大断面黄土隧道施工方法

1、2005年4月15日钢筋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。0100200300400500600700050100150200250300350400时间（天）压力值（kPa)1号压力盒2号压力盒3号压力盒5号压力盒6号压力盒8号压力盒9号压力盒10号压力盒0100200300400500600700800900050100150200250300350400时间（天）压力值（kPa)11号压力盒12号压力盒13号压力盒14号压力盒15号压力盒16号压力盒图22 墙部围岩压力时间变化曲线 010203040506070050100150200250300350

2、400时间（天）压力值(kPa)19号压力盒20号压力盒21号压力盒22号压力盒23号压力盒 图23 仰拱围岩压力时间变化曲线 图24 01年7月6日围岩压力分布（kPa） 图25 02年3月13日围岩压力分布（kPa）2.1.2 新庄岭隧道 0500100015002000250030003500400045005000050100150200250300350400450500时间(天)压力值(kPa)1号压力盒2号压力盒3号压力盒4号压力盒5号压力盒6号压力盒7号压力盒8号压力盒9号压力盒10号压力盒 图26 拱部围岩压力时间变化曲线 02000400060008000100001200

3、0140001600018000050100150200250300350400450500时间(天)压力值(kPa)11号压力盒12号压力盒13号压力盒14号压力盒15号压力盒16号压力盒 图27 墙部围岩压力时间变化曲线 01000200030004000500060007000050100150200250300350400450500时间(天)压力值(kPa)17号压力盒18号压力盒19号压力盒20号压力盒21号压力盒22号压力盒23号压力盒 图28 仰拱及二衬底部压力时间变 图29 01年6月13日围岩压力分布（kPa） 图210 01年6月23日围岩压力分布（kPa） 2.1.3

4、白虎山隧道 020040060080010001200140016001800050100150200250300350400450500时间(天)压力值(kPa)1号压力盒2号压力盒3号压力盒4号压力盒5号压力盒6号压力盒7号压力盒8号压力盒9号压力盒10号压力盒 图213 拱部围岩压力时间变化曲线 05001000150020002500050100150200250300350400450500时间(天)压力值(kPa)11号压力盒12号压力盒13号压力盒14号压力盒15号压力盒16号压力盒 图214 墙部围岩压力时间变化曲线 020040060080010001200050100150

5、200250300350400450500时间(天)压力值(kPa)17号压力盒18号压力盒19号压力盒20号压力盒21号压力盒22号压力盒23号压力盒 图215 仰拱及二衬底部压力时间变化曲线 图216 01年6月23日围岩压力分布（kPa） 图217 01年7月7日围岩压力分布（kPa） 2.1.4 青土岘隧道 010203040506070800102030405060708090100110时间(天)压力值(kPa)1号压力盒2号压力盒3号压力盒4号压力盒5号压力盒6号压力盒7号压力盒8号压力盒9号压力盒10号压力盒 图220 拱部围岩压力时间变化曲线 0204060801001201

6、401601800102030405060708090100110时间(天)压力值(kPa)11号压力盒12号压力盒13号压力盒14号压力盒15号压力盒16号压力盒 图221 墙部压力时间变化曲线 05101520253035404550010203040506070时间(天)压力值(kPa)17号压力盒18号压力盒19号压力盒20号压力盒21号压力盒22号压力盒23号压力盒 图222 仰拱及二衬底部压力时间变化曲线 图223 02年11月16日围岩压力分布(kPa) 2.2 格栅拱钢筋轴力2.2.1 土家湾隧道 -100-50050100150050100150200250300350400

7、时间（天）轴力值（kN）1外钢筋计1内钢筋计2外钢筋计3外钢筋计3内钢筋计4内钢筋计5外钢筋计5内钢筋计6外钢筋计6内钢筋计7外钢筋计7内钢筋计8外钢筋计8内钢筋计9外钢筋计9内钢筋计 图224 格栅拱钢筋轴力时间变化曲线 2.2.2 新庄岭隧道-700-600-500-400-300-200-1000100200050100150200250300350400450500时间(天)轴力值(kN)1外钢筋计1内钢筋计2外钢筋计2内钢筋计3外钢筋计3内钢筋计4外钢筋计4内钢筋计5外钢筋计5内钢筋计6外钢筋计6内钢筋计7外钢筋计7内钢筋计8外钢筋计8内钢筋计9外钢筋计9内钢筋计 图225 格栅拱钢

