黃土隧道基本知識及支護開挖方法

黃土隧道基本知識及支護開挖方法一、黃土隧道地質(zhì)類型甲類：圍巖為中下更新統(tǒng)黃土，物理力學性質(zhì)好，無濕陷，穩(wěn)定性好。乙類：中更新統(tǒng)上部黃土，無濕陷或弱濕陷，工程性能較好。夾多層古土壤。丙類：圍巖為新黃土。工程性能差。黃土狀土隧道：黃土或黃土狀土夾砂層，黃土塬下部及河流兩岸階地，有時砂層厚十多米。在含地下水的情況下，最易產(chǎn)生噴砂冒水坍塌、冒頂?shù)仁鹿剩陨皩釉诠绊敺植颊邔λ矶捶€(wěn)定最為不利。二、黃土隧道的線路選擇地形上，應選擇洞身最短的位置穿過黃土塬、梁或黃土塬嘴，在隧洞進出口地帶均有大小不同的沖溝或彎道，而梁兩邊相對較大的溝道，可能是洞身最短的洞線位置。A、隧洞位置的塬梁地面，應該是平整的或凸起的地形；B、隧洞線路表面不應有洼地存在，特別應避免封閉式的存儲地表徑流的洼地；C、洞線也應避開塬面上的較大渠道，否則，集流洼地和渠道的水，可能成為隧洞的不穩(wěn)定因素．(2)地質(zhì)構造方面，黃土構造大裂隙、區(qū)域性的構造裂隙，一般有幾組，要通過調(diào)查、訪問和勘探，找出最發(fā)育的一組或洞線附近最大的幾條。該類裂隙寬度大，影響深，平時被地表黃土覆蓋，大暴雨或地震時，部分的裂開而暴露，群眾稱為“流?？p“或“龍縫”．這種“龍縫”可能有的沿溝谷或洼地發(fā)育，成為地面水的排泄通道．洞線選在大裂隙網(wǎng)一方位上，是極不利的選擇。(3)巖性上，時代愈老，強度愈高．作為隧洞圍巖穩(wěn)定性愈好。厚層鈣質(zhì)結核層作為洞頂圍巖，將是最理想的洞線方案。(4)隧洞穿過滑坡體:A、應首先查明該滑坡的滑動面深度，各滑塊的位置關系，滑坡體巖性分布及地下水情況；B、證明該滑坡體早已穩(wěn)定，且不可能再復活。一般穩(wěn)定的古滑坡或老滑坡，方可允許隧洞從滑坡體穿越；C、研究隧洞穿越滑坡體的方案。最有利的洞線方案是沿坡體中段的較大滑塊的中部．而且選擇整體滑移，巖層錯亂少，巖性較均一的滑塊．D、各滑塊的交界處，裂隙發(fā)育，巖性混雜。洞線通過滑塊交界處，對隧洞和滑坡穩(wěn)定都不利。

(5)地下水條件黃土在水下處于近飽和狀態(tài)，排水量不一定大，但洞頂洞壁的穩(wěn)定性差，施工條件較水上非飽和黃土差得多，如果洞線是沖積黃土狀土，中間是水平層理的細粉砂層或較粗的砂礫層，洞身位于水下會產(chǎn)生流砂和排水困難的嚴重問題。選線時應設法使洞身置于地下水位以上。使洞線在原線路上向上升高。三、黃土隧洞進、出口的布置隧洞進出口的斜坡地段，巖性變化大，自然地質(zhì)作用發(fā)育，地質(zhì)問題較多。一般說，黃土隧洞進、出口選擇過程應考慮的地質(zhì)問題主要是：

(1)隧洞進出口的巖性變化洞身一般深埋于地下，大多置于老黃土地層中。進出口洞身淺，且處于斜坡地段，可能有新黃土或新近堆積黃土存在。隧洞進、出口段圍巖由工程性質(zhì)較差的濕陷性黃土構成，將成為一個不穩(wěn)定因素。選線中對厚層的濕陷性黃土層應繞道，對簿層的則可開挖掉。(2)洞臉邊坡的穩(wěn)定問題。隧洞進、出口洞臉常被削成人工邊坡，這種黃土高邊坡如有大的崩塌或滑移，將堵塞洞口造成事故，因而洞臉邊坡穩(wěn)定問題，是隧洞進、出口方案比較的主要問題之一。(3)隧洞進、出口溝谷兩岸的穩(wěn)定性。隧洞進、出口洞臉兩側將受到溝谷兩岸岸坡穩(wěn)定性的影響。選作隧洞進、出口的溝谷，兩岸應是穩(wěn)定的，特別應注意的是，進、出口溝谷不能是天然泥石流或泥流的排導通道．四、黃土隧洞設計方法和歷史

