大斷面黃土隧道施工方法

1、2005年4月15日為壓力盒為二襯應變計為鋼筋計，花拱架內(nèi)外兩側各一支，每個位置共兩支。0100200300400500600700050100150200250300350400時間（天）壓力值（kPa)1號壓力盒2號壓力盒3號壓力盒5號壓力盒6號壓力盒8號壓力盒9號壓力盒10號壓力盒0100200300400500600700800900050100150200250300350400時間（天）壓力值（kPa)11號壓力盒12號壓力盒13號壓力盒14號壓力盒15號壓力盒16號壓力盒圖22 墻部圍巖壓力時間變化曲線 01020304050607005010015020025030035040

2、0時間（天）壓力值(kPa)19號壓力盒20號壓力盒21號壓力盒22號壓力盒23號壓力盒 圖23 仰拱圍巖壓力時間變化曲線 圖24 01年7月6日圍巖壓力分布（kPa） 圖25 02年3月13日圍巖壓力分布（kPa）2.1.2 新莊嶺隧道 0500100015002000250030003500400045005000050100150200250300350400450500時間(天)壓力值(kPa)1號壓力盒2號壓力盒3號壓力盒4號壓力盒5號壓力盒6號壓力盒7號壓力盒8號壓力盒9號壓力盒10號壓力盒 圖26 拱部圍巖壓力時間變化曲線 0200040006000800010000120001

3、40001600018000050100150200250300350400450500時間(天)壓力值(kPa)11號壓力盒12號壓力盒13號壓力盒14號壓力盒15號壓力盒16號壓力盒 圖27 墻部圍巖壓力時間變化曲線 01000200030004000500060007000050100150200250300350400450500時間(天)壓力值(kPa)17號壓力盒18號壓力盒19號壓力盒20號壓力盒21號壓力盒22號壓力盒23號壓力盒 圖28 仰拱及二襯底部壓力時間變 圖29 01年6月13日圍巖壓力分布（kPa） 圖210 01年6月23日圍巖壓力分布（kPa） 2.1.3 白虎

4、山隧道 020040060080010001200140016001800050100150200250300350400450500時間(天)壓力值(kPa)1號壓力盒2號壓力盒3號壓力盒4號壓力盒5號壓力盒6號壓力盒7號壓力盒8號壓力盒9號壓力盒10號壓力盒 圖213 拱部圍巖壓力時間變化曲線 05001000150020002500050100150200250300350400450500時間(天)壓力值(kPa)11號壓力盒12號壓力盒13號壓力盒14號壓力盒15號壓力盒16號壓力盒 圖214 墻部圍巖壓力時間變化曲線 02004006008001000120005010015020

5、0250300350400450500時間(天)壓力值(kPa)17號壓力盒18號壓力盒19號壓力盒20號壓力盒21號壓力盒22號壓力盒23號壓力盒 圖215 仰拱及二襯底部壓力時間變化曲線 圖216 01年6月23日圍巖壓力分布（kPa） 圖217 01年7月7日圍巖壓力分布（kPa） 2.1.4 青土峴隧道 010203040506070800102030405060708090100110時間(天)壓力值(kPa)1號壓力盒2號壓力盒3號壓力盒4號壓力盒5號壓力盒6號壓力盒7號壓力盒8號壓力盒9號壓力盒10號壓力盒 圖220 拱部圍巖壓力時間變化曲線 020406080100120140

6、1601800102030405060708090100110時間(天)壓力值(kPa)11號壓力盒12號壓力盒13號壓力盒14號壓力盒15號壓力盒16號壓力盒 圖221 墻部壓力時間變化曲線 05101520253035404550010203040506070時間(天)壓力值(kPa)17號壓力盒18號壓力盒19號壓力盒20號壓力盒21號壓力盒22號壓力盒23號壓力盒 圖222 仰拱及二襯底部壓力時間變化曲線 圖223 02年11月16日圍巖壓力分布(kPa) 2.2 格柵拱鋼筋軸力2.2.1 土家灣隧道 -100-50050100150050100150200250300350400時間

