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1、公路隧道 2 0 1 1年第 2期 总第 7 4期 榆商线神木 府谷高速公路墩梁黄土隧道设计 徐 智 潘军利 王红梅 1中交第一公路勘察设计研究院有限公司西安7 1 0 0 7 5 2陕西省交通建设集团公司神府高速公路管理处西安7 1 0 0 7 5 摘 要黄土在我国有着广泛的分布 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 近年来 由于我国高速公路的飞速发展以及西部大开发的战略部署 黄土隧道建设规模不断得到扩大 由于 黄土的自身特性以及地形特点 黄土隧道在设计方面也有其 自身特点 本文结合省级高速公路榆商线神木 府谷 高速公路墩梁黄土隧道工程实例 介绍了黄土地区公路
2、隧道设计的一些特点 希望对黄土地区隧道的设计与施工 有一定的参考作用 关键词黄土隧道设计特点 4 一 I 刖 吾 黄土在我国有着广泛的分布 分布面积为 6 4万 k m 占国土面积的 6 3 我国的黄土主要分布在 西北 华北 地区 并 以分 布广 厚度 大 地层层 序完 整 古土壤清楚而 闻名 黄土是第 四系堆积 的陆相 沉积物 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 黄 土地 区地形多表现为 鸡爪形 梁茆地貌 地形起伏 沟壑纵横 近年来 由于我 国高速公路的飞速发展 以及西部大开发 的战略部署
3、黄土隧道建设 规模不 断得到扩大 关于黄土隧道设计 施工的相关研究投 入也相应增加 并积累了一定 的研究成果和建设经 验 研究以及施工经验认为 黄土一般具有以下特 性 岩体特性 新黄土含水 量一般为 5 1 5 老黄土含水量较新 黄土大 一般在 1 5 4 O 垂 直节理 裂隙发育 节理面层问结合力差 地基承载 力低 抗剪切能力差 侧压力系数大 新黄土由于节 理面相互切割形成与周边围岩凝聚力较小 的棱体 因隧道开挖形成凌空面后 由于扰动和支护缺陷 在 重力作用下会形成坍塌 具有变形快 突发性强的特 点 对老黄土来说 隧道开挖 后形成 的临空面 使 围 岩初始应力释放会产生塑性区 如存在支护缺陷
4、会 产生蠕变进而形成坍塌 易风化变形 黄土由于 开挖后暴露而含水量降低易风化龟裂 承载力降低 当围岩周壁风化至内部 围岩体松弛加快 进而易发 生坍塌 遇水易软化 在地下水的作用下 土体 开挖后会迅速崩解 强度骤然降低 围岩自稳能力极 大削减 黄土地 区隧道设计则应针对 以上特征 制 订设计方案及对策措施 2 项 目概 况 2 1 地形 地貌 神木至府谷高速公路地处毛乌素沙漠与黄土高 原过渡地带的东南部 地势总体北高南低 西高东 低 海拔一般在 9 0 0 m 至 1 3 3 0 m 之间 区域地貌 主 要为黄土梁峁一沟壑区 2 2 气候 水文 本区属中温带半干旱大陆季风性气候 区 四季 分明
5、其主要特点为冬季严寒 夏季炎热 冷热多变 温 差 大 冬 春 干 旱 降 雨 集 中 极 端 最 高 气 温 3 8 9 C 最低气温 2 7 9 C 平均年降雨 4 5 3 4 mm 当地最大冻土深度为 1 4 7 m 地下水及地表水对混 凝土无结晶类 分解类及结晶分解复合类腐蚀性 对 钢结构具弱腐蚀性 2 3 地层岩性 项 目地层 区划属华 北地层区鄂尔多斯盆地分 区 墩梁隧道地勘成果揭示 区域地层岩性为黄土 分为新 老黄土 新黄土 呈褐黄色 含云母 稍密 中密 干 稍湿 主要分布在隧道进 出口 其 湿陷等级为 一 级 的 自重湿陷性黄土场地 老黄 土 Qz o 1 呈浅褐红色 中密 密实
