黄土隧道设计

第十六章黄土隧道设计

第一节黄土的基本特征

一、我国的黄土分布

黄土是一种第四世纪松散堆积物，因其具有特殊的成分和性质而在工程地质中占据特殊的地位。我国黄土地区主要分布在陕西、山西、河南、河北、山东、内蒙古、辽宁、吉林、新疆、青海、甘肃、宁夏等12省和自治区，覆盖面积达64万平方公里，是国土面积的6.6%。我国黄土分布区域如图16-1-1。

我国铁路路网中，经过黄土地区的有陇海、大秦、宝中、神延、神朔、西延、朔黄等铁路线，郑州至西安铁路客运专线所经过的黄河中游黄土高原地区，因黄土分布广，层序全而最具典型性。

图16-1-1 中国黄土分布区域图

二、黄土地貌特征

黄土地貌一般可分为“塬、梁、峁”三大类型，以及河谷阶地、冲积洪积平原等。

（1）黄土塬：具面积较大的平坦高地，有陡峻的边缘，通常由黄土所构成，在黄土塬顶部表层广泛分布着黄土质土。

(2) 黄土梁：地形呈长条状的垄岗，两旁夹以深谷，垄岗高度大体保持一致，也是由黄土所构成，但也有少数上更新统和全新统新近堆积的黄土质土，如陇中、陇东、陕北、晋南、柴达木盆地香日德附近等地区。

(3) 黄土峁：指个体独立或连续的黄土丘陵，由于地形严重切割，沟谷斜坡地带往往分布着新近堆积的湿陷性大的黄土质土。

(4) 河谷阶地：包括现代河流的河漫滩、超漫滩、低级阶地、高级阶地及河谷范围内的各种斜坡地带以及河谷两侧的一些沟谷等地貌。

(5) 冲积洪积平原：分布着全新统的黄土质土，一般具有较弱的湿陷性，当含粘土颗粒较多时，湿陷性较小或无湿陷性，如关中、河南、河北等黄土冲积洪积平原。

三、黄土的物理、力学特征

（一）黄土的地层划分

黄土是第四纪以来在干旱、半干旱气候条件下陆相沉积的一种特殊土，土颗粒成分以粉粒为主，富含钙质、呈棕黄、灰黄或黄褐色，具有大孔性的大陆沉积物，黄土包括老黄土和新黄土。老黄土是下更新统的午城黄土(Q1)和中更新统的离石黄土(Q2)的统称，其大孔结构多经压密，一般没有湿陷性或仅在Q2黄土的上部有轻微湿陷性。覆盖在上述黄土上部及阶地上的上更新统马兰黄土(Q3)及全新统的新近堆积黄土(Q4)，称为新黄土，土质均匀，较疏松，大孔和虫孔发育，具垂直节理，有较严重的湿陷性。我国各层黄土形成时代和成因如表16－1。

黄土的地层划分和特性表16－1

（二）黄土的物理、力学特征

一般老黄土的抗剪强度比新黄土高，尤以粘聚力 c 最为明显。就原状黄土的各向异性而言，由于垂直节理及大孔隙的存在，使得原状黄土的强度随方向而异。风积黄土的抗剪强度水平方向最大,垂直方向最小；冲积、洪积黄土垂直方向最大，水平方向最小。就含水量的影响看，黄土的抗剪强度随含水量增大而剧烈降低，当含水量接近塑限时，强度降低减慢。一般而言，黄土的φ值介于19o 至42o 的范围之内，c 值介于10 至110 kPa之间。

