黄土隧道支护设计与关键施工技术

黄土隧道支护设计与关键施工技术长安大学陈建勋教授2017全国桥梁与隧道建设关键技术创新成果研讨会1研究背景2黄土隧道变形规律3黄土隧道支护结构设计4黄土隧道施工技术5工程应用6结束语1研究背景

全世界黄土分布约有1300万平方公里，占陆地面积的9.3%。黄土分布黄土主要分布在北半球的中纬度干旱及半干旱地带，南半球分布在南美洲一些国家和新西兰。

中国是世界上黄土分布最广、厚度最大的国家，面积约64万平方公里。主要分布在陕西、山西、宁夏、甘肃、青海等五个省区。黄土地区沟壑纵横、梁峁起伏、地形条件复杂。交通建设必然会遇到大量的黄土隧道！黄土

(loess)是第四纪沉积物，与岩石地层相比，具有典型的工程特性。垂直节理发育、多孔、结构疏松、密度低，未扰动时强度较高，遇水易崩解、剥落，多具湿陷性。黄土分层及柱状节理发育黄土山体开裂马兰黄土球粒架空孔隙结构初期支护侵限，净空不足洞内坍塌地表开裂常见工程问题衬砌开裂极易侵限都是变形惹的祸！可见，岩石隧道的修建技术不完全适用于黄土隧道！浅埋时不易形成承载拱洞内塌方衬砌开裂（十黄九裂）地表开裂深埋扰动区域大初期变形速度快，变形量大二次衬砌施作时机不当控制变形黄土隧道变形规律基础施工锚杆的作用设计初期支护结构型式黄土隧道施工方法机理黄土隧道主要的研究问题2005年以来长安大学课题组长期致力于黄土隧道修建技术研究序号项目名称起止时间任务来源1黄土隧道支护设计与关键施工技术研究2005-2010陕西省交通运输厅2西部复杂环境条件下隧道洞口段设计施工综合技术研究2007-2011交通运输部3土质隧道不设系统锚杆的试验研究2008-2011黑龙江省交通运输厅4大跨度黄土公路隧道结构稳定性及控制技术研究2009-2015交通运输部5钢架喷网锁脚锚杆组合支护结构在黄土隧道的应用2010-2016陕西省交通运输厅6大西铁路客运专线马家庄隧道施工技术研究2011-2014企业委托7软弱围岩隧道锁脚锚杆（管）支护机理与力学特性研究2013-2016国家自然科学基金面上项目8黄土隧道修筑关键技术2014-2016陕西省科技厅9大跨度高含水率黄土公路隧道设计与施工综合技术研究2014-2016陕西省交通运输厅2黄土隧道变形规律

2005年对吴子高速公路32座黄土隧道两台阶法施工过程中的围岩变形进行了现场测试。（1）在黄土隧道台阶法施工过程中拱部沉降值远大于净空收敛值，并且开挖初期变形量约占总体变形量的60％-70％左右。因此，控制拱部沉降尤其是初期拱部沉降是确保隧道结构稳定的关键。两车道黄土隧道变形规律

（2）典型变形时态曲线拱部沉降时态曲线净空收敛时态曲线

从变形到稳定，黄土隧道的围岩变形大致经历了以下3个阶段：第一阶段是急剧变形阶段（开挖初期）第二阶段是持续增长阶段第三阶段即缓慢增长阶段

在黄土隧道变形持续增长阶段，二次衬砌仰拱和边墙基础要紧跟，并及时进行仰拱回填和施作路面基层，增加结构的整体稳定性。两车道黄土隧道变形规律

（3）测试数据回归分析典型拱部沉降实测与回归时态曲线对比黄土隧道围岩变形发展符合对数函数规律。由于对数函数具有发散性，故无法由此预估出围岩的最终位移。在已施作仰拱的情况下，变形速率显著变小。