6、 干 稍湿 含较 多钙质结核 主要分布在隧道洞身段落 在洞 口段 隧道新 老黄土分界线基本处于隧道设计标高以上 洞内深埋段则为老黄土 2 4 地质构造与地震 本 区位 于我 国大 陆地壳 稳定地带 第 四纪 以 1 9 公路隧道 2 0 1 1年第 2期 总第 7 4期 来 以地块整体隆起 一沉降为特征 地壳运动相对较 弱 项 目区新构造运动极不活跃 断裂 褶皱构造均 不发育 隧址 区内未发现明显褶皱构造变形 根据 中 国地震 动参 数 区划 图 GB 1 8 3 0 6 2 0 0 1 路线所经区域按 5 0年超越概率 1 O 的设防 标准 地震动反应谱特征周期为 0 3 5 s 地震 动峰
7、值 加速度为 0 0 5 g 地震基本烈度为 度 2 5隧道主体工程设计概况 墩梁隧道按高速公路分离式双 向 6车道设计 采用 的主要技术标准如下 设计速度 8 0 k m h 隧道 建筑限界净宽 1 4 2 5 m 具体组成为 0 7 5 0 5 3 7 5 3 0 7 5 1 0 1 4 2 5 m 净高 5 2 m 隧道 横断面设计见图 1 墩梁隧道 平 面按照 分离 式布设 左右 线 间距 3 0 4 0 m 左 右线长度分别为 1 3 2 8 1 4 1 5 m 隧道进 口处于直线上 左线出口处于缓和曲线上 右线出 口 处于 5 5 0 0 m的曲线上 隧道左 右线设计纵坡均为 0
8、7 一0 6 隧道 围岩级别划分为 V级 其 中 浅埋段 以新黄土为主 深埋段 老黄土 分别 占总 长度的 1 7 9 6 8 3 9 6 隧道暗洞衬砌按新奥法原理设 计 支护结构均为复合式衬砌 支护参数见表 1 表 1 隧道复合式衬砌支护设计参数表 图 1 隧道横断面图 衬砌类 型 项 目 单位 V级 浅埋 V级 深埋 喷射混凝土 c 2 5混凝土 C m 2 8 2 8 长 度 C m 4 0 0 4 0 0 2 2 早强砂浆锚杆 锚杆布置 C m t 0 0 6 5 1 O 0 7 5 直 径 r n m 西 8 8 钢筋 网 钢筋布置 C m 1 5 1 5 双层 2 O 2 O 工字
9、钢架 型号 I 2 2 b 全断面 I 2 2 b 拱部 钢架 纵 距 C m 6 5 7 5 二次衬砌 C 2 5钢筋混凝土 C m 6 0 6 0 喷 C 2 5 混凝 土 C m 2 8 仰拱 C 2 5现浇钢筋混凝土 C m 6 0 6 0 洞 口第 一环 1 0 8管棚 洞 内双 排 中 5 0 类型 单层 中5 O小导管 小导管 超前支护 间距 C m 4 0 4 0 长度 m 2 5 长管棚 5 0 b导管 5 O 预 留变形量 C m 1 5 1 2 隧道 V级 围岩浅埋 深埋段分别采用双侧壁 单 侧壁工法开挖 2 6隧道防排水工程设计 防排水设计原则是 防排结合 综合治理 采
10、 用防 截 堵 排相结合 形成完整的防排水体系 使 2 0 隧道防水可靠 排水畅通 保证运营期隧道 内不渗不 漏 基本干燥 隧道明洞段采用双层土工布夹防水板及粘土隔 水层防水 采用碎石盲沟及 1 0 O半边打孔 P E管排 水 洞 内复合式衬砌采用土工布加防水板防水 环向 徐智 等榆 商线神木 府谷 高速公路墩梁黄土隧道设计 采用 1 mmQ排水管排水 墙脚纵 向排水管采用 I 1 0 0半边打孑 L P E管 横向采用 1 0 0 P E波纹管排 水 明洞沉降缝 洞内施工缝处均设 2 0 3 0 mm 橡 胶止水条 隧道洞内全长设 中心排水沟 纵 向排水 沟采用上半 断面打孔 3 0 0 m
11、 波纹 管 HDP E 洞 门上方仰坡坡顶 以外 5 1 0 m 外设截水沟 引地表 水至路基边沟或洞 门外侧 自然沟谷 以此形成完善 且维修养护的洞内外防排水系统 中心排水沟置于 仰拱上并设置在冻土深度之下 二次衬砌混凝土抗渗等级不应小于 s 6 3 隧道 设计 重点 3 1 平面选线 隧道平 面布置主要服从路线总体走 向 在综合 考虑线形指标及工程造价 的前提下 主要考虑隧道 地形条件 隧址区工程地质条件 营运管理设施场地 以及隧道洞 口接线条件等 因素 由于黄土地 区地形 多为 鸡爪形 梁茆地貌 地形起伏 沟壑纵横 易 出 现切割较深的 V 字形沟谷 沟谷场地狭窄 故在选 线时容易产生进
