍多，故在地- 卜水流 i 出现大量的白色盐类结晶物，加之隧道排水纵坡偏小造成排水不畅，盐类 着于排水管管壁造成管口堵塞地下水积聚于隧道周围土体中在隧道 、节处出现渗漏水现象以及对混凝土产生结品性腐蚀，并造成隧道嘲岩力学 ；响隧道结构稳定。 踅服务水平降低 ：属特殊土体在日前的技术与经济条件下仍无法对其进行加同与改趣，一 【害，处理难度十分大，有时不得不采取压缩断面，降低隧道服务标准与水 速公路隧道中是不容许的。但目前在甘肃省还没有好的解决办法，只能采 限制车辆载货高度、交通管制等措施解决。 照片17 祁家大山隧道拱圈破裂后的临时加同措施 总结以上存在的问题，有必要对黄土隧道的修筑技术进行专题研究，以解决长期以 束困扰甘肃省隧道建设水平不高的现状。 l4 本文研究内容 黄土公路隧道的修建起步较晚，基本借鉴了铁路隧道在此方面己有的科研成果。公 路隧道由于大跨径、太断面和扁坦状以及防水等级较高加之黄土强度较低，开挖扰动 后变形大等特点以及由此引起的设计施工方法的特殊性，铁路隧道业己达成广泛共识的 优秀成果对于公路隧道是否依然适用，黄土公路隧道较多来用的两次模筑馄凝土衬砌形 k = 安大学工程硕士学位论文 式中每个组成部分的荷载特性如何? 现有设计及施工方法的合理性及经济性如何? 一系 列的问题都值得工程技术人员研究与思考，长期以来，工程类比法在我国隧道设计施工 中占有主导地位，使得对上述隧道设计基本理论问题的研究失去了应有动力，隧道设计 水平的提高，最终依赖于理论上的发展与突破，隧道设计理论落后于实践的局面应该尽 快改变。 本文以甘肃省黄土公路隧道为工程依托，对黄土公路隧道的设计与施工等各个方面 进行了研究总结。主要研究工作包括： ( 1 ) 甘肃省黄土隧道的工程地质特点。 ( 2 ) 黄土公路隧道受力与变形性状。 ( 3 ) 黄土公路隧道结构设计。其中包括洞门设计、衬砌设计、隧道的抗震措施、 防排水系统设计、路面设计。 ( 4 ) 黄土公路隧道开挖方法及优缺点。 ( 5 ) 支护的选型与优化。 ( 6 ) 隧道施工组织与控制。 ( 7 ) 隧道质量检测方法及评定标准。 9 2 黄土隧道的工程地质特点 2 黄土隧道的工程地质特点 根据甘肃省黄土地区隧道所处的地质条件，结合本课题研究内容，我们将黄土地区 隧道划分为纯黄土隧道及核心部分为红泥岩的黄土隧道两大类。 2 1 纯黄土隧道 目前主要分布在兰州市周边地区，一般洞口两端浅埋段为q 3 马兰黄土及q 4 新近 堆积黄土。黄土地质特点为疏松具有大孔隙、湿陷性极强、强度低、垂直节理发育、隧 道围岩拱效应极低，主要以重力作用于隧道衬砌结构上。隧道核心部分为q 2 黄土，黄 土颗粒大，粉砂含量较高，相对较密实，为低湿陷性黄土，含水量小于7 时强度相对 较高，隧道开挖后围岩自稳时间较短。纯黄土隧道一般埋深为3 0 2 5 0 m ，由于浅埋黄土 隧道所受压力为围岩白重压力，深埋黄土隧道所受压力为围岩形变压力( 有一定的拱效 应) ，故不同的埋深，隧道结构的受力条件也不尽相同，而深浅埋的划分，也无统一的 标准，它不仅与黄土的物理力学特质有关，在结构计算上也与隧道断面积大小及施工方 法有密切关系。新庄岭隧道最大埋深为8 7 m ，含水量为1 2 ，施工中全隧道出现了地表 纵向开裂情况。而白虎山隧道最大埋深为2 2 6 m ，含水量仅为6 ，除埋深6 0 m 以下部 分外，隧道未发生纵向开展现象，充分说明了纯黄土隧道受力特点的复杂性。典型的该 地质条件的公路隧道有白虎山隧道、赵家楞杆隧道及新庄岭隧道。 新庄岭隧道【l l 】地处黄土山梁，地表被厚层黄土所覆盖，地层岩性单一，工程地质水 文地质条件简单。