分析发现两车道黄土隧道初期变形急剧，变形量大，拱部沉降大于净空收敛。揭示了黄土隧道变形规律。提出以钢架为主体的刚性支护理念。

拱部沉降值远大于净空收敛值初期变形急剧，变形量大控制早期变形刚性支护、仰拱及时施作等控制沉降变形锁脚锚杆、扩大拱脚等两车道黄土隧道变形规律第一阶段（急剧增加）第三阶段（扩张变化）洞口浅埋段双侧壁导坑法三车道大跨度黄土隧道变形规律洞口浅埋段双侧壁导坑法RK27+089.6断面右导洞净空收敛时态曲线2009年在墩梁隧道（世界上开挖跨度最大的黄土公路隧道）埋设了22个变形监测断面，48条测线，166个测点，测试长达10个月，获得数据数万组。第二阶段（趋于平缓）

（1）隧道洞口浅埋段（双侧壁导坑法）RK27+076.3断面右导洞沉降时态曲线右导洞（先行导洞）的最大收敛值大于左导洞，两者远大于主导洞。右导洞（先行导洞）的沉降值大于左导洞，两者远大于主导洞。符合反正切函数三车道大跨度黄土隧道变形规律洞身深埋段三台阶法LK26+233断面拱部沉降空间曲线

