路桥过渡段黄土地区隧道施工技术研究

1、路桥过渡段路基修筑技术研究报告 简本路桥过渡段黄土地区隧道施工技术研究1 项目背景由于隧道能缩短线路，改善线形，保护环境和根除病害，在我国高等级公路建设中，采用越岭长隧道方案，将愈来愈成为现实，几十年来，我国在隧道工程方面积累了丰富的经验，在勘测设计、施工方法、防水排水和运营防灾等技术方面有了很大进展。作为隧道建设经验的总结和进一步推动隧道建设的发展，交通部相继编写了公路隧道设计规范、公路隧道施工技术规范、公路隧道通风照明设计规范和公路隧道勘测规程。西部大开发发战略决决策的实实施，促促进了西西部地区区高等级级公路的的发展，穿穿越黄土土地区的的公路隧隧道将越越来越多多。黄土土是第四四系堆积积的陆

2、相相沉积物物，在我我国分布布面积为为64万km2，占国国土面积积的6.3%，其其特点是是具有大大孔隙、有有垂直节节理和管管状孔道道，天然然含水量量时强度度较高，能能维持很很高的垂垂直边坡坡，但遇遇水时土土颗粒崩崩解，表表现为较较强的湿湿陷性。由由于黄土土分布的的广泛性性和典型型的工程程特性，历历来受到到工程界界和学术术界的重重视。黄黄土公路路隧道的的修建起起步较晚晚，基本本借鉴了了铁路隧隧道在此此方面已已有的科科研成果果，铁铁路工程程设计手手册规规定对黄黄土地区区浅埋隧隧道围岩岩压力采采用谢家家公式进进行计算算，而深深埋隧道道采用修修正卡柯柯公式进进行计算算,并指出出对黄土土地区隧隧道不宜宜按

3、计算算摩擦角角或围岩岩类别确确定隧道道围岩压压力，应应根据实实测的黄黄土物理理力学指指标进行行设计。这这些建设设经验的的总结，基基本体现现了我国国对黄土土隧道的的认识水水平。公公路隧道道由于大大跨径、大大断面和和扁坦状状以及防防水等级级较高，加加之黄土土强度较较低，开开挖扰动动后变形形大等特特点以及及由此引引起的设设计施工工方法的的特殊性性，铁路路隧道业业已达成成广泛共共识的优优秀成果果对于公公路隧道道是否依依然适用用？黄土土公路隧隧道较多多采用的的两层模模筑混凝凝土衬砌砌形式中中每个组组成部分分的荷载载特性如如何？黄黄土公路路隧道防防排水设设计是否否得当？黄土公公路隧道道的结构构型式和和参数

4、选选取是否否合理？现有设设计及施施工方法法的合理理性及经经济性如如何？黄黄土公路路隧道存存在那些些病害及及处治技技术是否否合理有有效？一一系列的的问题都都值得工工程技术术人员研研究与思思考。针对黄土公公路隧道道亟待解解决的以以上问题题，交通通部西部部交通建建设科技技项目领领导小组组于20001年10月决定定开展黄黄土地区区隧道的的修筑技技术研究究科研研项目。2 课题研研究内容容和关键键技术2.1 研究内内容本课题针对对目前黄黄土公路路隧道修修筑技术术中存在在的问题题，结合合大量已已建和在在建实体体工程，通通过大规规模的现现场实测测、有限限元仿真真计算、室室内试验验及大量量现场调调查，对对黄土公

5、公路隧道道的围岩岩压力特特性、防防排水技技术、结结构型式式、设计计参数、施施工及病病害处治治技术等等分五个个子课题题进行了了深入系系统的研研究，主主要研究究内容包包括：（1）黄土土隧道围围岩压力力特征研研究主要通过现现场实测测对黄土土公路隧隧道一次次衬砌和和仰拱围围岩压力力、格栅栅拱钢筋筋轴力、一一衬和二二衬接触触应力以以及二衬衬混凝土土应变时时间变化化规律及及其分布布特性进进行了研研究；通通过数值值仿真对对影响围围岩及衬衬砌结构构的各种种因素进进行研究究，通过过理论研研究给出出黄土隧隧道的深深浅埋界界定标准准及围岩岩压力计计算公式式。（2）黄土土隧道防防排水技技术研究究通过对大量量已建工工程