黄土浸水后在外荷载或土的自重作用下，发生的下沉现象称为湿陷。根据性质又可分为自重湿陷和非自重湿陷两类。自重湿陷是指土层浸水后仅仅由于土的自重发生的湿陷；非自重湿陷是指土层浸水后，由于自重及附加压力的共同作用而发生的湿陷。一般用相对湿陷系数δ判别黄土是否具有湿陷性。湿陷试验可以在实验室用普通固结仪完成。当δsh≥0.02时为湿陷性黄土。黄土湿陷原因，是黄土浸水时胶结物质发生化学和物理化学反应，使结构强度降低；其湿陷的条件是黄土中存在孔隙直径大于周围颗粒直径的架空结构。湿陷性黄土对工程建设的影响最为显著。一般湿陷性黄土主要分布在表层，以新黄土及新近堆积的黄土为主，其厚度—般在20m以内，而郑州至西安铁路客运专线所经过的三门峡地区湿陷性黄土厚度最大达到35m。

黄土的水理性质包括：渗透性、收缩与膨胀性、崩解性等。由于黄土的各向异性，一般垂直方向的渗透性大于水平方向；此外，粘粒含量越多，其透水性越差。一般黄土的渗透系数κ约为i×102-～103-m/s,老黄土的渗透系数约为i×103-～105- m/s。黄土遇水膨胀，干燥后又收缩，多次反复容易形成裂缝和剥落。由于黄土的堆积作用，其水平方向的收缩量比垂直方向大，一般大约50% ～100%。各类黄土的崩解性相差较大，新黄土浸水后会完全崩解，老黄土则要经过一段时间后才全部崩解，午城黄土浸水后基本不崩解。

第二节黄土隧道的工程特征

一、黄土隧道研究现状

黄土隧道的工程特征，由于黄土特殊的物理力学性质，而表现出与普通岩石隧道相当大的差异。在黄土隧道建设的历史过程中，设计院、科研院校以及施工单位结合黄土的特性对黄土隧道的工程特征进行过大量研究工作：

铁路部门：上世纪六十年代铁道部成立黄土双线隧道现场设计研究组，对陇海线三门峡～潼关段13座出现裂缝的黄土双线隧道进行试验研究；八十年代铁科院在大秦线对浅埋黄土隧道做过大断面开挖与喷锚支护的研究；1989年中铁隧道局主持“浅埋黄土质双线铁路隧道施工新技术”研究；九十年代修建的宝中线、神延线、神朔线、西延线、朔黄线等出现了大量的单线及部分双线黄土隧道，神延铁路公司与西南交通大学“黄土隧道施工研究”；1999年铁一局主持“大跨度黄土隧道新奥法施工综合技术研究”。

公路部门：随着近年西北高速公路的大量修建，公路系统针对双车道公路隧道（开挖断面105m2）做过比较多的研究。如2000年～2001年甘肃省交通厅与长安大学“公路黄土隧道围岩特性及支衬结构受力性状研究”；黄陵延安高速公路公司与长安大学“黄土隧道结构设计与施工控制研究”。在黄土隧道基础加固方面，甘肃省交通厅与长安大学及中铁19局完成“土家湾隧道软黄土地基加固技术试验研究”。

西安理工大学水电学院教授刘祖典编著的《黄土力学与工程》一书，总结了大量的研究成果，对黄土力学与工程建设进行了深入细致的分析研究。

二、黄土隧道典型工程特征

通过以上长期的试验、研究和工程实践，可以将黄土隧道的主要工程特征概括归纳为以下几个方面：

(一)黄土隧道围岩压力特征

1、压力分布规律：黄土双线隧道垂直地层压力在隧道两侧拱部45º和起拱线处较大，向拱顶逐渐递减，可能成一反拱形分布；

2、侧向压力系数：拱部有较大的侧向压力，侧向压力系数范围λ＝0.5～0.8，墙部侧向压力较小；

3、豫西（郑西客专范围）黄土隧道土体破裂角，破裂面起点调查揭示在拱脚，为折线，可能有多条，但主要的只要一条，角度58°～63°；

4、黄土双线隧道的土体破坏一般不能形成所谓的普氏压力拱，岩石隧道设计采用的普氏理论与黄土隧道的实际压力分布不符。

（二）黄土隧道初期支护的变形特征