盡管黃土地下建筑在我國已有幾千年的歷史，但是對其設計計算理論進行系統(tǒng)的研究，還是從上世紀60年代初開始的。由于以往在地下洞室設計計算中所采用的唯一模型是“荷載——結構物”模型，即把作用在襯砌上的圍巖壓力作為外加荷載，只要荷載確定了，則就像地面建筑那樣，利用結構力學理論，進行襯砌的設計計算。所以在地下洞室的設計計算中，圍巖壓力的確定就成為問題的關鍵。黃土地下洞室也不例外，黃土洞室設計計算理論的研究大致經(jīng)歷了三個階段。(1)上世紀50年代、60年代的設計以普氏理論為基礎。通過大量工程實踐，發(fā)現(xiàn)普氏理論對我國黃土洞室適用性差，按普氏理論所算得的圍巖壓力值大大超過實測結果，其所假定的壓力分布形式及側荷載系數(shù)也與實際不符。按此設計的襯砌普遍偏厚，造成很大浪費；隨后才引起對黃土洞室圍巖壓力問題的系統(tǒng)研究。

(2)60年代初提出以工程地質(zhì)類比法指導設計．并對黃土按地下洞室穩(wěn)定性要求作了相應的分類。

(3)70年代中提出以工程地質(zhì)類比為主，力學計算為輔，必要時用實測的方法指導設計。五、黃土隧隧洞變形破破壞大量的工程程實踐表明明，無支護黃土土洞室一般般均不能保保持長期穩(wěn)穩(wěn)定。塌方、片幫幫和襯砌開開裂、滲漏漏等是黃土土隧道的的的主要變形形破壞形式式。其中塌方方破壞最為為嚴重。對于埋深20一50m，跨度6—10m的洞室，拱拱頂最大下下沉量約3一5cm．地表沉降降量很小，，土體變形形隨著掘進進和時間的的增長而增增長，增長長速率開始始較快，以以后逐漸減減慢，并趨趨于穩(wěn)定，，基本穩(wěn)定定時間約3—4個月。塌方塌方是黃土土隧道最為為集中的問問題，也是是破壞性最最大、造成成損失最為為嚴重的工程問題題。塌方事事故的發(fā)生生主要集中中在隧道進出口口段或地質(zhì)質(zhì)條件發(fā)生生突變的地地層中。片幫和襯砌砌開裂片幫——黃土隧道開開挖后，由由于開挖導導致局部應應力集中和和軟弱結構構面的存在在而引起的的。襯砌裂縫——隨黃土圍巖巖變形的增增大，初次次襯砌將承承受越來越越大的壓力力，導致襯襯砌開裂，，格柵或鋼鋼拱架發(fā)生生嚴重彎曲曲變形。襯砌開裂的的主要原因因是襯砌形式與與實際壓力力分布不適適應，還可能是是由于噴射射混凝土在在硬化過程程中的自身身收縮和施施工過程中中氣溫變化化所致。滲漏滲漏是含水水率較豐富富或大氣降降雨相對充充足的黃土土隧道所面面臨的工程程問題1、部分黃土土隧道在開開挖過程中中，由于含含水層儲水水和排泄條條件差，土土體呈可塑塑或潮濕狀狀，涌水量量較大；2、有的隧道道在開挖當當時基本無無水，但建建成使用數(shù)數(shù)年后卻有有了水，甚甚至水量還還相當多。。若施工防防排水問題題未引起重重視，隧道道運營中會會出現(xiàn)滲漏漏與拱腳沉沉降，并造造成拱頂、、拱墻、路路面裂縫等等。