6、的调调查及在在建实体体工程的的分析，对对黄土隧隧道漏水水原因及及防排水水对策、黄黄土隧道道防排水水构造的的基本型型式、黄黄土隧道道的防排排水设计计方案和和施工工工艺等进进行研究究。（3）黄土土隧道合合理衬砌砌结构型型式与设设计参数数研究通过模型试试验和仿仿真分析析，考虑虑影响黄黄土公路路隧道衬衬砌断面面型式的的因素，对对黄土公公路隧道道不同衬衬砌断面面型式进进行比较较分析。（4）黄土土隧道施施工技术术研究通过依托工工程，对对黄土公公路隧道道开挖方方法、施施工过程程及工艺艺、质量量评定标标准等进进行研究究。（5）黄土土隧道病病害处治治技术研研究采用现场调调查、文文献收集集及室内内分析的的方法，对

7、对黄土隧隧道病害害类型、病病害成因因与机制制及病害害处置方方案进行行研究。2.2 关键技技术（1）如何何保证现现场测试试真实反反映实际际工程性性状，测测试元件件的精度度和长期期使用性性能可否否满足现现场测试试的工作作环境。（2）如何何在数值值仿真分分析中有有效地模模拟黄土土公路隧隧道一衬衬和二衬衬之间的的荷载作作用性状状及隧道道开挖中中的空间间效应。（3）如何何合理界界定深浅浅埋黄土土公路隧隧道的划划分标准准，有效效地确定定黄土公公路隧道道的围岩岩压力计计算方法法及衬砌砌结构型型式。（4）如何何确保黄黄土隧道道防排水水技术的的适用性性及结构构型式的的合理性性。（5）如何何选用合合适的软软件模拟

8、拟不同条条件下隧隧道开挖挖后地下下水的迁迁移特性性。3 主要研研究进展展本课题通过过对以上上研究内内容的研研究，主主要在9个方面面取得进进展。这这些成果果不仅是是对黄土土公路隧隧道理论论研究的的重大贡贡献，而而且对黄黄土公路路隧道的的设计、施施工及病病害处治治等方面面具有重重要价值值。简述述如下：（1）研编编了数值值仿真有有限元程程序针对现有通通用商业业有限元元软件在在隧道结结构数值值仿真中中存在种种种缺陷陷状况，首首先根据据隧道工工程施工工的具体体特点，研研编了数数值仿真真有限元元程序，该该程序较较客观的的反映了了隧道施施工中的的开挖效效应以及及一次衬衬砌和二二次衬之之间的接接触特性性等。（

9、2）系统统研究了了土体参参数、衬衬砌参数数、开挖挖进尺以以及埋置置深度对对围岩和和衬砌结结构受力力与变形形性状影影响利用研编程程序，研研究了土土体参数数、衬砌砌参数、开开挖进尺尺以及埋埋置深度度对围岩岩和衬砌砌结构受受力与变变形性状状影响。分分析了各各参数的的影响规规律和敏敏感性，其中土体粘聚力、内摩擦角、刚度参数和初始切线泊松比为计算敏感参数；混凝土强度提高对围岩和衬砌结构影响不大；存在一个“合理经济”的衬砌厚度；考虑混凝土龄期与否对衬砌轴力影响较大。从地面沉降角度说明双洞间距的确定，不仅要考虑围岩类别因素，而且还应考虑埋置深度的影响；土体的位移和竖向应力结果均表明了土体变形的楔形几何特性，

10、也反映了变形较大土体重量向两侧土体转嫁作用特性；拱部开挖阶段土体位移比例较大，且随着埋深而增大。 （3）分析析了隧道道结构受受力性状状及浸水水对结构构的影响响黄土公路隧隧道数值值仿真表表明：衬衬砌竖向向压力呈呈两侧大大中间小小的分布布形式，但但其阶段段之间变变化规律律随埋深深而有所所不同，最最大侧向向压力发发生位置置不同，现现行规范范中侧向向荷载系系数值偏偏低；在在浅埋隧隧道中，一一次衬砌砌拱部弯弯矩中间间大两侧侧小，边边墙弯矩矩相对较较小，仰仰拱压力力呈现两两侧大中中间小的的分布规规律，其其弯矩为为负弯矩矩，拱腰腰处轴力力较大；在深埋埋隧道中中，一次次衬砌拱拱部弯矩矩呈拱顶顶处小两两侧大分分

