黄土隧道支护设计与关键施工技术

2013年中华铁道建设新技术促进会年会暨中国隧道新技术论坛年中华铁道建设新技术促进会年会暨中国隧道新技术论坛黄土隧道支护设计与关键施工技术黄土隧道支护设计与关键施工技术长安大学长安大学陈建勋陈建勋教授教授2017世界交通运输大会2017 World Transport Convention1 1 研究背景及意义研究背景及意义2 2 黄土隧道变形规律黄土隧道变形规律3 3 黄土隧道支护结构设计黄土隧道支护结构设计4 4 黄土隧道施工技术黄土隧道施工技术5 5 工程应用工程应用6 6 结束语结束语黄土隧道支护设计与关键施工技术黄土隧道支护设计与关键施工技术1 研究背景及意义研究背景及意义全世界黄土分布约有全世界黄土分布约有13001300万平方公里，占万平方公里，占陆地面积的陆地面积的9.3%9.3%。黄土分布黄土分布黄土主要分布在北半球的中纬度干旱及半干旱地带，黄土主要分布在北半球的中纬度干旱及半干旱地带，南半球分布在南美洲一些国家和新西兰。南半球分布在南美洲一些国家和新西兰。中国是世界上黄土分布最广、中国是世界上黄土分布最广、厚度最大的国家，面积约厚度最大的国家，面积约6464万平万平方公里。主要分布在陕西、山西、方公里。主要分布在陕西、山西、宁夏、甘肃、青海等五个省区。宁夏、甘肃、青海等五个省区。陕北黄土高原占陕西省总陕北黄土高原占陕西省总面积的面积的45%,45%,是陕西省重要的化是陕西省重要的化工能源基地。工能源基地。黄土地区沟壑纵横、梁峁起伏、地形条件复杂。交通建设必然会遇到大量的黄土隧道！交通建设必然会遇到大量的黄土隧道！黄土(loess)是第四纪沉积物，与岩石地层相比，具有典型的工程特性。垂直节理发育、多孔、结构疏松、密度低，未扰动时强度较高，遇水易崩解、剥落，多具湿陷性。黄土分层及柱状节理发育黄土山体开裂马兰黄土球粒架空孔隙结构初期支护侵限，净空不足初期支护侵限，净空不足洞内坍塌洞内坍塌地表开裂地表开裂常常见见工工程程问问题题衬砌开裂衬砌开裂极易侵限极易侵限都是都是变形变形惹的祸！惹的祸！可见，岩石隧道的修建技术不完全适用于黄土隧道！可见，岩石隧道的修建技术不完全适用于黄土隧道！不易形成承载拱，浅埋时不易形成承载拱，浅埋时洞内塌方洞内塌方衬砌开裂衬砌开裂（十黄九裂）（十黄九裂）地表开裂地表开裂深埋扰动区域大深埋扰动区域大初期变形速度快，变形量大初期变形速度快，变形量大二次衬砌施作时机不当二次衬砌施作时机不当控制变形黄土隧道变形规律基 础施工锚杆的作用设计初期支护结构型式黄土隧道施工方法机 理黄土隧道主要的研究问题黄土隧道主要的研究问题20052005年以来长安大学课题组长期致力于黄土隧道修建技术问题的研究年以来长安大学课题组长期致力于黄土隧道修建技术问题的研究序号项目名称起止时间任务来源1黄土隧道支护设计与关键施工技术研究黄土隧道支护设计与关键施工技术研究2005-2010陕西省交通运输厅陕西省交通运输厅2西部复杂环境条件下隧道洞口段设计施工综合技术研究西部复杂环境条件下隧道洞口段设计施工综合技术研究2007-2011交通运输部交通运输部3土质隧道不设系统锚杆的试验研究土质隧道不设系统锚杆的试验研究2008-2011黑龙江省交通运输厅黑龙江省交通运输厅4大跨度黄土公路隧道结构稳定性及控制技术研究大跨度黄土公路隧道结构稳定性及控制技术研究2009-2015交通运输部交通运输部5钢架喷网锁脚锚杆组合支护结构在黄土隧道的应用钢架喷网锁脚锚杆组合支护结构在黄土隧道的应用2010-2016陕西省交通运输厅陕西省交通运输厅6大西铁路客运专线马家庄隧道施工技术研究大西铁路客运专线马家庄隧道施工技术研究2011-2014企业委托企业委托7软弱围岩隧道锁脚锚杆（管）支护机理与力学特性研究软弱围岩隧道锁脚锚杆（管）支护机理与力学特性研究2013-2016国家自然科学基金国家自然科学基金面上项目面上项目8黄土隧道修筑关键技术黄土隧道修筑关键技术2014-2016陕西省科技厅陕西省科技厅9大跨度高含水率黄土公路隧道设计与施工综合技术研究大跨度高含水率黄土公路隧道设计与施工综合技术研究2014-2016陕西省交通运输厅陕西省交通运输厅黄土隧道支护设计与关键施工技术黄土隧道支护设计与关键施工技术2 