隧道滲水主主要通過拱拱頂、邊墻墻接縫、排排水溝孔、、墻角部位位滲出，滲漏不僅會會使圍巖自自穩(wěn)能力降降低，造成成局部地層層軟化，而而且還會侵侵蝕普通混混凝土，改改變支護結結構的受力力特性，給給隧道的安安全運營帶帶來威脅。。六、黃土隧隧洞圍巖壓壓力規(guī)律(1)對于工程中中常用的洞洞跨，無襯砌時一一般均不能能保持長期期穩(wěn)定。一旦作了襯襯砌，只要要其以后工工程地質(zhì)、、水文地質(zhì)質(zhì)條件無異異常，則通通常總能保保持穩(wěn)定。。在現(xiàn)有的的工程常用用的洞形及及高跨比下下，當土質(zhì)質(zhì)均勻時，，無襯砌洞的的塌方一般般首先在拱拱肩或兩側側，然后隨隨著洞形及及應力條件件變化向洞洞頂發(fā)展。。塌方的主主要特征是是脆性剪切切破壞。(2)現(xiàn)有的黃土土洞室埋深深大都在20一50m，這些洞室室的襯砌大大部分是““薄”襯砌砌(是指比按普普氏塌落拱拱理論所設設計的襯砌砌薄)。這些襯砌砌有些雖然然在拱腰內(nèi)內(nèi)緣出現(xiàn)拉拉裂縫．但但卻能保持持相對穩(wěn)定定。(3)洞周土體變變形不是局局限于洞周周附近的一一個小范圍圍內(nèi)，而是是在由洞壁壁直至地表表的一個很很大范圍內(nèi)內(nèi)連續(xù)變化化，逐漸減減小，襯砌后在洞洞周一定范范圍內(nèi)沒有有發(fā)現(xiàn)土體體變形有突突然的、明明顯的變化化。最大變形發(fā)發(fā)生在拱頂頂。對埋深20～50m．跨度6～10m的洞室，拱拱頂最大下下沉量約30mm，地表最大大下沉量5一10mm。土體變形形隨掘進和和時間逐漸漸增長，開開始較快，，以后逐漸漸減小，最最后趨于穩(wěn)穩(wěn)定。土體體位移u和時間t的關系可用用雙曲線描描述。對現(xiàn)澆或預預制襯砌，，在現(xiàn)有的的施工條件件下，襯砌砌位移方向向一般均是是由兩側指指向洞內(nèi)，，拱頂指向向洞外。(4)與土體變形形相似，作作用在襯砌砌上的圍巖巖壓力也沒沒有突然性性，它也是是隨著掘進進與時間的的增長而增增長。并隨隨著土體變變形的穩(wěn)定定而穩(wěn)定。。圍巖壓力力基本穩(wěn)定定時間也為為3—4個月。它與與時間t的關系也可可用雙曲線線描述。七、黃土隧隧洞圍巖壓壓力機理作用在黃土土洞室襯砌砌上的圍巖巖壓力，其其主要部分分不是由于于土體坍塌塌而引起的的松動壓力力，而是由由于地層變變形、擠壓壓襯砌所產(chǎn)產(chǎn)生的變形形壓力。斷面所釋放放的彈性位位移與進深深的關系八、黃土隧隧洞圍巖壓壓力估算(1)工程地質(zhì)類類比法：掌握了黃土土隧洞的地地形地質(zhì)條條件，再根根據(jù)直接影影響隧洞黃黃土壓力的的各種地質(zhì)質(zhì)及工程因因素與已修修建遂洞進進行對比，，從而確定定隧洞黃土土的穩(wěn)定性性及地層壓壓力（初始始應應力力狀狀態(tài)態(tài)、、地地層層結結構構、、物物理理力力學學性性質(zhì)質(zhì)、、開開挖挖方方法法、、襯襯砌砌時時間間、、洞洞室室埋埋深深等等）。。(2)普氏氏計計算算公公式式：：雖然然適適用用性性差差，，但但應應用用簡簡單單，，多多偏偏于于安安全全，，仍仍在在應應用用。。