11、布性态态，墙脚脚处弯矩矩值较大大，仰拱拱压力和和弯矩相相对较大大，拱腰腰处轴力力较大；二次衬衬砌拱部部弯矩值值较小，轴轴力几乎乎处于均均布状态态，可按按轴对称称圆筒理理论进行行拱部衬衬砌设计计和强度度验算。浅浅埋黄土土公路隧隧道施工工完成后后地面大大量浸水水，会使使得拱上上土体呈呈整体下下沉趋势势，衬砌砌竖向压压力增大大。开挖挖后浸水水，一次次衬砌拱拱顶处轴轴力减小小，墙部部衬砌和和仰拱轴轴力增大大。浸水水和开挖挖发生次次序不同同，拱部部衬砌弯弯矩变化化较大。浸浸水使得得二衬轴轴力增大大，但分分布形式式未发生生变化，二二次衬砌砌弯矩分分布形式式及大小小变化不不大。（4）开展展了大规规模、系系统

12、全面面的现场场测试立足于黄土土公路隧隧道衬砌砌结构受受力特性性，首次次开展了了大规模模、系统统全面的的现场测测试，着着重研究究了一次次衬砌和和仰拱围围岩压力力、格栅栅拱钢筋筋轴力、一一衬和二二衬接触触应力以以及二衬衬混凝土土应变时时间变化化规律及及其分布布特性。测测试结果果表明，黄黄土公路路隧道施施工中土土体有局局部坍塌塌的可能能，随着着时间的的推移，围围岩压力力趋向于于均匀分分布，衬衬砌结构构偏压状状态将得得到改善善。浅埋埋隧道围围岩压力力属松动动压力，深深埋隧道道围岩压压力属形形变压力力，浅埋埋隧道围围岩压力力 “猫耳朵”分布形形状较为为明显。应应用太沙沙基公式式计算浅浅埋隧道道衬砌竖竖向

13、压力力时，埋埋深较浅浅时计算算值偏大大，埋深深较大时时计算值值偏小，深深埋隧道道按实测测值推算算竖向压压力结果果与修正正卡柯公公式较为为一致。仰仰拱在深深埋和浅浅埋隧道道中的作作用不尽尽相同，在在浅埋隧隧道中仰仰拱受力力相对较较小，但但对维护护隧道结结构长期期稳定作作用不可可替代，深深埋隧道道中仰拱拱受力相相对要大大，和拱拱圈、边边墙共同同组成封封闭的承承载结构构。新庄庄岭隧道道二衬垂垂直荷载载分担比比例为10.5%，白虎虎山隧道道二衬垂垂直荷载载分担比比例为8.99%，说明明在现有有黄土公公路隧道道两层模模筑混凝凝土设计计施工中中，二次次衬砌承承受荷载载相对较较小，其其设计计计算方法法与“新

14、奥法”二衬设设计有较较大区别别。格栅栅拱钢筋筋轴力在在初期变变化较大大，其轴轴力值很很快趋于于稳定，由由于柔性性较大，只只能承受受部分荷荷载，其其它荷载载由混凝凝土承担担，格栅栅拱钢筋筋以受压压为主。（5）提出出了深浅浅埋界定定的新思思路、推推导了浅浅埋土质质隧道围围岩压力力公式结合现场测测试结果果和数值值仿真结结果，明明确了应应从围岩岩压力性性质角度度进行深深浅埋界界定，首首次提出出了以拱拱上中心心线土体体侧压力力系数变变化规律律进行深深浅埋界界定的思思路，并并用两个个工程实实例进行行验证。针针对现有有浅埋隧隧道围岩岩压力公公式的缺缺点，推推导了浅浅埋土质质隧道围围岩压力力公式，其其计算结结

