路桥过渡段黄土地区隧道施工技术研究[全面]

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 开发战略决策的 实施,促进了 西部地区高等级公路的 发展,穿越黄土地区的 公路隧道将越来越多.黄土是第四系堆积的 陆相沉积

2、物,在我国分布面积为64万千米2,占国土面积的 6.3%,其特点是具有大 孔隙、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.由于黄土分布的 广泛性和典型的 工程特性,历来受到工程界和学术界的 重视.黄土公路隧道的 修建起步较晚,基本借鉴了 铁路隧道在此方面已有的 科研成果,铁路工程设计手册规定对黄土地区浅埋隧道围岩压力采用谢家亻杰公式进行计算,而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.这些建设经验的 总结,基本体现了 我国对黄土隧

3、道的 认识水平.公路隧道由于大 跨径、大 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,铁路隧道业已达成广泛共识的 优秀成果对于公路隧道是否依然适用？黄土公路隧道较多采用的 两层模筑混凝土衬砌形式中每个组成部分的 荷载特性如何？黄土公路隧道防排水设计是否得当？黄土公路隧道的 结构型式和参数选取是否合理？现有设计及施工方法的 合理性及经济性如何？黄土公路隧道存在那些病害及处治技术是否合理有效？一系列的 问题都值得工程技术人员研究与思考.针对黄土公路隧道亟待解决的 以上问题,交通部西部交通建设科技项目领导小 组于2001年10月决

4、定开展黄土地区隧道的 修筑技术研究科研项目.2 课题研究内容和关键技术2.1 研究内容本课题针对目前黄土公路隧道修筑技术中存在的 问题,结合大 量已建和在建实体工程,通过大 规模的 现场实测、有限元仿真计算、室内试验及大 量现场调查,对黄土公路隧道的 围岩压力特性、防排水技术、结构型式、设计参数、施工及病害处治技术等分五个子课题进行了 深入系统的 研究,主要研究内容包括：(1)黄土隧道围岩压力特征研究主要通过现场实测对黄土公路隧道一次衬砌和仰拱围岩压力、格栅拱钢筋轴力、一衬和二衬接触应力以及二衬混凝土应变时间变化规律及其分布特性进行了 研究;通过数值仿真对影响围岩及衬砌结构的 各种因素进行研究

5、,通过理论研究给出黄土隧道的 深浅埋界定标准及围岩压力计算公式.(2)黄土隧道防排水技术研究通过对大 量已建工程的 调查及在建实体工程的 分析,对黄土隧道漏水原因及防排水对策、黄土隧道防排水构造的 基本型式、黄土隧道的 防排水设计方案 和施工工艺等进行研究.(3)黄土隧道合理衬砌结构型式与设计参数研究通过模型试验和仿真分析,考虑影响黄土公路隧道衬砌断面型式的 因素,对黄土公路隧道不同衬砌断面型式进行比较分析.(4)黄土隧道施工技术研究通过依托工程,对黄土公路隧道开挖方法、施工过程及工艺、质量评定标准等进行研究.(5)黄土隧道病害处治技术研究采用现场调查、文献收集及室内分析的 方法,对黄土隧道病

6、害类型、病害成因与机制及病害处置方案 进行研究.2.2 关键技术(1)如何保证现场测试真实反映实际工程性状,测试元件的 精度 和长期使用性能可否满足现场测试的 工作环境.(2)如何在数值仿真分析中有效地模拟黄土公路隧道一衬和二衬之间的 荷载作用性状及隧道开挖中的 空间效应.(3)如何合理界定深浅埋黄土公路隧道的 划分标准,有效地确定黄土公路隧道的 围岩压力计算方法及衬砌结构型式.(4)如何确保黄土隧道防排水技术的 适用性及结构型式的 合理性.(5)如何选用合适的 软件模拟不同条件下隧道开挖后地下水的 迁移特性.3 主要研究进展本课题通过对以上研究内容的 研究,主要在9个方面取得进展.这些成果不

7、仅是对黄土公路隧道理论研究的 重大 贡献,而且对黄土公路隧道的 设计、施工及病害处治等方面具有重要价值.简述如下：(1)研编了 数值仿真有限元程序针对现有通用商业有限元软件在隧道结构数值仿真中存在种种缺陷状况,首先根据隧道工程施工的 具体特点,研编了 数值仿真有限元程序,该程序较客观的 反映了 隧道施工中的 开挖效应以及一次衬砌和二次衬之间的 接触特性等.(2)系统研究了 土体参数、衬砌参数、开挖进尺以及埋置深度 对围岩和衬砌结构受力与变形性状影响利用研编程序,研究了 土体参数、衬砌参数、开挖进尺以及埋置深度 对围岩和衬砌结构受力与变形性状影响.分析了 各参数的 影响规律和敏感性,其中土体粘聚

8、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,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)分析了 隧道结构受力性状及浸水对结构的 影响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

9、 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 .浸水和开挖发生次序不同,拱

10、部衬砌弯矩变化较大 .浸水使得二衬轴力增大 ,但分布形式未发生变化,二次衬砌弯矩分布形式及大 小 变化不大 .(4)开展了 大 规模、系统全面的 现场测试立足于黄土公路隧道衬砌结构受力特性,首次开展了 大 规模、系统全面的 现场测试,着重研究了 一次衬砌和仰拱围岩压力、格栅拱钢筋轴力、一衬和二衬接触应力以及二衬混凝土应变时间变化规律及其分布特性.测试结果表明,黄土公路隧道施工中土体有局部坍塌的 可能,随着时间的 推移,围岩压力趋向于均匀分布,衬砌结构偏压状态将得到改善.浅埋隧道围岩压力属松动压力,深埋隧道围岩压力属形变压力,浅埋隧道围岩压力 “猫耳朵”分布形状较为明显.应用太沙基公式计算浅埋隧