8、筋轴力时间变化曲线 2.2.3 白虎山隧道-800-600-400-2000200050100150200250300350400450500时间（天）轴力值(kN)1外钢筋计1内钢筋计2外钢筋计2内钢筋计3外钢筋计3内钢筋计4外钢筋计4内钢筋计5外钢筋计5内钢筋计6外钢筋计6内钢筋计7外钢筋计7内钢筋计8外钢筋计8内钢筋计9外钢筋计9内钢筋计 图226 格栅拱钢筋轴力时间变化曲线 2.2.4 青土岘隧道 05101520253035400102030405060708090100110时间(天）轴力值(kN)1外钢筋计1内钢筋计2外钢筋计2内钢筋计3外钢筋计3内钢筋计4外钢筋计4内钢筋计5外

9、钢筋计5内钢筋计6外钢筋计6内钢筋计7外钢筋计7内钢筋计8外钢筋计8内钢筋计9外钢筋计9内钢筋计 图227 格栅拱钢筋轴力时间变化曲线 2.2.3 二衬压力和应变2.2.3.1 土家湾隧道 -30-20-100102030405060050100150200250300350400时间（天）应变值（1.0E-6)1号应变计2号应变计3号应变计4号应变计5号应变计6号应变计7号应变计8号应变计9号应变计10号应变计11号应变计 图228 二衬应变时间变化曲线 -4.112.617.616.636.942.0531119744.033.038.022.1-8.42108646.811.214.96

10、.917.823.635791118.0-11.226.218.121.81086421图229 01年7月6日二衬应变分布（1.0E-6） 图230 02年3月13日二衬应变分布（1.0E-6） 2.3.2 新庄岭隧道 0100200300400500600050100150200250300350400450500时间(天)压力值(kPa)24号压力盒25号压力盒26号压力盒27号压力盒28号压力盒29号压力盒30号压力盒31号压力盒 图231 二衬压力时间变化曲线 -5000-4000-3000-2000-100001000050100150200250300350400450500时间

11、(天)应变值(1.0E-6)1号应变计2号应变计3号应变计4号应变计5号应变计6号应变计7号应变计8号应变计9号应变计10号应变计11号应变计 图232 二衬应变时间变化曲线 图233 01年11月22日二衬压力分布（kPa） 图234 02年3月13日二衬压力分布（kPa） 图235 01年11月22日二衬应变分布（1.0E-6） 图236 02年3月13日二衬应变分布（1.0E-6） 2.3.3 白虎山隧道 0100200300400500600050100150200250300350400450500时间(天)压力值(kPa)24号压力盒25号压力盒26号压力盒27号压力盒28号压力盒

12、29号压力盒30号压力盒31号压力盒-5000-4000-3000-2000-100001000050100150200250300350400450500时间（天）应变值(1.0E-6)1号应变计2号应变计3号应变计4号应变计5号应变计6号应变计7号应变计8号应变计9号应变计10号应变计11号应变计 图237 二衬压力时间变化曲线 图238 二衬应变时间变化曲线 2.3.4 青土岘隧道 024681012010203040506070时间(天)压力值(kPa)24号压力盒25号压力盒26号压力盒27号压力盒28号压力盒29号压力盒30号压力盒31号压力盒 图241 二衬压力时间变化曲线 01