（2）隧道洞身深埋段（三台阶法）

LK26+264断面净空收敛空间曲线LK26+233断面拱部沉降空间曲线

上台阶处收敛速率比最大开挖线处快，最大开挖线处的最终收敛值约为上台阶处的3倍左右。

随着掌子面距离增大，拱部沉降值持续增大，增速放缓。三台阶法施工隧道沉降曲线符合反正切函数。3黄土隧道支护结构设计黄土隧道支护结构的思考

20世纪70年代至80年代末，主要为单线铁路隧道。★大量的试验研究结果表明，锚杆在喷锚支护结构中起着重要作用。★复合式衬砌代替了以往的整体式衬砌跨度小，断面小初期支护：锚杆+喷射混凝土+钢筋网20世纪90年代三以来三，大三断面三隧道三和复三杂地三质情三况增三多，三软岩三隧道三初期三支护三结构三增设三了钢三架，隧道三初期三支护三由钢三架、三喷射三混凝三土、三钢筋三网和三系统三锚杆三组成三。黄土三隧道三支护三结构三的思三考二次衬砌防水层钢架钢筋网喷射混凝土系统锚杆在钢三架条三件下三系统三锚杆三支护三效果三如何三？有两三种观三点：三作用三不大三，可三以取三消；三有重三要作三用，三理应三设置三。无三系统三研究三。在学三术界三和工三程界三存在三很大三争议1引言随着三我国三公路三隧道三建设三的发三展，三隧道三修建三的规三模越三来越三大，三有时三还会三遇到三穿越三高含三水量三粘性三土隧三道。三然而三对于三高含三水量三粘性三土，三其内三摩擦三力小三、强三度低三、可三塑性三强，三所以三在施三工过三程中三易发三生安三全事三故。三但由三于高三含水三量粘三性土三隧道三在国三内所三遇不三多，三其配三套的三支护三技术三并不三完善三，所三以如三何采三取恰三当的三支护三技术三，将三成为三隧道三界研三究的三问题三。目前,《建筑三地基三基础三设计三规范》(GB三50三0-三07三-2三00三2)规定三塑性三指数IP>1三0的细三粒土三为粘三性土;《公路三土工三试验三规程》（JT三G三E4三0-三20三07）则三规定三塑性三指数IP≥0三.7三3(三wL-2三0)及IP>4时的三细粒三土为三粘性三土，三这一三划分三标准三基本三上与三英、三美、三德、三日等三国长三期采三用的三卡氏三（Ca三sa三gr三an三de）塑三性图三分类三法相三同。隧道三洞口三段浅三埋偏三压，三系统三锚杆三穿出隧道三洞口三段浅三埋偏三压，三系统三锚杆三穿出隧道三洞口三段浅三埋偏三压，三系统三锚杆三穿出（1）黄土三隧道三支护三施工三工序开挖三→初三喷射三混凝三土→三立钢三架→三挂设三钢筋三网片三→安三设锚三杆→三喷射三混凝三土达三到设三计厚三度安设三锚杆三在架三立钢三架之三后，三所以三钢架三对围三岩变三形的三制约三，必三然会三影响三到锚三杆作三用的三发挥三。黄土三隧道三支护三结构三的思三考——施工三存在三的问三题锚杆三不能三及时三径向三施作三，发三挥不三了锚三固作三用。（2）黄土三隧道三施工三多采三用分三部开三挖，三施工三场地三狭小三。黄土三隧道三支护三结构三的思三考——施工三存在三的问三题（3）在黄三土中三锚杆三施工三成孔三困难三，注三浆不三易，三影响三工程三进度三。黄土三隧道三支护三结构三的思三考——施工三存在三的问三题锚杆三受力三的计三算分三析难三度很三大，三往往三人为三地假三定锚三杆支三护的三效果三提高三了围三岩的三弹性三模量E，黏三聚力c和内三摩擦三角。这三在黄三土中三并不三是很三合理三，相三反往三往由三于打三入了三锚杆三反而三破坏三了黄三土的三结构三，降三低了三围岩三的强三度和三稳定三性。（与三岩石三是有三区别三的）黄土三隧道三支护三结构三的思三考——理论三计算三存在三的问三题20三05年在三吴子三高速三公路32座黄三土隧三道现三场埋三设了11个测三试断三面，三埋设三测试三元件98三0多个三，测三力锚三杆47根。首次三对两三车道三黄土三隧道三有、三无系三统锚三杆条三件下三的结三构力三学状三态和三稳定三性进三行了三现场三对比三测试三及分三析，三结果发现三拱部三系统三锚杆三受压，锁三脚锚三杆（三管）三对控三制隧三道沉三降作三用明三显。三表明三系统三锚杆三在黄三土隧三道中三支护三效果三不显三著。提出三采用“钢三架+喷射三混凝三土+钢筋三网+锁脚三锚杆三（管三）”三的新三初期三支护三结构三型式三，即三取消三系统三锚杆三，增三加锁三脚锚三杆三。