大断面黄土隧道施工方法及监控量测技术

大断面黄土隧道施工方法

及监控量测技术长安大学岩土与隧道工程研究所杨晓华2005年4月15日0前言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，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？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。在此我就上述问题结合我们的研究成果从以下四方面简要介绍一下大断面黄土隧道施工方法及监控量测技术：1．大断面黄土隧道监控量测技术。2．大断面黄土隧道围岩压力及衬砌受力特性。3．大断面黄土隧道施工方法及质量控制。4．大断面黄土隧道病害处治技术。1大断面黄土隧道监控量测技术现场监控量测作为理论研究与工程设计施工不可分割的重要部分，历来受到工程界和学术界高度重视。从开挖支护过程中的施工同步监测，到隧道工程营运期的长期受力与变形监测，测试技术在隧道工程建设中起到十分重要的作用：一方面可以指导本工程的设计施工，保证施工期间的安全稳定；另一方面为今后的工程实践提供有价值的经验。从埋深、土质情况有针对性地选择了巉柳高速公路白虎山、新庄岭、土家湾及兰海高速公路青土岘四座黄土隧道，基本代表了黄土地区公路隧道类型，以便能够更加全面地认识黄土地区公路隧道受力与变形特性。1.1依托工程概况

1.土家湾隧道2.新庄岭隧道3.白虎山隧道4.青土岘隧道1.2测试目的与实施技术

1.2.1测试目的及内容我国铁路部门在20世纪70～80年代曾对小跨度的黄土隧道围压规律进行过专项研究，取得了一些成果，积累了不少经验，对大跨度黄土公路隧道的围岩压力大小及分布特征在国内外的应用实践上是个空白，设计中仅仅是凭借以往的经验进行，带有很大的盲目性。立足于大跨度黄土公路隧道面临的问题，对其进行全面系统的测试研究，在国内外应属首次，对优化黄土公路隧道的设计施工有重要的指导意义，也是对该学科的重要贡献。通过现场测试，试图搞清以下几个问题：1．围岩压力的大小和分布特性；2．侧压力系数的大小及其分布特性；3．仰拱的受力特性；4．二次衬砌的荷载分担比例及内力特性；5．格栅拱与浇筑混凝土联合使用性能；6．隧道周边位移与围岩深部位移。1.2.2测试元件埋设钢弦式测试元件构造简单，测试结果比较稳定，受温度影响小，可用于长期观测，故现场测试选择了钢弦式测试元件。考虑到施工可能对引线及元件造成破坏，测试元件埋设较多，巉柳高速公路每个隧道均埋设了两个断面，共六个断面，为与以前数值仿真结果作对比，测试断面和计算断面选在同一位置。青土岘隧道测试较晚，在二衬边墙和仰拱部位补充布置了混凝土应变计。测试元件质量的好坏直接关系到现场测试的成败，其检验标定是一项非常重要的环节。元件检验包括元件防水性能、引线质量、初读数稳定性等方面。元件标定是指采用试验的方法、测定力（应变）与输出信号之间的关系曲线，测试结果再以此曲线反查出力（应变）。标定方法有液压标定、气压标定、砂压标定等几种，其中油压标定最为常用。测试元件布设注意事项:压力盒读数能否真正代表埋设点的土压力值，与压力盒埋设方法有很大关系，埋设方法不当，甚至会使量测“误差”变成“错误”，故现场测试中应高度重视，压力盒埋设的一个基本原则是要使得压力盒承压面充分发生挠曲变形。本次现场测试压力盒全部选用沥青囊式压力盒，埋设时首先在埋设位置挖一深约2～3cm的圆坑，放入压力盒，大概使其沥青囊上面与土面相齐，然后固定压力盒，对压力盒施加预压力，使其频率增加5～8个赫兹左右。二衬压力盒固定在防水层和二衬之间，施加预压力，使其频率增加5～8个赫兹，压力盒周边用纱布绕实，以防止二衬混凝土砂块的嵌入。格栅拱钢筋计采用焊接的方式固定，焊接时保持探头温度不能太高，且在格栅拱运放及洞内安装时，加强引线和探头的保护，记录下安装就位后的频率作为初始频率。二衬混凝土应变在拱圈内用环向U型支架固定，尽量使其与相应位置二衬内外表面切线相平行。