7、（天）軸力值（kN）1外鋼筋計1內(nèi)鋼筋計2外鋼筋計3外鋼筋計3內(nèi)鋼筋計4內(nèi)鋼筋計5外鋼筋計5內(nèi)鋼筋計6外鋼筋計6內(nèi)鋼筋計7外鋼筋計7內(nèi)鋼筋計8外鋼筋計8內(nèi)鋼筋計9外鋼筋計9內(nèi)鋼筋計 圖224 格柵拱鋼筋軸力時間變化曲線 2.2.2 新莊嶺隧道-700-600-500-400-300-200-1000100200050100150200250300350400450500時間(天)軸力值(kN)1外鋼筋計1內(nèi)鋼筋計2外鋼筋計2內(nèi)鋼筋計3外鋼筋計3內(nèi)鋼筋計4外鋼筋計4內(nèi)鋼筋計5外鋼筋計5內(nèi)鋼筋計6外鋼筋計6內(nèi)鋼筋計7外鋼筋計7內(nèi)鋼筋計8外鋼筋計8內(nèi)鋼筋計9外鋼筋計9內(nèi)鋼筋計 圖225 格柵拱鋼筋軸

8、力時間變化曲線 2.2.3 白虎山隧道-800-600-400-2000200050100150200250300350400450500時間（天）軸力值(kN)1外鋼筋計1內(nèi)鋼筋計2外鋼筋計2內(nèi)鋼筋計3外鋼筋計3內(nèi)鋼筋計4外鋼筋計4內(nèi)鋼筋計5外鋼筋計5內(nèi)鋼筋計6外鋼筋計6內(nèi)鋼筋計7外鋼筋計7內(nèi)鋼筋計8外鋼筋計8內(nèi)鋼筋計9外鋼筋計9內(nèi)鋼筋計 圖226 格柵拱鋼筋軸力時間變化曲線 2.2.4 青土峴隧道 05101520253035400102030405060708090100110時間(天）軸力值(kN)1外鋼筋計1內(nèi)鋼筋計2外鋼筋計2內(nèi)鋼筋計3外鋼筋計3內(nèi)鋼筋計4外鋼筋計4內(nèi)鋼筋計5外鋼筋

9、計5內(nèi)鋼筋計6外鋼筋計6內(nèi)鋼筋計7外鋼筋計7內(nèi)鋼筋計8外鋼筋計8內(nèi)鋼筋計9外鋼筋計9內(nèi)鋼筋計 圖227 格柵拱鋼筋軸力時間變化曲線 2.2.3 二襯壓力和應變2.2.3.1 土家灣隧道 -30-20-100102030405060050100150200250300350400時間（天）應變值（1.0E-6)1號應變計2號應變計3號應變計4號應變計5號應變計6號應變計7號應變計8號應變計9號應變計10號應變計11號應變計 圖228 二襯應變時間變化曲線 -4.112.617.616.636.942.0531119744.033.038.022.1-8.42108646.811.214.96.9

10、17.823.635791118.0-11.226.218.121.81086421圖229 01年7月6日二襯應變分布（1.0E-6） 圖230 02年3月13日二襯應變分布（1.0E-6） 2.3.2 新莊嶺隧道 0100200300400500600050100150200250300350400450500時間(天)壓力值(kPa)24號壓力盒25號壓力盒26號壓力盒27號壓力盒28號壓力盒29號壓力盒30號壓力盒31號壓力盒 圖231 二襯壓力時間變化曲線 -5000-4000-3000-2000-100001000050100150200250300350400450500時間(天