13、020304050607080010203040506070时间(天)应变值(1.0E-6)1号应变计2号应变计3号应变计4号应变计5号应变计6号应变计7号应变计8号应变计9号应变计10号应变计11号应变计12号应变计13号应变计 图242 二衬应变时间变化曲线 2.4 小结1土家湾隧道和青土岘隧道测试断面埋深较浅，尽管地表面在隧道施工期间出现沿单洞走向的两条裂缝，但由于对地表裂缝采取了处理措施，地表水未浸入隧道周围土体，围岩压力、二衬受力及格栅拱钢筋轴力在整个测试期间并未出现突然变化的情况。新庄岭隧道则由于埋深相对较大，对地表裂缝未能采取及时处理措施，致使地表水浸入隧道周围土体，引起围岩压力

14、、二衬受力及格栅拱钢筋轴力发生突然变化。白虎山隧道埋深最大，地形陡峭，尽管现场调查未能发现明显裂缝，仍可能有水浸入隧道周围土体，引起隧道衬砌结构受力发生变化。 2四座隧道均出现拱部衬砌个别位置压力较大情况，说明在大跨径黄土公路隧道施工中，都有可能发生局部坍塌。从巉柳高速公路三座隧道围岩压力分布时间变化图可知，随着时间的推移，围岩压力都趋向于均匀分布，衬砌结构的偏压状态将得到改善。白虎山隧道围岩压力分布并不呈现“猫耳朵”形态，这与埋深有关，土家湾隧道、新庄岭隧道和青土岘隧道围岩压力分布形态呈“猫耳朵”形，但土家湾隧道围岩压力分布与另外两座隧道有些差别。 3.从测试结果和地表出现裂缝情况看，土家湾

15、隧道、新庄岭隧道和青土岘隧道所受围岩压力为松动压力，白虎山隧道所受围岩压力则为形变压力，在严格按照“管（杆）超前、少扰动、短进尺、留核心、强支护、早封闭、勤量测”施工原则的埋深较大土质较好白虎山隧道施工中，坍落体和承载拱不会出现，隧道衬砌承受的是由于周围土体挤压衬砌而产生的形变压力，故其按实测值推算结果与按基于弹塑性理论的卡柯公式相当一致。 4.土家湾隧道埋深较浅，加之墙角底部及仰拱底部进行了加固处理，故仰拱受力较小。新庄岭隧道因埋深相对较大，故仰拱受力相对土家湾隧道要大，因新庄岭隧道墙底未进行加固处理，仰拱受力呈现明显的中间小两端大的分布状态，随着时间推移，地表水的浸入，这种分布规律愈发明显

16、，同时也说明在大跨径公路隧道中，应对墙底部软弱地基进行加固处理，充分注意仰拱与边墙连接。白虎山隧道因埋深较大，尽管土质情况较好，仰拱受力相对拱部和墙部衬砌受力仍较高，这是深埋高应力状态下隧道仰拱受力的特点。青土岘隧道因仰拱底部未进行加固处理，仰拱压力呈两端大中间小。仰拱在深埋和浅埋隧道中的作用不同，在浅埋隧道中，由于土体完成变形时间较快，加之施工时间可能滞后，故仰拱所受压力相对较小，但是仰拱对抵抗边墙位移、提高隧道衬砌结构的承载能力和维护隧道结构长期稳定仍有不可替代作用，而深埋隧道仰拱尽管施工时间滞后，但由于土体完成变形时间相对较长，仰拱受力势必要大，和拱圈、边墙共同组成封闭的承载结构。5土家

17、湾隧道和新庄岭隧道二次衬砌在拱顶附近测试位置呈现受拉特性，而白虎山隧道则呈现完全受压特性，且其二衬应变各个位置相差较小。青土岘隧道二衬呈现完全受压特性，且墙部应变较小。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%，青土岘隧道二衬垂直荷载分担比例为8.5%。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。6隧道格栅拱钢筋轴力测试表明，在初期由于混凝土强度尚未形成及格栅拱自身“协调效应”原因，格栅拱受力变化较大，随着混凝土强度的逐渐形成，加之格栅拱柔性较大，其值很快趋于稳定，说明格栅拱提