11、道衬砌竖向压力时,埋深较浅时计算值偏大 ,埋深较大 时计算值偏小 ,深埋隧道按实测值推算竖向压力结果与修正卡柯公式较为一致.仰拱在深埋和浅埋隧道中的 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作用不可替代,深埋隧道中仰拱受力相对要大 ,和拱圈、边墙共同组成封闭的 承载结构.新庄岭隧道二衬垂直荷载分担比例为10.5%,白虎山隧道二衬垂直荷载分担比例为8.9%,说明在现有黄土公路隧道两层模筑混凝土设计施工中,二次衬砌承受荷载相对较小 ,其设计计算方法与“新奥法”二衬设计有较大 区别.格栅拱钢筋轴力在初期变化较大 ,其轴力值很快趋于稳定,由于柔性较大 ,只能承受部分荷载,

12、其它荷载由混凝土承担,格栅拱钢筋以受压为主.(5)提出了 深浅埋界定的 新思路、推导了 浅埋土质隧道围岩压力公式结合现场测试结果和数值仿真结果,明确了 应从围岩压力性质角度 进行深浅埋界定,首次提出了 以拱上中心线土体侧压力系数变化规律进行深浅埋界定的 思路,并用两个工程实例进行验证.针对现有浅埋隧道围岩压力公式的 缺点,推导了 浅埋土质隧道围岩压力公式,其计算结果与实测值推算结果较为吻合.(6)总结出了 黄土隧道防排水结构的 设计原则通过黄土地区隧道调查分析,提出了 黄土区隧道涌水类型划分表,将隧道涌水类型划分为四类,并提出了 对涌水类型校核与细分的 三种方法.引进非饱和黄土基质吸力的 概念

13、,建立各向同性对称平面问题的 弹塑性解,解释了 非饱和黄土隧道结构出现病害的 原因是土体的 含水量增加,进而指出非饱和黄土隧道应以排水为主,注意保护土体的 基质吸力,结构设计时应以土体饱和状态力学参数作为计算指标.通过实地工程实验和室内试验,证实中心排水沟、复合衬砌、排水半管、集水管等组合构成的 防排水型式对黄土隧道是适用的 .总结出了 黄土隧道防排水结构的 设计原则,其中须特别注意的 是路基排水构造应能防止隧底软化、水沟冻结,且为有限排水,防止造成生态环境失衡,故应对涌水量特大 的 地段采用帷幕注浆,降低地下水渗透系数、减少隧道涌水量.(7)提出了 黄土公路隧道的 衬砌断面型式针对黄土公路隧

14、道大 跨、扁平、几何形状呈多样化的 特点,通过对三种不同的 隧道衬砌断面型式(单心圆、尖三心圆、坦三心圆)的 室内试验与有限元仿真分析,得出了 如下结论：就整体衬砌结构的 受力状态来讲尖三心圆断面型式与单心圆断面型式没有太大 的 差别,而坦三心圆断面型式与其它两种断面型式相比劣势比较明显.在满足建筑限界、通风等相同条件下,单心圆断面型式几何尺寸简单、内轮廓净面积较小 ,且受力较好,施工放线方便,因此,在黄土公路隧道设计中首选单心圆断面型式.就综合考虑来说,优化断面形状比增加衬砌厚度 更为有效.(8)提出了 适合黄土隧道的 施工方法通过对各种开挖方法的 缺点比较及大 量的 实体工程经验总结,提出

15、了 适合黄土隧道的 开挖方法：对含水量不高的 一般黄土宜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.改进了 黄土隧道防排水技术：墙脚纵向排水系统由原来布设于墙脚外侧改为布设于边墙与仰拱圆顺过渡外侧,这样施工方便,且安全性好.防水层将沿二次衬砌外侧全断面铺设封闭成环.杜绝以往以往由于施工排水不畅而引起的 路面跑水及路面破坏现象.且防水层施作方便,与二次衬砌施工干扰少.(9)提出了 黄土公路隧道的 病害类型及各种类型的 处治方法通过调查甘肃省、陕西省和山西省境内8座典型黄土隧道(新庄岭隧道、土家湾隧道、祁家大 山隧道、七楞山

16、隧道、楼子沟隧道、燕家岭隧道、翅膀沟隧道、羊马河隧道),提出了 黄土隧道病害的 基本类型,研究了 黄土隧道不同类型病害的 成因与机制,并对不同的 病害类型提出了 具体的 处治方案 .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 处治应提高围岩自身的 力学性能,增强自承能力,减小 围岩压力,增加支护体的 刚度 和强度 ,若存在地下水时,应注意地下水的 处治;地表变形(裂缝、陷穴、溶洞)病害处治时,首先应处理地表已有的 裂缝、陷穴、溶洞,同时应注意完善防排水系统,避免地表水入渗.4 进一步工作建议由于地下结构的 复杂性及黄土公路隧道工程的 特殊性,课题完成之时仍感到有许多方面未能触及或深入,希望以后在以下方面进行进一步研究：(1)隧道工程施工属三维空间问题,黄土也表现出较强的 结构性和流变性,开展这方面数值仿真工作实属必要.(2)数值仿真和现场测试较多的 述及竖向围