11、)應變值(1.0E-6)1號應變計2號應變計3號應變計4號應變計5號應變計6號應變計7號應變計8號應變計9號應變計10號應變計11號應變計 圖232 二襯應變時間變化曲線 圖233 01年11月22日二襯壓力分布（kPa） 圖234 02年3月13日二襯壓力分布（kPa） 圖235 01年11月22日二襯應變分布（1.0E-6） 圖236 02年3月13日二襯應變分布（1.0E-6） 2.3.3 白虎山隧道 0100200300400500600050100150200250300350400450500時間(天)壓力值(kPa)24號壓力盒25號壓力盒26號壓力盒27號壓力盒28號壓力盒29

12、號壓力盒30號壓力盒31號壓力盒-5000-4000-3000-2000-100001000050100150200250300350400450500時間（天）應變值(1.0E-6)1號應變計2號應變計3號應變計4號應變計5號應變計6號應變計7號應變計8號應變計9號應變計10號應變計11號應變計 圖237 二襯壓力時間變化曲線 圖238 二襯應變時間變化曲線 2.3.4 青土峴隧道 024681012010203040506070時間(天)壓力值(kPa)24號壓力盒25號壓力盒26號壓力盒27號壓力盒28號壓力盒29號壓力盒30號壓力盒31號壓力盒 圖241 二襯壓力時間變化曲線 0102

13、0304050607080010203040506070時間(天)應變值(1.0E-6)1號應變計2號應變計3號應變計4號應變計5號應變計6號應變計7號應變計8號應變計9號應變計10號應變計11號應變計12號應變計13號應變計 圖242 二襯應變時間變化曲線 2.4 小結1土家灣隧道和青土峴隧道測試斷面埋深較淺，盡管地表面在隧道施工期間出現(xiàn)沿單洞走向的兩條裂縫，但由于對地表裂縫采取了處理措施，地表水未浸入隧道周圍土體，圍巖壓力、二襯受力及格柵拱鋼筋軸力在整個測試期間并未出現(xiàn)突然變化的情況。新莊嶺隧道則由于埋深相對較大，對地表裂縫未能采取及時處理措施，致使地表水浸入隧道周圍土體，引起圍巖壓力、二

14、襯受力及格柵拱鋼筋軸力發(fā)生突然變化。白虎山隧道埋深最大，地形陡峭，盡管現(xiàn)場調(diào)查未能發(fā)現(xiàn)明顯裂縫，仍可能有水浸入隧道周圍土體，引起隧道襯砌結構受力發(fā)生變化。 2四座隧道均出現(xiàn)拱部襯砌個別位置壓力較大情況，說明在大跨徑黃土公路隧道施工中，都有可能發(fā)生局部坍塌。從巉柳高速公路三座隧道圍巖壓力分布時間變化圖可知，隨著時間的推移，圍巖壓力都趨向于均勻分布，襯砌結構的偏壓狀態(tài)將得到改善。白虎山隧道圍巖壓力分布并不呈現(xiàn)“貓耳朵”形態(tài)，這與埋深有關，土家灣隧道、新莊嶺隧道和青土峴隧道圍巖壓力分布形態(tài)呈“貓耳朵”形，但土家灣隧道圍巖壓力分布與另外兩座隧道有些差別。 3.從測試結果和地表出現(xiàn)裂縫情況看，土家灣隧道

15、、新莊嶺隧道和青土峴隧道所受圍巖壓力為松動壓力，白虎山隧道所受圍巖壓力則為形變壓力，在嚴格按照“管（桿）超前、少擾動、短進尺、留核心、強支護、早封閉、勤量測”施工原則的埋深較大土質較好白虎山隧道施工中，坍落體和承載拱不會出現(xiàn)，隧道襯砌承受的是由于周圍土體擠壓襯砌而產(chǎn)生的形變壓力，故其按實測值推算結果與按基于彈塑性理論的卡柯公式相當一致。 4.土家灣隧道埋深較淺，加之墻角底部及仰拱底部進行了加固處理，故仰拱受力較小。新莊嶺隧道因埋深相對較大，故仰拱受力相對土家灣隧道要大，因新莊嶺隧道墻底未進行加固處理，仰拱受力呈現(xiàn)明顯的中間小兩端大的分布狀態(tài)，隨著時間推移，地表水的浸入，這種分布規(guī)律愈發(fā)明顯，同