根据勘探资料，隧道位置分布的地层岩性从上至下可分为两层，上层 为第四系上更新统新黄土( ) ，层厚4 6 4 0 m ，山顶较厚，隧道进出口及中间沟底 较薄，浅黄色，土质较均匀、疏松、大孔隙，垂直节理发育，下层为第四系中更新统老 黄土( q 一) ，与上伏黄土呈不整合接触，灰黄、褐黄、红褐色，土质较均匀，结构较 致密，局部较疏松。隧道计算断面和测试断面洞体处于下层，埋深8 2 m ，地质剖面土性 参数见表2 1 。 表2 1 新庄岭隧道地质剖面土性参数 天然容重天然含水液限塑限凝聚力 天然孔饱和度 土层内摩擦角 ( k n m 3 )量( )( )( )( 1 ( p a )隙比 ( ) n 酬 1 6 9 21 1 4 02 7 - 3 31 9 6 22 8 1 02 6 。5 0 o 7 94 1 3 0 x f 3 q 芝呻l 1 9 。2 2 1 4 9 02 7 1 41 8 4 53 6 0 62 7 。5 0 o 6 16 6 8 4 l o k 安人学工程硕士学位论文 隧道断面轮廓设计采用单心圆方法，一次模筑混凝土衬砌和二次模筑混凝土衬砌都 为c 2 5 ，一次衬砌拱顶厚4 5 c m ，在起拱线处厚6 5 c m ，二次衬砌厚为3 5 c m 。仰拱采用 c 2 0 ，厚度4 5 c m ，仰拱与路面填充层采用1 5 号片石混凝土，格栅拱纵向间距2 m 。 白虎山隧道j 地处黄土山梁，山梁两侧斜坡坡度较大，地表被厚层黄土所覆盖，地 质构造痕迹不明显，地层岩性单一，工程地质、水文地质条件简单。据勘探资料，隧道 位置分布的地层岩性从上至下可分为两层，上层为上更新统新黄土( 联甜) ，层厚2 7 3 8 5 m ，浅黄色，土质较均匀、疏松、大孔隙，垂直节理发育，下层为第四系中更新统 老黄土( q ，叫) ，灰黄、褐黄、红褐色，土质较均匀，结构较致密，含有黑褐色斑点， 层理和柱状节理发育，局部出现蜂窝状孔隙，半坚硬，未见地下水。计算断面和测试断 面位于下层，隧道埋深为1 6 7 5 m ，地质剖面土性参数见表2 2 。隧道衬砌断面设计、施 工方法和施工工序同新庄岭隧道。 表2 2 白虎山隧道地质剖面土性参数 天然容重天然含水液限塑限凝聚力天然孔饱和度 土层 内摩擦角 ( k n m 3 ) 量( 哟( )( ) ( 1 ( p a ) 隙比( ) q 1 6 0 51 0 4 22 6 1 01 7 3 72 4 7 5o 8 83 4 0 9 2 7 。0 2 q ：一p 1 9 4 l8 9 82 6 7 21 9 1 84 7 2 l0 5 0 34 8 4 6 3 l 。2 9 2 2 核心部分为红色泥岩的黄土隧道 主要分布在甘肃省中、东部地区，洞口两端浅埋段地质条件与纯黄土隧道较为一致， 隧道核心部位为第三系红色泥岩。由于泥岩成岩作用较差，泥质含量高，强度较低，属 极软岩，其工程地质特征性与干燥老黄土较为相似，隧道开挖后围岩在1 3 小时短期内 有一定的自稳能力，围岩特性介于土质隧道与岩石隧道之间。 由于泥岩全风化层属粘性土，透水性较差，上覆不整合接触黄土为疏松大孔隙湿陷 性黄土，垂直节理发育，厚度一般小于4 0 m ，地表水极易沿黄土裂隙垂直入渗，滞留在 黄土与泥岩交界面处，在附近冲沟地下水排泄不畅的条件下，形成泥岩风化软化层及饱 和软黄土地层，围岩开挖时极不稳定，施工难度较大。 典型的该地质条件的公路隧道有车道岭隧道、祁家大山隧道、土家湾隧道、王甫梁 隧道、青土岘隧道等。 土家湾隧道j 地处黄土山梁，地表被厚层黄土所覆盖，土质构造痕迹不明显，工程 2 黄土隧道的工程地质特点 勘探资料表明，隧道位置分布的地层岩性从上至下可分为三类：第四系上更新统黄土 ( 彰甜) 、第四系中更新统老黄土( 鲥一) 和上第三系上新统泥岩( n 2 ) ，计算断面和 测试断面的隧道结构位于第二层，隧道埋深2 8 m ，地质剖面土性参数见表2 3 。 