黄土地区隧道的修筑技术研究

交通部西部交通建设科技项目黄土地区隧道的修筑技术研究项目承担单位：甘肃省高等级公路建设开发有限公司项目参加单位：长安大学甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司项目合同编号：２００１３１８０００２１项目主要负责人：康军谢永利杨惠林李睿主要研究成果和技术创新点：!研编了数值仿真有限元程序。

!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。

!分析了隧道结构受力性状及浸水对结构的影响。

!开展了大规模、系统全面的现场测试。

!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。

!总结出了黄土隧道防排水结构的设计原则。

!提出了黄土公路隧道的衬砌断面型式。

!提出了适合黄土隧道的施工方法。

!提出了黄土公路隧道的病害类型及各种类型的处治方法。

ＧＯＮＧＬＵＪＩＡＯＴＯＮＧＫＥＪＩＹＩＮＧＹＯＮＧＪＩＳＨＵＢＡＮ公路交通科技应用技术版１项目研究背景和基本情况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，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，黄土在我国有着广泛的分布，分布面积为６４万ｋｍ２，占国土面积的６．３％。

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，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项目研究内容和关键技术２．１研究内容（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了研究。

（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了研究。

（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了研究。

（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了研究。

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黄土地区隧道的修筑技术研究康军１，２，谢永利１，杨惠林１，２，李睿１，２（１．长安大学公路学院，陕西西安７１００６４；２．甘肃省交通厅，甘肃兰州７３００７０）作者简介：康军（１９６４－），男，甘肃临夏人，博士研究生，高级工程师，研究方向为公路隧道工程。

２９ＧＯＮＧＬＵＪＩＡＯＴＯＮＧＫＥＪＩＹＩＮＧＹＯＮＧＪＩＳＨＵＢＡＮ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项目研究概况项目自２００１年开始实施以来，项目组严格按照合同书要求和研究大纲的工作思路全面展开研究工作：在现场的测试研究工作中坚持科学严格的工作质量管理，确保了试验数据的准确性。

通过高标准理论分析确保研究较好地反映实际，并便于在实际工程中应用。

项目研究工作按照子项目的分工形式分别展开，在实施过程中项目组注意相互间的配合和各分项研究的协调，不断地完善研究方法，优化研究工作思路，确保了项目研究工作的质量。

项目的研究工作按照技术资料调研、现场试验测试、室内试验、数值模拟分析、研究结论分析及报告的整理几个阶段展开。

项目执行完成的任务与研究工作量如下。

（１）技术资料收集与研究大纲的编制。

为使研究在充分了解该技术相关领域发展情况的基础上工作全面系统地展开，项目组首先进行了技术资料的收集与分析工作。

收集了黄土区域工程地质、软岩及黄土隧道设计施工、黄土力学、弹塑性理论分析、岩土工程技术、类似工程案例等方面的国内外资料约１５０篇，通过对这些资料的归纳，以及通过对近几年甘肃省与黄土地区隧道修筑中所存在的技术问题和需要的充分总结，项目组对国内外该方面的有关研究与工程实践状况，及解决问题的重点有了较充分的了解。

依照科研工作的程序并充分结合实际工程，经过对有关研究内容和关键技术措施的细化，制定了项目的研究大纲和技术路线，并于２００２年６月通过专家评审。

（２）按照研究大纲的技术路线，项目组在依托工程巉柳高速公路新庄岭隧道、白虎山隧道、土家湾隧道以及兰海高速公路青土岘隧道布设１０处测试断面，在钢花拱、初次开挖围岩、初次与二次衬砌的交界处、二次衬砌与隧道仰拱中布置钢筋应力计，土压力盒和混凝土应变计，进行围岩压力，二次衬砌受力与变形特征的量测。

进行了施工期及工后约５００多天的量测，得到了很有价值的数据资料。

选择对黄土比较适用的杜拉克—普拉格本构模型和非线形弹性邓肯—张模型并介入其他弹性模型和非线弹性模型，对隧道在不同工况条件下的围岩压力分布和衬砌受力进行了仿真分析，仿真结果与实测结果的规律性比较吻合。

（３）通过系统收集黄土隧道防排水方面的技术资料，和进行的工程效果总结。

以及通过实地调查甘肃、陕西比较有代表性的工程（车道岭隧道、祁家大山隧道、王甫梁隧道、青土岘隧道、楼子沟隧道、李家山隧道等）的防排水技术及其工程表现，并结合地质、地理、自然气候、设计与施工技术措施的应用等方面，对隧道的防排水技术了进行较全面的综合分析研究。

在巉柳高速公路新庄岭隧道附近的同质黄土地层进行了黄土原位浸水入渗的试验研究，同时进行了地下水迁移特性的仿真分析，得到了黄土隧道围岩中水分的迁移规律，通过应用该规律并结合调研的综合分析，完成了黄土隧道防排水技术的研究，提出了优化的黄土隧道防排水设计施工的方法。

（４）系统地收集了黄土隧道结构设计方面的有关资料，对其设计方法理论与公路隧道的工程结构特点进行了分析。

通过模型试验方法并结合实际测试数据进行研究。

模型试验考虑影响黄土公路隧道衬砌断面型式的因素，采用室内１∶６０的比例模型试验，按相似理论对衬砌结构刚度及几何尺寸进行相似模拟。

通过用有限元软件对黄土公路隧道不同衬砌断面型式进行的仿真分析，得出了各种断面型式受力性状，给出黄土公路隧道的相对合理衬砌断面结构型式与设计参数。

（５）系统地总结土家湾、白虎山及新庄岭隧道的施工技术，提出应根据黄土的自身天然强度状况选择合理适宜的开挖方法，提出黄土地层隧道新奥法的使用条件。

黄土隧道开挖的关键就是尽量防止松动圈的产生，加强初期支护是比较可靠的措施。

青土岘隧道采用了该技术通过强支护短进尺并在没有用超前小导管支护的条件下通过了黄土层。

为验证该工程经验，对开挖过程中围岩土体的受力与变科技成果推广３０ＧＯＮＧＬＵＪＩＡＯＴＯＮＧＫＥＪＩＹＩＮＧＹＯＮＧＪＩＳＨＵＢＡＮ公路交通科技应用技术版形进行数据值分析，使得开挖的合理性进一步得到完善。

研究了施工组织的特点，对各种施工工序的配合与流程进一步地改进与完善，提出了针对黄土隧道的施工量测及质量控制要点，以及有关的质量控制措施。

（６）系统地调查甘肃、陕西２省典型的黄土隧道（车道岭隧道、祁家大山隧道、王甫梁隧道、青土岘隧道、楼子沟隧道、李家山隧道等）在建设与运营期的病害，从地质、施工、黄土特性等方面分析了病害产生的原因机理，对病害类型进行归纳。

研究了黄土隧道病害产生的最主要原因，即开挖后围岩水文状况变化导致工程条件恶化。

病害处治关键就是用有效的防排水措施对围岩土体进行保护。

研究结合了新庄岭隧道的病害治理所做的观测分析，以及在采取封水措施后病害发展得以控制的工程实例。

研究同时还对适宜于黄土隧道病害处治的技术措施进行了总结。

４项目主要研究进展（１）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）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。

（３）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。