黄土隧道变形规律黄土隧道变形规律对吴子高速公路对吴子高速公路3232座黄土隧道两台阶法施工过程中的围岩变形进行座黄土隧道两台阶法施工过程中的围岩变形进行了现场测试，现场测试工作从了现场测试，现场测试工作从20052005年年1010月开始，于月开始，于20072007年年1010月结束。月结束。（1）最大实测位移值汇总及分析结果表明：最大实测位移值汇总及分析结果表明：在黄土隧道台阶法施工在黄土隧道台阶法施工过程过程中拱部沉降值远大于净空收敛值，中拱部沉降值远大于净空收敛值，并且开挖初期变形量约占总体变并且开挖初期变形量约占总体变形量的形量的60607070左右。因此左右。因此，控制拱部沉降尤其是初期拱部沉降是确保，控制拱部沉降尤其是初期拱部沉降是确保隧道结构稳定的关键。隧道结构稳定的关键。两车道黄土隧道变形规律两车道黄土隧道变形规律（2）典型变形时态曲线）典型变形时态曲线-10010203040503.93.143.193.243.294.34.8t(d)u(mm)左拱速率曲线左拱实测曲线拱顶速率曲线拱顶实测曲线右拱速率曲线右拱实测曲线左仰拱开挖左边墙开挖右边墙开挖右仰拱开挖二衬施作-30369121518213.43.93.143.193.243.294.34.8t(d)u(mm)速率曲线实测曲线左边墙开挖右边墙开挖左仰拱开挖右仰拱开挖二衬施作拱部沉降时态曲线拱部沉降时态曲线净空收敛时态曲线净空收敛时态曲线从变形到稳定，黄土隧道的围岩变形大致经历了以下从变形到稳定，黄土隧道的围岩变形大致经历了以下3个阶段：个阶段：第一阶段是急剧变形阶段（开挖初期）第一阶段是急剧变形阶段（开挖初期）第二阶段是持续增长阶段第二阶段是持续增长阶段第三阶段即缓慢增长阶段第三阶段即缓慢增长阶段在黄土隧道变形持续增长阶段，在黄土隧道变形持续增长阶段，二次衬砌仰拱和边墙基础要紧跟，二次衬砌仰拱和边墙基础要紧跟，并并及时进行仰拱回填和施作路面基层，增加结构的整体稳定性。及时进行仰拱回填和施作路面基层，增加结构的整体稳定性。两车道黄土隧道变形规律两车道黄土隧道变形规律（3）测试数据回归分析）测试数据回归分析典型拱部沉降实测与回归时态曲线对比典型拱部沉降实测与回归时态曲线对比黄土隧道围岩变形发展符黄土隧道围岩变形发展符合对数函数规律。合对数函数规律。由于对由于对数函数具有发散性，故无数函数具有发散性，故无法由此预估出围岩的最终法由此预估出围岩的最终位移。在已施作仰拱的情位移。在已施作仰拱的情况下，变形速率显著变小。况下，变形速率显著变小。分析发现两车道黄土隧道初期变形急剧，变形量大，拱部沉降大于净空收敛。揭示了黄土隧道变形规律。提出以钢架为主体的刚性支护理念。拱部沉降值远大于净空收敛值初期变形急剧，变形量大控制早期变形刚性支护、仰拱及时施作等控制沉降变形锁脚锚杆、扩大拱脚等两车道黄土隧道变形规律两车道黄土隧道变形规律-10 0 10 20 30 40 50 60 70 9.49.149.2410.410.1410.2411.311.13收敛值/mm实测曲线速率曲线左导洞开挖主洞开挖左导洞开挖t(d)右导洞开挖第一阶段（急剧增加）第三阶段（扩张变化）洞口浅埋段双侧壁导坑法三车道大跨度黄土隧道变形规律三车道大跨度黄土隧道变形规律反光贴膜反光贴膜左导洞收敛基线左导洞收敛基线右导洞收敛基线右导洞收敛基线主导洞收敛基线主导洞收敛基线洞口浅埋段双侧壁导坑法RK27+089.6断面右导洞净空收敛时态曲线以陕西省神木至府谷高速公路墩梁隧道（世界上开挖跨度最大的黄土公路隧道）为依托，以陕西省神木至府谷高速公路墩梁隧道（世界上开挖跨度最大的黄土公路隧道）为依托，在洞口段和洞身段共埋设了在洞口段和洞身段共埋设了2222个变形监测断面，个变形监测断面，4848条测线，条测线，166166个测点，测试长达个测点，测试长达1010个月，获个月，获得数据数万组。