路桥过渡段黄土地区隧道施工技术研究

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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物，在我国分布面积为64万km2，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，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，其中土体粘聚力、内摩擦角、刚度参数file:///C:\Users\ying\AppData\Local\Temp\ksohtml4924\wps1.png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，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，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岩压力，而对于侧向围岩压力仍不容忽视，结合竖向围岩压力和侧向围岩压力两方面的研究，分别考虑对隧道衬砌结构影响的不同因素，有针对性地进行室内模型试验。进一步优化出黄土公路隧道的合理衬砌截面型式。

（3）本课题给出了隧道深浅埋界定的新思路和方法，针对黄土地区常见典型公路隧道工程，可进一步利用数值仿真技术确定和完善隧道深浅埋界定标准。

（4）本课题公式中土体侧压力系数取值，仍需进一步研究。

（5）继续跟踪观测，积累现场量测的数据并对其进行分析。

（6）进一步对实体工程进行调查研究，分析总结黄土隧道防排水技术及病害处治技术。