岩石三隧道三中锚三杆作三用机三理对现三场测三试发三现的三拱部三系统三锚杆三受压三问题三，从三土体三的变三形和三锚杆三与土三体的三锚固三效果三两方三面分三析了三黄土三隧道三拱部三系统三锚杆三的作三用机三制。悬吊三作用加固三围岩支承三围岩组合三梁★钢架三架设三在围三岩外三侧，三发挥三被动三支撑三作用三，属三于外三承式三，而三锚杆三伸入三围岩三内部三，利三用围三岩承三载力三，主三动加三固围三岩，三属于三内承三式，三二者三支护三机理三截然三不同三。★浅埋三黄土三隧道三拱部三发生三了整三体沉三降，三锚杆三并不三存在三锚固三段。★三深埋三黄土三隧道三开挖三后土三体产三生了三较大三塑性三区，三目前三短而三密的三系统三锚杆三也不三存在三锚固三段。★三锚杆三与土三体采三用水三泥砂三浆或三药卷三式锚三固剂三粘结三效果三差，三黄土三隧道三锚杆三锚固三力很三小。★三锚杆三锚固三于初三期支三护上三，拱三部系三统锚三杆受三到了三土体三向下三的摩三阻力三，相三当于三桩承三受负三摩阻三力，三因而三拱部三系统三锚杆三受压三。黄土三隧道三中锚三杆作三用机三理锚杆三作用三机理悬吊三作用加固三围岩支承三围岩组合三梁刚架三作用三机理①加强三限制三围岩三变形②作三为超三前支三护的三后支三点③承三受部三分松三弛荷三载锚杆三是伸三入到三围岩三内部三，产三生相三对位三移，三利用三围岩三自承三能力三。主三动加三固围三岩钢架三架设三在围三岩外三侧被动三支撑三作用两者三对隧三道支三护的三机理截然三不同系统三锚杆三的作三用机三制系统三锚杆三的作三用机三制锚杆三作用三示意三图锚杆三起到三锚固三作用三的2个前三提条三件：锚杆三与围三岩要三有良三好的三相互三黏结有锚三固段黄土三隧道三锚杆三拉拔三力很三小，三往往三只有20三~3三0k三N。锚固三效果三差！浅埋三黄土三隧道三，地三表会三产生三沉降三或裂三缝，三拱部三会发三生整三体沉三降。三拱部三系统三锚杆三不存三在锚三固段三。浅埋三黄土三隧道三地表三产生三沉降系统三锚杆三的作三用机三制深埋三大跨三度黄三土隧三道，三开挖三后土三体产三生了三较大三松动三区。三目前三以“短三而密三”为三设置三原则采用三的系三统锚三杆，三并未三穿过三松动三区。三锚杆三亦不三存在三锚固三段。深埋三大跨三度黄三土隧三道产三生松三动区系统三锚杆三的作三用机三制黄土三隧道三开挖三后，三周围三土体三要产三生变三形，三主要三包括三：（1）应三力释三放和三土体三扰动三引起三的弹三性、三塑性三和松三动变三形；（2）初三期支三护背三部因三回填三不密三实而三诱发三的土三体沉三降；（3）采三用型三钢钢三架支三护后三，其三背部三因喷三射混三凝土三无法三喷到三位而三诱发三的土三体沉三降；（4）施三工扰三动土三体后三期产三生的三压密三沉降三；（5）地三下水三位线三以下三的隧三道，三因开三挖而三引起三的水三位下三降，三使部三分饱三和土三体变三为非三饱和三的欠三固结三土，三从而三引发三次固三结沉三降。系统三锚杆三的作三用机三制在初三期支三护施三作后三，相三对于三土体三的后三续变三形，三锚杆三是固三定不三动的三，所三以在三浅埋三黄土三隧道三或塑三性区三大的三深埋三黄土三隧道三，拱三部系三统锚三杆受三到了三土体三向下三的摩三阻力三，相当三于桩三承受三负摩三阻力三，因三而拱三部系三统锚三杆受三压。系统三锚杆三的作三用机三制锁脚三锚杆三的作三用机三制锁脚三锚杆三（管三）稳三定钢三架示三意图黄土三隧道三采用三台阶三法施三工，三下半三断面三开挖三时，三钢架三接头三处于三悬空三状态三，锁脚三锚杆三（管三）使三钢架三在整三个下三半断三面开三挖和三钢架三安设三过程三中始三终处三于稳三定状三态。上台三阶开三挖下台三阶开三挖打设三锁脚三锚杆三（管三）锁脚三锚杆三的作三用机三制钢架三受力三简化三图采用三结构三力学三和弹三性地三基梁三的方三法，三建立三钢架三和锁三脚锚三杆力三学计三算模三型。