15、果与实实测值推推算结果果较为吻吻合。（6）总结结出了黄黄土隧道道防排水水结构的的设计原原则通过黄土地地区隧道道调查分分析，提提出了黄黄土区隧隧道涌水水类型划划分表，将将隧道涌涌水类型型划分为为四类，并并提出了了对涌水水类型校校核与细细分的三三种方法法。引进进非饱和和黄土基基质吸力力的概念念，建立立各向同同性对称称平面问问题的弹弹塑性解解，解释释了非饱饱和黄土土隧道结结构出现现病害的的原因是是土体的的含水量量增加，进进而指出出非饱和和黄土隧隧道应以以排水为为主，注注意保护护土体的的基质吸吸力，结结构设计计时应以以土体饱饱和状态态力学参参数作为为计算指指标。通通过实地地工程实实验和室室内试验验，证

16、实实中心排排水沟、复复合衬砌砌、排水水半管、集集水管等等组合构构成的防防排水型型式对黄黄土隧道道是适用用的。总总结出了了黄土隧隧道防排排水结构构的设计计原则，其其中须特特别注意意的是路路基排水水构造应应能防止止隧底软软化、水水沟冻结结，且为为有限排排水，防防止造成成生态环环境失衡衡，故应应对涌水水量特大大的地段段采用帷帷幕注浆浆，降低低地下水水渗透系系数、减减少隧道道涌水量量。（7）提出出了黄土土公路隧隧道的衬衬砌断面面型式针对黄土公公路隧道道大跨、扁扁平、几几何形状状呈多样样化的特特点，通通过对三三种不同同的隧道道衬砌断断面型式（单单心圆、尖尖三心圆圆、坦三三心圆）的的室内试试验与有有限元仿

17、仿真分析析，得出出了如下下结论：就整体体衬砌结结构的受受力状态态来讲尖尖三心圆圆断面型型式与单单心圆断断面型式没有有太大的的差别，而而坦三心心圆断面面型式与其其它两种种断面型型式相比比劣势比比较明显显。在满满足建筑筑限界、通通风等相相同条件件下，单单心圆断断面型式几何何尺寸简简单、内内轮廓净净面积较较小，且且受力较较好，施施工放线线方便，因因此，在在黄土公公路隧道道设计中中首选单单心圆断断面型式。就就综合考考虑来说说，优化化断面形形状比增增加衬砌砌厚度更更为有效效。（8）提出出了适合合黄土隧隧道的施施工方法法通过对各种种开挖方方法的缺缺点比较较及大量量的实体体工程经经验总结结，提出出了适合合黄

18、土隧隧道的开开挖方法法：对含含水量不不高的一一般黄土土宜采用用双侧壁壁导坑先先拱后墙墙正台阶阶法施工工；对于于软弱的的饱和黄黄土、风风化软弱弱的泥岩岩段及浅浅埋段宜宜采用双双侧壁导导坑先墙墙后拱反反台阶法法。改进进了黄土土隧道防防排水技技术：墙墙脚纵向向排水系系统由原原来布设设于墙脚脚外侧改改为布设设于边墙墙与仰拱拱圆顺过过渡外侧侧，这样样施工方方便，且且安全性性好。防防水层将将沿二次次衬砌外外侧全断断面铺设设封闭成成环。杜杜绝以往往以往由由于施工工排水不不畅而引引起的路路面跑水水及路面面破坏现现象。且且防水层层施作方方便，与与二次衬衬砌施工工干扰少少。（9）提出出了黄土土公路隧隧道的病病害类

19、型型及各种种类型的的处治方方法通过调查甘甘肃省、陕陕西省和和山西省省境内8座典型型黄土隧隧道（新新庄岭隧隧道、土土家湾隧隧道、祁祁家大山山隧道、七七楞山隧隧道、楼楼子沟隧隧道、燕燕家岭隧隧道、翅翅膀沟隧隧道、羊羊马河隧隧道），提提出了黄黄土隧道道病害的的基本类类型，研研究了黄黄土隧道道不同类类型病害害的成因因与机制制，并对对不同的的病害类类型提出出了具体体的处治治方案。黄土隧道的病害类型主要有以下几种：衬砌开裂、洞顶掉块、塌方、渗水漏水、地表变形（裂缝、陷穴、溶洞）及拱顶下沉。相应的处治措施为：渗水漏水病害处治措施的原则是：“以排为主、防截排堵相结合、因地制宜综合治理”；洞顶掉块、塌方病害的处治措施，应具体结合病害发生的原因、机制、部位进行；衬砌开裂病害的处治应提