表2 3 土家湾隧道地质剖面土性参数 天然容重天然含水量液限塑限凝聚力天然孔隙饱和度 土层 内摩擦角 ( k n i i l 3 ) ( )( )( ) ( i a )比 ( ) q 1 5 9 61 5 6 62 8 5 41 9 9 94 5 2 92 8 o 0 3 7 o 9 84 6 q 譬呻 2 0 2 62 1 7 22 8 3 42 0 1 22 8 6 7 2 8 。2 8 0 6 39 0 1 9 7 80 3 1 n 2 2 3 6 02 8 0 o3 4 。1 0 5 7 ( 含水率)( 孔隙率) 隧道断面轮廓设计采用单心圆方法，一次模筑混凝土衬砌和二次模筑混凝土衬砌都 为c 2 5 、一次衬砌拱顶厚5 0 c m ，在起拱线处厚7 0 c m ，二次衬砌厚为3 5 c m 。仰拱采用 c 2 0 ，厚度5 0 c m ，仰拱与路面填充层采用1 5 号片石混凝土，格栅拱纵向间距7 0 c m 。 施工方法采用正台阶的先拱后墙的方法，因隧道周围土体含水量较大，土体强度较 低，局部地段采用拱部先挖1 4 圆弧，然后开挖两侧的1 8 圆弧的分步施工方法：a ) 弧 形开挖拱部，保留核心土，打设超前锚杆，每次进尺1 5 m ；b ) 扩挖拱部，架设格栅拱， 进行模筑混凝土一次衬砌；c ) 边墙采用左右错开方法进行施工，及时浇筑混凝土，拱部 和墙部之间连接处要填实；d ) 浇筑仰拱，回填路面与仰拱之间的填充层，为后序施工提 供作业环境；e ) 铺挂防水层，模板台车就位，浇筑二次衬砌混凝土。 青土岘隧道i l l j 位于陇西黄土高原西端与祁连山东延部分交接地带，上覆5 2 0 m 风 成黄土，下卧砂岩、中夹泥岩、粉砂岩。地形属黄土梁峁。隧道范围主要出露白恶系地 层与第四系地层。围岩类别全部为i i 类围岩。青土岘隧道测试断面力学参数见下表2 4 。 表2 4 围岩力学参数 隧道 地层 天然容重天然含 内摩 饱和 水量 液限塑限 凝聚力 名称岩性( 州历3 ) ( )( ) 擦角度( ) ( ) 新近堆 青土岘1 59 62 4 4 31 6 5 71 3 2 5 。 2 6 7 6 积黄土 该隧道为上、下行分离的两座独立隧道，长4 3 0 m ，内设2 6 5 7 的单向坡。隧道按 单心圆断面型式衬砌，内弧半径5 5 5 m ，拱顶净高为7 1 9 m ，拱圈、边墙、仰拱均为c 2 5 混凝土，路面为2 5 c m 厚c 3 5 混凝土，仰拱填充为c 1 5 片石混凝土。 1 2 长安大学工程硕士学位论文 隧道衬砌结构分为深、浅埋两种形式：深埋衬砌为变截面，拱项衬砌厚度为7 5 c m ， 仰拱厚度为4 5 c m ，复合式衬砌由4 0 c m 一次衬砌及3 5 c m 二次衬砌组成，拱圈、边墙衬 砌及仰拱内设格栅拱架支撑作为永久性支撑，格栅拱架每m 设一榀；浅埋衬砌结构也 为变截面，拱顶衬砌厚度为8 0 c m ，仰拱厚度为5 0 c m ，复合式衬砌由4 5 c m 一次衬砌及 3 5 c m 二次衬砌组成，拱圈、边墙衬砌内设格栅拱架支撑作为永久性支撑，格栅拱架每 m 设一榀，仰拱内设钢筋格栅作为永久性支撑，钢支撑每m 设一榀。 施工方法采用微台阶先拱后墙法，严格按照“管( 杆) 超前、少扰动、短进尺、强 支护、留核心、勤量测、早封闭 的施工原则进行施工。 3 黄土公路隧道受力与变形性状 3 1概述 3 黄土公路隧道受力与变形性状 隧道力学是岩土力学的一个重要组成部分，涉及的因素较多。通常可以将影响因素 分为两大类：一类是地质因素，包括洞室开挖前土体的初始应力状态、节理裂隙发育程 度及物理力学性质等；另一类是工程因素，包括开挖方法、衬砌设置时间、洞室断面形 式和大小、衬砌类型及尺寸等。隧道力学区别于传统岩土力学的特点是：一是由于不断 开挖和衬砌，使计算模型在几何和材料类型上不断发生变化；二是围岩的受力和变形受 到与介质材料特性有关的时间效应( 流变和固结) 和与施