拱脚三的弯三矩拱脚三的剪三力拱脚三的轴三力锁脚三锚杆三的作三用机三制锁脚三锚杆三受力三简化三图锁脚三锚杆三剪力三和弯三矩分三析图微分三方程三式：围岩三中锚三杆体三的竖三向变三形、三转角、弯矩、剪三力的表三达式三：建立拱部系统锚杆受压模型钢架锁脚锚杆（管）荷载传递模型提出拱部系统锚杆力学分析方法锁脚锚杆（管）力学计算方法（弹性地基梁微分方程）揭示锚杆受压机制钢架锁脚锚杆（管）共同作用机理理论成果黄土隧道拱部系统锚杆受压发现技术三创新创建了黄土隧道初期支护组合结构新型式钢架+喷射混凝土+钢筋网+锁脚锚杆（管）拱部锚杆作用不显著★学术三价值三：提出三的以三钢架三为主三体的三黄土三隧道三刚性三支护三理论三，突三破了以喷三锚为三主体三的柔三性支三护岩三承理三论。★实践三意义三：减少三了工三序，三加快三了进三度，三提高三了安三全性三和结三构稳三定性三，显著三降低三了工三程造三价。公路三隧道三设计三规范三（JT三G三D7三0-三20三04）（三第条三）铁路三隧道三设计三规范三（TB三10三00三3-三20三05三J三44三9-三20三05）（三第条三）日本三、欧三美等三国家三软弱三地层三隧道三中突破三了现三行国三内外三设计三规范三！传统三衬砌三结构三型式新的三衬砌三结构三型式4黄土三隧道三施工三技术根据三黄土三的特三性和三黄土三隧道三变形三规律三，提出三了“三快挖三、快三支、三快封三闭，三二次三衬砌三仰拱三、边三墙基三础紧三跟，三二次三衬砌三适时三施作三”的三施工三原则三。强调三快速三开挖三，快三速施三作初三期支三护，三同时三要增三设锁三脚锚三杆（三管）三或扩三大台三阶拱三脚，三快速三施作三初期三支护三仰拱三，尽三早施三作二三次衬三砌仰三拱及三边墙三基础三。当三初期三支护三变形三过大三时，三应及三时加三强初三期支三护或三采取三辅助三加强三措施三。在三初期三支护三作用三下，三围岩三基本三达到三稳定三时施三作二三次衬三砌。保障三了施三工安三全！三保证三了结三构稳三定!加快三了工三程进三度!两车三道黄三土隧三道施三工技三术每循三环0.三6三m，每三天可三完成2个循三环，月三最高三进度42三m，月三平均三进度36三m。双侧三壁导三坑法从控三制沉三降、三工期三、施三工难三易程三度和三造价三等方三面，三对比三分析三了多三种施三工方三法，三提出三了大三跨度三黄土三公路三隧道三洞口三浅埋三段采三用双三侧壁三导坑三法施三工，三洞身三深埋三段采三用三三台阶三七步三开挖三法施三工。三台三阶七三步开三挖法每循三环两榀，一三榀0.三75三m，26小时可以三完成两个三循环，月三最高三进度80三m，月三平均三进度76三m。大跨三度黄三土隧三道施三工技三术《公路三隧道三施工三技术三规范》（JT三J0三42三-9三4）（三第14三.3条）《公路三隧道三施工三技术三规范》（JT三G三F6三0-三20三09）（三第16三.3条）《铁路三隧道三施工三规范》（TB三10三20三4-三20三02三J三16三3-三20三02）《客运三专线三铁路三隧道三工程三施工三技术三指南》（TZ三2三14三-2三00三5）（三第13三.9条）提出三了黄三土隧三道施三工原三则和三施工三技术三指南以上三规范三涉及三黄土三隧道三的很三少，三几乎三为空三白。补充三和完三善了三现行三施工三技术三规范攻克三了黄三土隧三道变三形大三、易三塌方三、二三次衬三砌易三早期三开裂三等技三术难三题。黄土三隧道三施工三技术5工程三应用该隧三道为三上下三行分三离式三，上三行线三长16三60三m，下三行线三长16三90三m。天恒三山隧三道位三于哈三尔滨三绕城三高速三公路（高三含水三率黏三土隧三道）5工程三应用5工程三应用最大三埋深三仅25三m最大三开挖三宽度16三.8三m，高12三.1三m，开挖三面积16三3m2可塑三性强含水三率高三达16三.6三3％～30三.9三0％三大三工程三难点浅三埋大跨三、大三断面高含三水率三可塑三性粘三土成孔三困难注浆三效果三差抗拉三拔力三低高含三水率三粘性三土层三中锚三杆施三工困三难高含三水率三粘性三土层三锚杆三成孔三试验有人三形象三比喻三在高三含水三量粘三土隧三道中三打设三锚杆三犹如三“在三豆腐三里面三插筷三子”三，支三护作三用不三大。5工程三应用原设三计支三护示三意图变更三后设三计示三意图隧道中心线行车道中心线2%型钢拱架防排水保温层（按4cm计）预留变形量二次衬砌C30钢筋混凝土25×5mm先锚后灌式注浆锚杆湿喷钢纤混凝土+Φ8焊接钢筋网（20×20cm）两层设计标高超前小导管防火涂层5工程三应用20三09年10