(3)彈塑塑性性計計算算方方法法：：(4)有限限元元計計算算方方法法采用用有有限限元元等等數(shù)數(shù)值值模模擬擬方方法法計計算算圍圍巖巖壓壓力力九、、黃黃土土隧隧洞洞支支護護及及開開挖挖方方法法目前前，，應應用用于于黃黃土土隧隧道道的的支支護護措措施施主主要要有有以以下下幾幾種種：：掛網(wǎng)網(wǎng)、、系系統(tǒng)統(tǒng)錨錨桿桿、、噴噴射射混混凝凝土土、、注注漿漿、、鋼鋼格格柵柵、、鋼鋼拱拱架架、、超超前前小小管管棚棚以以及及大大管管棚棚等等。。通常常情情況況下下，，多多種種支支護護措措施施將將聯(lián)聯(lián)合合使使用用，，以以確確保保隧隧道道圍圍巖巖的的穩(wěn)穩(wěn)定定性性。。1、噴射射混混凝凝土土是隧隧道道工工程程中中應應用用最最為為廣廣泛泛的的支支護護措措施施，，噴噴層層厚厚度度以以15～25cm為宜宜，，噴噴層層太太薄薄會會使使圍圍巖巖變變形形較較大大，，噴噴層層易易產(chǎn)產(chǎn)生生裂裂縫縫；；2、黃土土隧隧道道中中錨錨桿桿作用用一一直直以以來來頗頗受受爭爭議議，，學學者者們們進進行行了了專專門門的的研研究究，，結結果果表表明明錨錨桿桿對對隧隧道道位位移移控控制制、、確確保保襯襯砌砌受受力力的的合合理理性性以以及及對對塑塑性性區(qū)區(qū)的的控控制制仍仍有有明明顯顯的的效效果果，，可可以以作作為為主主要要的的支支護護手手段段之之一一。。合合理理的的錨錨桿桿長長度度為為2.5～3.0m，，長度度超超過過3m后錨錨桿桿作作用用就就不不很很明明顯顯。。支護護方方法法3、注漿漿主要要適適應應于于圍圍巖巖比比較較破破碎碎、、地地層層含含水水率率豐豐富富的的黃黃土土隧隧道道。。近近期期出出現(xiàn)現(xiàn)的的水水泥泥-水玻玻璃璃雙雙液液注注漿漿在在加加固固隧隧道道圍圍巖巖破破碎碎帶帶中中具具有有顯顯著著的的效效果果。。4、超前前小小管管棚棚加加注注漿漿是淺淺埋埋偏偏壓壓隧隧道道通通常常采采用用的的一一種種超超前前支支護護技技術術，，亦亦可可應應用用于于軟軟弱弱地地層層，，其其實實質(zhì)質(zhì)是是在在擬擬開開挖挖的的地地下下隧隧道道或或結結構構的的襯襯砌砌拱拱圈圈隱隱埋埋弧弧線線上上，，預預先先設設慣慣性性力力矩矩較較大大的的厚厚壁壁鋼鋼管管，，起起臨臨時時超超前前支支護護作作用用，，防防止止土土層層坍坍塌塌和和地地表表下下沉沉，，以以保保證證掘掘進進和和后后續(xù)續(xù)支支護護工工藝藝安安全全運運作作。。超超前前小小管管棚棚的的長長度度約約為為3～6m，直徑約為4～8cm，搭界長度一般般不小于1.2m，，環(huán)向間距約為為30～50cm，，傾角為1°～5°。5、大管棚一般是針對隧隧道進出口段段超淺埋新黃黃土設置的一一種強力支護護，長度可達達30m左右，直徑直直徑約10cm。。6、鋼拱架也是一種強力力支護措施，，多見于圍巖巖較破碎和隧隧道進出口段段。開挖方法施工方法及開開挖方式對圍圍巖穩(wěn)定性有有重要的影響響。常見的黃黃土隧道施工工方法有：全斷面開挖法法、先拱后墻墻法、先墻后后拱法、CRD法、盾構法等。具體的開開挖方