18、高了隧道结构前期稳定性，但柔性较大，只能承受部分荷载，其它荷载由混凝土承担。地表水浸入隧道周围土体，使得新庄岭隧道格栅拱外侧钢筋受拉。在正常工况下，格栅拱钢筋以受压为主，个别部位受拉，并未表现出较强的规律性，可能是由于与连接筋和超前支护焊接的随机性造成。钢筋轴力以新庄岭隧道最大，青土岘隧道最小，且在正常工况下均未超过钢筋的屈服强度。3 大断面黄土隧道施工技术 3.1 概述 根据黄土地区隧道所处的地质条件，结合课题研究内容，我们将黄土地区隧道按纵断面地层土石分布划分为纯黄土隧道及核心部分为泥岩的黄土隧道两大类。1 1.纯黄土隧道2 2.核心部分为红色泥岩的黄土隧道3.2 大断面黄土隧道施工技术3

19、.2.1 大断面黄土隧道开挖方法 根据不同性状黄土及泥岩的力学特性及稳定性状况，为适应地质条件差，断面大，对初期支护施工的不利影响，减少隧道及地表的下沉量，隧道开挖均选用上下台阶开挖法与侧壁导坑法相结合的方式，并辅以超前小导管、大管棚超前支护及锁脚锚管等措施，按照“短进尺、少扰动、紧封闭、勤量测”的原则，各道工序紧密衔接，环环紧扣，随挖随支，保证隧道初期支护的结构稳定与施工安全。针对不同的黄土公路隧道具体采用的方法如下： 1方法一：双侧壁导坑先拱后墙法。 2方法二：双侧壁大导坑全断面开挖法。 3方法三：双侧壁导坑先墙后拱反台阶法。 隧道开挖工序 马口开挖程序 图3-1 双侧壁导坑先拱后墙法 图

20、3-2 双侧壁大导坑全断面法开挖法 图3-3 双侧壁导坑先墙后拱反台阶法 2.2.2 不同开挖方法施工过程数值模拟 图3-5纯黄土隧道（方法一）最终状态最大主应力/Pa 图3-6纯黄土隧道（方法一）最终状态最小主应力/Pa 图3-7纯黄土隧道（方法一）最终状态塑性区 图3-9泥岩段（方法三）最终状态最大主应力/Pa 图3-10泥岩段（方法三）最终状态最小主应力/Pa 图3-11泥岩段（方法三）最终状态破坏区 3.2.3 开挖方法优缺点比较 从围岩压力、支护受力和施工便利角度看，各种施工方法均存在一定的优缺点。方法一可实现上下断面各工班平行作业，施工进度较快，劳动力安排连续，作业人员无安全恐惧，

21、二次衬砌发挥作用早，缺点是：一次衬砌下沉量较大，拱面结合处砼质量不易保证，仰拱封闭速度较慢；方法二，施工进度相对较慢，一次衬砌砼发挥作用速度滞后，砼浇筑难度大，施工安全性相对较差，优点为一次衬砌整体受力好，仰模封闭速度较快；方法三，优点为隧道下沉变形小，缺点为施工工序相互干扰大，进度慢，劳动力布置不连续（不能形成流水作业），施工安全性差。 3.2.4 开挖方法改进1.拱脚处增设锁脚锚管，在上半断面拱架下部每侧增设二根 2.5m长42锁脚锚管，减少拱脚下沉。2.缩短上台阶长度，以利下半断面及后期工序及时施作；3.预留沉降量由15cm加至20cm。4.黄土公路隧道防排水施工方法优化前方案 优化后方

22、案 图3-12防排水优化方案 3.3 大断面黄土隧道质量控制 通过已建成的黄土隧道如祁家大山隧道、新庄岭隧道等变形的长期观测资料及对车道岭隧道、坡儿川隧道病害调研资料分析，课题组认为：黄土隧道质量检验评定指标应在公路工程质量检验评定标准隧道部分要求的基础上进行适当调整。具体为： 1原来隧道总体实测项目中隧道车行道宽度规定允许偏差为10mm。由于施工中在电缆槽浇筑时，为防跑模侵占路面，一般均作适当放宽，故在施工完成后，一般路面宽度均有所超宽，超过了10mm即被判为不合格，影响最终评定得分。建议将隧道车行道宽度规定允许改为10mm、+20mm，不会对车行道产生影响。 2原来洞身开挖实测项目对破碎岩