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。图1—2多点位移计布置图

2大断面黄土土隧道围岩岩压力及衬衬砌受力特特性2.1围岩压力2.1.1土家湾隧道道图2－1拱部围岩压压力时间变变化曲线图2－2墙部围岩压压力时间变变化曲线图2－3仰拱围岩压压力时间变变化曲线图2－401年7月6日围岩压力力分布（kPa）图图2－502年3月13日围岩压力力分布（kPa）2.1.2新庄岭隧道道图2－6拱部围岩压压力时间变变化曲线图2－7墙部围岩压压力时间变变化曲线图2－8仰拱及二衬衬底部压力力时间变图2－2.1.3白虎山隧道道图2－13拱部围岩压压力时间变变化曲线图2－14墙部围岩压压力时间变变化曲线图2－15仰拱及二衬衬底部压力力时间变化化曲线图2－1601年6月23日围岩压力力分布（kPa）图2－1701年7月7日围岩压力力分布（kPa）2.1.4青土岘隧道道图2－20拱部围岩压图2－21墙部压力时时间变化曲曲线图2－22仰拱及二衬衬底部压力力时间变化化曲线图2－2302年11月16日围岩压力力分布(kPa)2.2格栅拱钢筋筋轴力2.2.1土家湾隧道道图2－24格栅拱钢筋筋轴力时间间变化曲线线2.2.2新庄岭隧道道图2－25格栅拱钢筋筋轴力时间间变化曲线线2.2.3白虎山隧道道图2－2.2.4青土岘隧道道图2－27格栅拱钢筋筋轴力时间间变化曲线线2.2.3二衬压力和和应变2.2.3.1土家湾隧道道图2－28二衬应变时时间变化曲曲线图2－2901年7月6日二衬应变变分布（1.0E-6）图图2－3002年3月13日二衬应变变分布（1.0E-6）2.3.2新庄岭隧道道图2－31二衬压力时时间变化曲曲线图2－32二衬应变时时间变化曲曲线图2－3301年11月22日二衬压力力分布（kPa）图图2－3402年3月13日二衬压力力分布（kPa）图2－3501年11月22日二衬应变变分布（1.0E-6）图图2－3602年3月13日二衬应变变分布（1.0E-6）2.3.3白虎山隧道道图2－37二衬压力时时间变化曲曲线图2－38二衬衬应应变变时时间间变变化化曲曲线线2.3.4青土土岘岘隧隧道道图2—41二衬衬压压力力时时间间变变化化曲曲线线图2—42二衬衬应应变变时时间间变变化化曲曲线线2.4小结结1．土土家家湾湾隧隧道道和和青青土土岘岘隧隧道道测测试试断断面面埋埋深深较较浅2．四四座座隧隧道道均均出出现现拱拱部部衬衬砌砌个个别别位位置置压压力力较较大大情情况况，，说说明明在在大大跨跨径径黄黄土土公公路3.从测测试试结结果果和和地地表表出出现现裂裂缝缝情情况况看看，，土土家家湾湾隧隧道道、、新新庄庄岭岭隧隧道道和和青青土土岘岘隧隧道道所所受受围围岩岩压压

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，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．土土家家湾湾隧隧道道和和新新庄庄岭岭隧隧道道二二次次衬衬砌砌在在拱拱顶顶附附近近测测试试位位置置呈呈现现受受拉拉特特性性，，而而白白虎虎山山隧隧道道则则呈呈现现完完全全受受压压特特性性，，且且其其二二衬衬应应变变各各个个位位置置相相差差较较小小。。青青土土岘岘隧隧道道二二衬衬呈呈现现完完全全受受压压特特性性，，且且墙墙部部应应变变较较小小。。新新庄庄岭岭隧隧道道二二衬衬垂垂直直荷荷载载分分担担比比例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大断断面面黄黄土土隧隧道道施施工工技技术术3.1概述述根据据黄黄土土地地区区隧隧道道所所处处的的地地质质条条件件，，结结合合课课题题研研究究内内容容，，我我们们将将黄黄土土地地区区隧隧道道按按纵纵断断面面地地层层土土石石分分布布划划分分为为纯纯黄黄土土隧隧道道及及核核心心部部分分为为泥泥岩岩的的黄黄土土隧隧道道两两大大类类1．1.纯黄土隧道2．2.核心部分为红色泥岩的黄土隧道33根据据不不同同性性状状黄黄土