16、時也說明在大跨徑公路隧道中，應對墻底部軟弱地基進行加固處理，充分注意仰拱與邊墻連接。白虎山隧道因埋深較大，盡管土質情況較好，仰拱受力相對拱部和墻部襯砌受力仍較高，這是深埋高應力狀態(tài)下隧道仰拱受力的特點。青土峴隧道因仰拱底部未進行加固處理，仰拱壓力呈兩端大中間小。仰拱在深埋和淺埋隧道中的作用不同，在淺埋隧道中，由于土體完成變形時間較快，加之施工時間可能滯后，故仰拱所受壓力相對較小，但是仰拱對抵抗邊墻位移、提高隧道襯砌結構的承載能力和維護隧道結構長期穩(wěn)定仍有不可替代作用，而深埋隧道仰拱盡管施工時間滯后，但由于土體完成變形時間相對較長，仰拱受力勢必要大，和拱圈、邊墻共同組成封閉的承載結構。5土家灣隧

17、道和新莊嶺隧道二次襯砌在拱頂附近測試位置呈現(xiàn)受拉特性，而白虎山隧道則呈現(xiàn)完全受壓特性，且其二襯應變各個位置相差較小。青土峴隧道二襯呈現(xiàn)完全受壓特性，且墻部應變較小。新莊嶺隧道二襯垂直荷載分擔比例為10.5%，白虎山隧道二襯垂直荷載分擔比例為8.9%，青土峴隧道二襯垂直荷載分擔比例為8.5%。說明在現(xiàn)有黃土公路隧道兩層模筑混凝土設計施工中，二次襯砌承受荷載相對較小，其設計計算方法與“新奧法”二襯設計有較大區(qū)別。6隧道格柵拱鋼筋軸力測試表明，在初期由于混凝土強度尚未形成及格柵拱自身“協(xié)調(diào)效應”原因，格柵拱受力變化較大，隨著混凝土強度的逐漸形成，加之格柵拱柔性較大，其值很快趨于穩(wěn)定，說明格柵拱提高了

18、隧道結構前期穩(wěn)定性，但柔性較大，只能承受部分荷載，其它荷載由混凝土承擔。地表水浸入隧道周圍土體，使得新莊嶺隧道格柵拱外側鋼筋受拉。在正常工況下，格柵拱鋼筋以受壓為主，個別部位受拉，并未表現(xiàn)出較強的規(guī)律性，可能是由于與連接筋和超前支護焊接的隨機性造成。鋼筋軸力以新莊嶺隧道最大，青土峴隧道最小，且在正常工況下均未超過鋼筋的屈服強度。3 大斷面黃土隧道施工技術 3.1 概述 根據(jù)黃土地區(qū)隧道所處的地質條件，結合課題研究內(nèi)容，我們將黃土地區(qū)隧道按縱斷面地層土石分布劃分為純黃土隧道及核心部分為泥巖的黃土隧道兩大類。1 1.純黃土隧道2 2.核心部分為紅色泥巖的黃土隧道3.2 大斷面黃土隧道施工技術3.2

19、.1 大斷面黃土隧道開挖方法 根據(jù)不同性狀黃土及泥巖的力學特性及穩(wěn)定性狀況，為適應地質條件差，斷面大，對初期支護施工的不利影響，減少隧道及地表的下沉量，隧道開挖均選用上下臺階開挖法與側壁導坑法相結合的方式，并輔以超前小導管、大管棚超前支護及鎖腳錨管等措施，按照“短進尺、少擾動、緊封閉、勤量測”的原則，各道工序緊密銜接，環(huán)環(huán)緊扣，隨挖隨支，保證隧道初期支護的結構穩(wěn)定與施工安全。針對不同的黃土公路隧道具體采用的方法如下： 1方法一：雙側壁導坑先拱后墻法。 2方法二：雙側壁大導坑全斷面開挖法。 3方法三：雙側壁導坑先墻后拱反臺階法。 隧道開挖工序 馬口開挖程序 圖3-1 雙側壁導坑先拱后墻法 圖3-