23、、土拱部超挖定值为平均100mm，最大150mm。由于拱部土体稳定性较差或极差，隧道开挖后自稳时间极短，在开挖时至钢拱支撑安设前，局部已发生少量坍塌，虽可设立临时木支撑，但一般很难控制在150mm以内，影响评定得分，故根据多年我省公路隧道实际施工情况，建议将破碎岩、土拱部超挖规定值放宽平均150mm，最大300mm。对超过300mm的空欠按隧道塌方规定要求进行处理。 3原来隧道衬砌实测项目中断面尺寸高度规定为不小于设计。隧道衬砌完成后，由于隧道地基软弱，再加上隧道周边地下水发生迁移后水文地质条件的变化，隧道往往会发生继续沉降现象。如新庄岭隧道由于地表农灌水的入渗造成隧道侧墙在通车4个月后最大沉

24、降量为7.3cm。故课题组认为：隧道衬砌高度检验时，只需隧道衬砌不侵入净空限界，对拱顶圆弧形衬砌的高度指标作适当放宽（该部位主要布设纵向射流风机，一般风机底部与限界保留20cm富余量），建议对拱顶高度检验标准中由不小于设计改为5cm。 4原来在洞身支护衬砌基本要求8.4.1.4中规定支护与衬砌应与围岩结合牢固，回填密实。但在我省黄土公路隧道施工及探地雷达检测中，虽然衬砌厚度普遍超过规定值，但往往在拱顶存在砼不密实带及少量小空洞，特别在拱顶土体软弱初次衬砌又采用矿山法人工浇筑砼的情况下，问题尤为突出。由于工作空间狭窄，砼又从掌子面30cm空隙向已衬砌段回灌，加之受支撑拱架阻挡及砼自身流动及塌落，

25、该部位砼质量很难得到保证，虽然可采取事后压浆的方式弥补，但局部很难达到预期效果。故建议作适当放宽，规定不密实带连续长度不能超过5m或10m2，空洞不超过2m2， 5原来洞身衬砌实测项目墙面平整度规定值为20mm，由于中长隧道普遍要求采用模板台车进行衬砌，墙面平整度得到了很大提高，根据我省多条高速公路隧道采用模板台车衬砌测量墙面平整度的结果，建议对采用台车衬砌的平顺墙面不作规定，而改为规定施工缝错台控制在5mm以内较为符合实际情况。3.4 新庄岭隧道施工实例分析 路面装饰竣工验收洞身暗挖仰拱填充二次衬砌明洞及洞门边、仰坡加固明挖土方施工准备循环结束小时人一次衬砌小时人超前锚杆小时人拼接钢花拱小时

26、人支钢拱架小时人支撑钢拱小时人开挖拱顶小时人一次衬砌小时人超前锚杆小时人拼接钢花拱小时人开挖眼睛部位小时人一次衬砌小时人支钢立柱模板小时人开挖边墙马口小时人开挖核心土小时人人小时测量放样洞身暗挖 图3-14 新庄岭隧道施工与循环网络图 4 大断面黄土隧道病害处治技术4.1 大断面黄土隧道病害类型 1衬砌开裂2洞顶掉块、塌方3渗水漏水4地表变形（裂缝、陷穴、溶洞）5拱顶下沉4.2 大断面黄土隧道病害处治技术 1.洞身渗水、漏水病害处治2.洞顶掉块、坍塌的处治 3.衬砌开裂4.地表变形（裂缝、陷穴、溶洞）的处治5.软黄土地基的处治 5 结语 我们结合大量已建和在建实体工程，通过大规模的现场实测、有限元仿真计算及大量现场调查，对黄土公路隧道的监控量测技术、围岩压力特性、施工及病害处治技术等进行了深入系统的研究，得出如下主要研究结论： 1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