1．方法一：双侧壁导坑先拱后墙法。2．方方法法二二：：双双侧侧壁壁大大导导坑坑全全断断面面开开挖挖法法。。3．方方法法三三：：双双侧侧壁壁导导坑坑先先墙墙后后拱拱反反台台阶阶法法。。隧道道开开挖挖工工序序马口口开开挖挖程程序序图3-1双侧侧壁壁导导坑坑先先拱拱后后墙墙法法图3-2双侧侧壁壁大大导导坑坑全全断断面面法法开开挖挖法法图3-3双侧侧壁壁导导2.2.2不同开开挖方方法施施工过过程数值模模拟图3-5纯黄土土隧道道（方方法一一）最最终状状态最最大主主应力力/Pa图3-6纯黄土土隧道道（方方法一图3-7纯黄土土隧道道（方方法一一）最最终状状态塑塑性区区图3-9泥岩段段（方方法三三）最最终状状态最最大主主应力力/Pa图3-10泥岩段段（方方法三三）最最终状状态最最小主主应力力/Pa图3-11泥岩3.2.从围岩岩压力力、支支护受受力和和施工工便利利角度度看，，各种种施工工方法法均存存在一一定的的优缺缺点。。方法法一可可实现现上下下断面面各工工班平平行作作业，，施工工进度度较快快，劳劳动力力安排排连续续，作作业人人员无无安全全恐惧惧，二二次衬衬砌发发挥作作用早早，缺缺点是是：一一次衬衬砌下下沉量量较大大，拱拱面结结合处处砼质质量不不易保保证，，仰拱拱封闭闭速度度较慢慢；方方法二二，施施工3.2.4开挖方法改改进1.拱脚处增设设锁脚锚管管，在上半半断面拱架架下部每侧侧增设二根根2.5m长42锁脚锚管，，减少拱脚脚下沉。2.缩短上台阶阶长度，以以利下半断断面及后期期工序及时时施作；3.预留沉降量量由15cm加至20cm。4.黄土公路隧隧道防排水水施工方法法优化前方案案优化后方案案图3-12防排水优化化方案3.3大断面黄土土隧道质量控制

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、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．原来隧道道衬砌实测测项目中断断面尺寸高高度规定为为不小于设设计。隧道道衬砌完成成后，由于于隧道地基基软弱，再再加上隧道道周边地下下水发生迁迁移后水文文地质条件件的变化，，隧道往往往会发生继继续沉降现现象。如新新庄岭隧道道由于地表表农灌水的的入渗造成成隧道侧墙墙在通车4个月后最大大沉降量为为7.3cm。故课题组组认为：隧隧道衬砌高高度检验时时，只需隧隧道衬砌不不侵入净空空限界，对对拱顶圆弧弧形衬砌的的高度指标标作适当放放宽（该部部位主要布布设纵向射射流风机，，一般风机机底部与限限界保留20cm富余量），，建议对拱拱顶高度检检验标准中中由不小于于设计改为为—5cm。4．原来在洞洞身支护衬衬砌基本要要求8.4.1.4中规定支护护与衬砌应应与围岩结结合牢固，，回填密实实。但在我我省黄土公公路隧道施施工及探地地雷达检测测中，虽然然衬砌厚度度普遍超过过规定值，，但往往在在拱顶存在在砼不密实实带及少量量小空洞，，特别在拱拱顶土体软软弱初次衬衬砌又采用用矿山法人人工浇筑砼砼的情况下下，问题尤尤为突出。。由于工作作空间狭窄窄，砼又从从掌子面30cm空隙向已衬衬砌段回灌灌，加之受受支撑拱架架阻挡及砼砼自身流动动及塌落，，该部位砼砼质量很难难得到保证证，虽然可可采取事后后压浆的方方式弥补，，但局部很很难达到预预期效果。。故建议作作适当放宽宽，规定

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新庄岭隧道道施工实例例分析图3-14新庄岭隧道道施工与循循环网络图图4大断面黄土土隧道病害害处治技术术4.1大断面黄土土隧道病害害类型1．衬砌开裂裂2．洞顶掉块块、塌方3．渗水漏水水4．地表变形形（裂缝、、陷穴、溶溶洞）5．拱顶下沉沉4.2大断面黄土土隧道病害害处治技术术1.洞身渗水、、漏水病害害处治2.洞顶掉块、、坍塌的处处治3.衬砌开裂4.地表变形（（裂缝、陷陷穴、溶洞洞）的处治治5.软黄土地基基的处治青银高速雅雅沟隧道入入口发生黄黄土塌方西安隧道堵堵漏水我国首台铁铁路隧道病病害治理作作业台车黄土岭隧道道内钢架被被撞抢修5结语我们结合大大量已建和和在建实体体工程，通通过大规模模的现场实实测、有限限元仿真计计算及大量量现场调查查，对黄土土公路隧道道的监控量量测技术、、围岩压力力特性、施施工及病害害处治技术术等进行了了深入系统统的研究，，得出如下下主要研究究结论：1．测试结果果表明，黄黄土公路隧隧道施工中中土体有局局部坍塌的的可能，随随着时间的的推移，围围岩压力趋趋向于均匀匀分布，衬衬砌结构偏偏压状态将将得到改善善。浅埋隧隧道