12、洞困难及严重偏压地形 另外 隧道 沿线穿越较多沟谷 在沟谷处 其埋深可能较浅 对 隧道安全有一定的影 响 应引起 重视 再 之 由于黄 土地形中冲沟一般较为狭窄 展线较为困难 洞 口场 地狭小 也为施 工场地布置带来 闲难 为 了克服 以 上不利现象 隧道平面选线 时要结合横断面进行多 次微调 根据实际情况 一般微调幅度控制在 3 m 左 右 尽量让路线在洞 口处与等高线正交 避免出现 小角度交角而带来严重偏压现象 另外 在隧道选线 过程中 应核实隧道洞身穿越 的沟谷是否对隧道有 影响 具体的做法就是根据地形横断面核实隧道埋 深 避免隧道在 沟谷处埋深较 浅带来安 全隐患 再 之 尽量将隧道洞
13、 口布置在宽阔的区域 以便于场地 布设 而方便施工 墩梁隧道平面选线 时 在服从路 线总体走向的前提下 为 了寻找较好的地形条件进 洞 再经过多次微调以及现场勘察后 确定的隧道洞 口位置见图 2 从 图 2可以看 出 隧道左线 出 口地 形条件较好 右线出 口存在轻微偏压现象 隧道左 右线设计 间距约 4 0 m 以上平面图可以看出 左线出 口线位如左偏则致 使前方路基出现高边坡 f g幅所限 没有示 出隧道出 口前方平面图 如线位右偏则致使洞口出现较长偏 压段 路线经多次微调后 左线隧道 出口基本从 山包 正巾央进洞 既避开右侧 冲沟的影响 又使得隧道轴 线基本和等高线正交 其洞 口实际地形
14、条件见图 3 图 2 墩梁隧道 出口平面 图 图 3 墩 梁隧道左 线出洞 口实际地形 从 图 2还 可 以看 出 右 线隧 道分别 在 K2 6 7 0 0 K2 6 7 4 0附近分别穿越一 V 形冲沟 通过现 场实测地面线核查后 隧道在 以上两处 的洞顶埋深 均在 2 0 m 以上 对 隧道影响不大 故不需要采取措 施辅助施工 3 2隧道洞口防护 一 般地 隧道洞 口临时边仰坡均采用锚 喷 网防 护 即采用打锚杆 喷射混凝土 挂钢筋网的方式对边 仰坡进行防护 设计坡率一般为 1 0 3 1 0 5 每 8 1 0 m高度设置一碎落台 结合现场施工情况 锚 喷 网防护对黄土来说效果不显著
15、临时边仰坡多次 出现滑塌 达不到预期 目的 墩梁隧道洞 口边仰坡防 护优化后 以边仰坡能 自稳为原则 不需要对其采取 结梅l 生防护措施 具体 防护形式为 新黄土边坡坡率 一 般取 1 1 1 1 5 每 8 m设置一平 台 平 台宽 2 3 m 老黄土边坡坡率一般取 1 0 7 5 1 1 每 8 m设置一平台 平台宽 2 m 从景观角度考虑 对于 回填后暴露的永久仰坡 可以采用拱形骨架植草护 面 3 3 隧道结构设计特点 针对本项 目的黄土特性 隧道结构设计 时应注 21 公路隧道 2 0 1 1年第 2期 总第 7 4期 意以下几点 1 由于黄土地基承载力较低 故需要进行基底 加 固处理
16、 墩梁隧道洞 口新黄土经现场实测 其基 底承载力一般在 1 5 0 k P a 左右 经综合分析 比较 隧 道基底采用 5 O花管进行注浆加 固 钢管长 6 m 间 距按照 6 0 6 0 c m布置 注浆浆液采用水泥浆 加 固 后隧道基底 承载力要求不应小 于 2 5 0 k P a 洞 内老 黄土 隧道基底实测 承载力在 2 4 0 k P a以上 2 4 0 2 7 0 k P a 根据经验 则不需进行处理 2 施工经验表明 对于洞 口浅埋段新黄土采用 单层小导管超前支护效果不够显著 拱顶掉块 小坍 塌现象较多发生 故设计采用双层小导管进行超前 加 固 小导管长度 5 m 两层导管外插角分别为 7 3 O 其纵向搭接长度不小于 l m 为 了方便施工 双 层小导管应避免布置在一个横断面上 前后可错开 1 2倍钢架设计 间距 根据现场双层小导管加 固 效果来看 掌子面基本稳定 较少发生掉块及小坍塌 现象 说 明采用双层小导管超前加 固新黄土效果较 好 具有借鉴意义 3 根据现场施工情况 黄土隧道施工 的安全风 险主要来 自拱顶 故超前支护效果较为重要 由于 黄土结构较为致密 不易注