20、2 雙側壁大導坑全斷面法開挖法 圖3-3 雙側壁導坑先墻后拱反臺階法 2.2.2 不同開挖方法施工過程數(shù)值模擬 圖3-5純黃土隧道（方法一）最終狀態(tài)最大主應力/Pa 圖3-6純黃土隧道（方法一）最終狀態(tài)最小主應力/Pa 圖3-7純黃土隧道（方法一）最終狀態(tài)塑性區(qū) 圖3-9泥巖段（方法三）最終狀態(tài)最大主應力/Pa 圖3-10泥巖段（方法三）最終狀態(tài)最小主應力/Pa 圖3-11泥巖段（方法三）最終狀態(tài)破壞區(qū) 3.2.3 開挖方法優(yōu)缺點比較 從圍巖壓力、支護受力和施工便利角度看，各種施工方法均存在一定的優(yōu)缺點。方法一可實現(xiàn)上下斷面各工班平行作業(yè)，施工進度較快，勞動力安排連續(xù)，作業(yè)人員無安全恐懼，二次

21、襯砌發(fā)揮作用早，缺點是：一次襯砌下沉量較大，拱面結合處砼質量不易保證，仰拱封閉速度較慢；方法二，施工進度相對較慢，一次襯砌砼發(fā)揮作用速度滯后，砼澆筑難度大，施工安全性相對較差，優(yōu)點為一次襯砌整體受力好，仰模封閉速度較快；方法三，優(yōu)點為隧道下沉變形小，缺點為施工工序相互干擾大，進度慢，勞動力布置不連續(xù)（不能形成流水作業(yè)），施工安全性差。 3.2.4 開挖方法改進1.拱腳處增設鎖腳錨管，在上半斷面拱架下部每側增設二根 2.5m長42鎖腳錨管，減少拱腳下沉。2.縮短上臺階長度，以利下半斷面及后期工序及時施作；3.預留沉降量由15cm加至20cm。4.黃土公路隧道防排水施工方法優(yōu)化前方案 優(yōu)化后方案

22、圖3-12防排水優(yōu)化方案 3.3 大斷面黃土隧道質量控制 通過已建成的黃土隧道如祁家大山隧道、新莊嶺隧道等變形的長期觀測資料及對車道嶺隧道、坡兒川隧道病害調(diào)研資料分析，課題組認為：黃土隧道質量檢驗評定指標應在公路工程質量檢驗評定標準隧道部分要求的基礎上進行適當調(diào)整。具體為： 1原來隧道總體實測項目中隧道車行道寬度規(guī)定允許偏差為10mm。由于施工中在電纜槽澆筑時，為防跑模侵占路面，一般均作適當放寬，故在施工完成后，一般路面寬度均有所超寬，超過了10mm即被判為不合格，影響最終評定得分。建議將隧道車行道寬度規(guī)定允許改為10mm、+20mm，不會對車行道產(chǎn)生影響。 2原來洞身開挖實測項目對破碎巖、土

23、拱部超挖定值為平均100mm，最大150mm。由于拱部土體穩(wěn)定性較差或極差，隧道開挖后自穩(wěn)時間極短，在開挖時至鋼拱支撐安設前，局部已發(fā)生少量坍塌，雖可設立臨時木支撐，但一般很難控制在150mm以內(nèi)，影響評定得分，故根據(jù)多年我省公路隧道實際施工情況，建議將破碎巖、土拱部超挖規(guī)定值放寬平均150mm，最大300mm。對超過300mm的空欠按隧道塌方規(guī)定要求進行處理。 3原來隧道襯砌實測項目中斷面尺寸高度規(guī)定為不小于設計。隧道襯砌完成后，由于隧道地基軟弱，再加上隧道周邊地下水發(fā)生遷移后水文地質條件的變化，隧道往往會發(fā)生繼續(xù)沉降現(xiàn)象。如新莊嶺隧道由于地表農(nóng)灌水的入滲造成隧道側墻在通車4個月后最大沉降量

