黄土地区隧道的修筑技术

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2、背景 |1.2 国内外研究概况|1.3 本课题研究内容和关键技术 |1.4 主要研究进展 4项目背景|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。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

3、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月决定开展黄土地区隧道的修筑技术研究科研项目。5国内外研究概况隧道结构计算模型1荷载结构模型2收敛约束模型 3地层结构模型 4经验类比模型围岩压力理论隧道结构数值仿真模型试验及工程实测施工方法防排水技术 6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

4、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。 7主要研究进展 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。8主要研究进展 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

5、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。 9主要研究进展 3

6、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

7、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。 10主要研究进展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

8、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

9、，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，其它荷载由混凝土承担，格栅拱钢筋以受压为主。11主要研究进展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。 12主要研究进展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

10、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，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

11、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。13主要研究进展7提出了黄土公路隧道的衬砌断面型式针对黄土公路隧道大跨、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

12、来说，优化断面形状比增加衬砌厚度更为有效。14主要研究进展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。

13、15主要研究进展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

14、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。 162 黄土公路隧道工程性状实测 2.1 依托工程概况 2.2 测试目的与实施技术 2.3 土家湾隧道测试结果分析 2.4 新庄岭隧道测试结果分析 2.5 白虎山隧道测试结果分析 2.6 青土岘隧道测试结果分析 2.7 小结 17依托工程概况土家湾隧道工程概况新庄岭隧道工程概况白虎山隧道工程概况青土岘隧道

16、元件埋设较多，巉柳高速公路每个隧道均埋设了两个断面，共六个断面，为与以前数值仿真结果作对比，测试断面和计算断面选在同一位置。青土岘隧道测试较晚，在二衬边墙和仰拱部位补充布置了混凝土应变计。 20测试目的与实施技术为压力盒为二衬应变计为钢筋计，花拱架内外两侧各一支，每个位置共两支。测试元件布置图 21土家湾隧道测试结果分析拱部围岩压力时间变化曲线墙部围岩压力时间变化曲线 22土家湾隧道测试结果分析仰拱围岩压力时间变化曲线 01年7月6日围岩压力分布（kPa） 02年3月13日围岩压力分布（kPa） 23土家湾隧道测试结果分析格栅拱钢筋轴力时间变化曲线二衬应变时间变化曲线 24新庄岭隧道测试结果分析拱部围岩压力时间变化曲线墙部围岩压力时间变化曲线 25新庄岭隧道测试结果分析仰拱及二衬底部压力时间变化曲线 01年6月13日围岩压力分布（kPa） 01年6月23日围岩压力分布（k

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