得数据数万组。第二阶段（趋于平缓）（1）隧道洞口浅埋段）隧道洞口浅埋段-75-60-45-30-15 0 9.149.2410.410.1410.2411.311.13沉降值/mmt(d)拱顶右边墙临时支撑左导洞开挖主洞开挖RK27+076.3断面右导洞沉降时态曲线右导洞（先行导右导洞（先行导洞）的最大收敛值大洞）的最大收敛值大于左导洞，两者远大于左导洞，两者远大于主导洞。于主导洞。右导洞（先行导洞）的右导洞（先行导洞）的沉降值大于左导洞，两者沉降值大于左导洞，两者远大于主导洞。远大于主导洞。-180-150-120-90-60-30 0 0102030405060708090100110沉降值/mm监测断面距掌子面距离/m拱顶拱顶偏左拱顶偏右左拱腰右拱腰左边墙右边墙仰拱开挖下台阶左侧开挖下台阶右侧开挖分析了大跨度黄土隧道变形时空效应，揭示了大跨度黄土隧道变形规律，为大跨度黄土隧道修正设计和指导施工提供了理论依据。155.61 arctan(0.0473960.77473)116.84yx 符合反正切函数三车道大跨度黄土隧道变形规律三车道大跨度黄土隧道变形规律反光贴膜上台阶收敛最大开挖线收敛隧道中线洞身深埋段三台阶法LK26+233断面拱部沉降空间曲线（2）隧道洞身深埋段）隧道洞身深埋段0 20 40 60 80 100 120 140 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 收敛值/mm监测断面距掌子面距离/m上台阶最大开挖线仰拱开挖下台阶左侧开挖下台阶右侧开挖-180-150-120-90-60-30 0 0102030405060708090100110沉降值/mm监测断面距掌子面距离/m拱顶拱顶偏左拱顶偏右左拱腰右拱腰左边墙右边墙仰拱开挖下台阶左侧开挖下台阶右侧开挖LK26+264.5断面净空收敛空间曲线LK26+233断面拱部沉降空间曲线三台阶法施工隧三台阶法施工隧道典型断面沉降曲线道典型断面沉降曲线符合反正切函数。符合反正切函数。上台阶处收敛速率上台阶处收敛速率比最大开挖线处快，最比最大开挖线处快，最大开挖线处的最终收敛大开挖线处的最终收敛值约为上台阶处的值约为上台阶处的3 3倍倍左右。左右。沉降曲线随着与沉降曲线随着与掌子面距离增大，沉降掌子面距离增大，沉降值持续增大，增速放缓。值持续增大，增速放缓。黄土隧道支护设计与关键施工技术黄土隧道支护设计与关键施工技术3 黄土隧道支护结构设计黄土隧道支护结构设计目前，按现行目前，按现行公路隧道设计规范公路隧道设计规范规定，黄土隧道初规定，黄土隧道初期支护结构采用由钢架、喷射混凝土、钢筋网和系统锚杆共同期支护结构采用由钢架、喷射混凝土、钢筋网和系统锚杆共同组成的联合支护结构。组成的联合支护结构。二次衬砌防水层钢架钢筋网喷射混凝土系统锚杆黄土隧道支护结构的思考黄土隧道支护结构的思考借鉴了岩石隧道支护结构型式借鉴了岩石隧道支护结构型式黄土隧道支护结构的思考黄土隧道支护结构的思考20世纪世纪70年代至年代至80年代年代末，主要为单线铁路隧道。末，主要为单线铁路隧道。大量的试验研究结果表明，锚杆在喷大量的试验研究结果表明，锚杆在喷锚支护结构中起着重要作用。锚支护结构中起着重要作用。复合式衬砌代替了以往的整体式衬砌复合式衬砌代替了以往的整体式衬砌跨度小，断面小跨度小，断面小初期支护：初期支护：锚杆锚杆+喷射混凝土喷射混凝土+钢筋网钢筋网20世纪世纪90年代以来，大断面隧道和复杂地质情况增多，在软年代以来，大断面隧道和复杂地质情况增多，在软弱地层中的隧道初期支护结构必须增设钢架。弱地层中的隧道初期支护结构必须增设钢架。在钢架条件下系统锚杆支护效果如何？在钢架条件下系统锚杆支护效果如何？有两种观点：有两种观点：作用不大，可以取消；有重要作用，理应设置。系统研究很