大断面黄土隧道施工方法

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大断面黄土隧道围岩压力及衬砌受力特性

2.1围岩压力

2.1.1土家湾隧道图2－1拱部围岩压力时间变化曲线图2－2墙部围岩压力时间变化曲线

图2－3仰拱围岩压力时间变化曲线

图2－401年7月6日围岩压力分布（kPa）

图2－502年3月13日围岩压力分布（kPa）2.1.2新庄岭隧道

图2－6拱部围岩压力时间变化曲线

图2－7墙部围岩压力时间变化曲线

图2－8仰拱及二衬底部压力时间变

图2－901年6月13日围岩压力分布（kPa）图2－1001年6月23日围岩压力分布（kPa）

2.1.3白虎山隧道

图2－13拱部围岩压力时间变化曲线

图2－14墙部围岩压力时间变化曲线

图2－15仰拱及二衬底部压力时间变化曲线

图2－1601年6月23日围岩压力分布（kPa）图2－1701年7月7日围岩压力分布（kPa）

2.1.4青土岘隧道

图2－20拱部围岩压力时间变化曲线

图2－21墙部压力时间变化曲线

图2－22仰拱及二衬底部压力时间变化曲线

图2－2302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

图2－24格栅拱钢筋轴力时间变化曲线

2.2.2新庄岭隧道图2－25格栅拱钢筋轴力时间变化曲线

2.2.3白虎山隧道图2－26格栅拱钢筋轴力时间变化曲线

2.2.4青土岘隧道

图2－27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

图2－28二衬应变时间变化曲线

图2－2901年7月6日二衬应变分布（1.0E-6）图2－3002年3月13日二衬应变分布（1.0E-6）

2.3.2新庄岭隧道

图2－31二衬压力时间变化曲线

图2－32二衬应变时间变化曲线

图2－3301年11月22日二衬压力分布（kPa）图2－3402年3月13日二衬压力分布（kPa）

图2－3501年11月22日二衬应变分布（1.0E-6）图2－3602年3月13日二衬应变分布（1.0E-6）

2.3.3白虎山隧道

图2－37二衬压力时间变化曲线

图2－38二衬应变时间变化曲线

2.3.4青土岘隧道

图2—41二衬压力时间变化曲线图2—42二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、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，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3.2.1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，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、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，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

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