24、為7.3cm。故課題組認為：隧道襯砌高度檢驗時，只需隧道襯砌不侵入凈空限界，對拱頂圓弧形襯砌的高度指標作適當放寬（該部位主要布設縱向射流風機，一般風機底部與限界保留20cm富余量），建議對拱頂高度檢驗標準中由不小于設計改為5cm。 4原來在洞身支護襯砌基本要求8.4.1.4中規(guī)定支護與襯砌應與圍巖結合牢固，回填密實。但在我省黃土公路隧道施工及探地雷達檢測中，雖然襯砌厚度普遍超過規(guī)定值，但往往在拱頂存在砼不密實帶及少量小空洞，特別在拱頂土體軟弱初次襯砌又采用礦山法人工澆筑砼的情況下，問題尤為突出。由于工作空間狹窄，砼又從掌子面30cm空隙向已襯砌段回灌，加之受支撐拱架阻擋及砼自身流動及塌落，該部

25、位砼質量很難得到保證，雖然可采取事后壓漿的方式彌補，但局部很難達到預期效果。故建議作適當放寬，規(guī)定不密實帶連續(xù)長度不能超過5m或10m2，空洞不超過2m2， 5原來洞身襯砌實測項目墻面平整度規(guī)定值為20mm，由于中長隧道普遍要求采用模板臺車進行襯砌，墻面平整度得到了很大提高，根據(jù)我省多條高速公路隧道采用模板臺車襯砌測量墻面平整度的結果，建議對采用臺車襯砌的平順墻面不作規(guī)定，而改為規(guī)定施工縫錯臺控制在5mm以內(nèi)較為符合實際情況。3.4 新莊嶺隧道施工實例分析 路面裝飾竣工驗收洞身暗挖仰拱填充二次襯砌明洞及洞門邊、仰坡加固明挖土方施工準備循環(huán)結束小時人一次襯砌小時人超前錨桿小時人拼接鋼花拱小時人支

26、鋼拱架小時人支撐鋼拱小時人開挖拱頂小時人一次襯砌小時人超前錨桿小時人拼接鋼花拱小時人開挖眼睛部位小時人一次襯砌小時人支鋼立柱模板小時人開挖邊墻馬口小時人開挖核心土小時人人小時測量放樣洞身暗挖 圖3-14 新莊嶺隧道施工與循環(huán)網(wǎng)絡圖 4 大斷面黃土隧道病害處治技術4.1 大斷面黃土隧道病害類型 1襯砌開裂2洞頂?shù)魤K、塌方3滲水漏水4地表變形（裂縫、陷穴、溶洞）5拱頂下沉4.2 大斷面黃土隧道病害處治技術 1.洞身滲水、漏水病害處治2.洞頂?shù)魤K、坍塌的處治 3.襯砌開裂4.地表變形（裂縫、陷穴、溶洞）的處治5.軟黃土地基的處治 5 結語 我們結合大量已建和在建實體工程，通過大規(guī)模的現(xiàn)場實測、有限元仿真計算及大量現(xiàn)場調(diào)查，對黃土公路隧道的監(jiān)控量測技術、圍巖壓力特性、施工及病害處治技術等進行了深入系統(tǒng)的研究，得出如下主要研究結論： 1測試結果表明，黃土公路隧道施工中土體有局部坍塌的可能，隨著時間的推移，圍巖壓力趨向于均勻分布，襯砌結構偏壓狀態(tài)將得到改善。淺埋隧道圍巖壓力屬松動壓力，深埋隧道