黃土隧道支護設(shè)計與關(guān)鍵施工技術(shù)長安大學(xué)陳建勛教授2017全國橋梁與隧道建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新成果研討會1研究背景2黃土隧道變形規(guī)律3黃土隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計4黃土隧道施工技術(shù)5工程應(yīng)用6結(jié)束語1研究背景

全世界黃土分布約有1300萬平方公里，占陸地面積的9.3%。黃土分布黃土主要分布在北半球的中緯度干旱及半干旱地帶，南半球分布在南美洲一些國家和新西蘭。

中國是世界上黃土分布最廣、厚度最大的國家，面積約64萬平方公里。主要分布在陜西、山西、寧夏、甘肅、青海等五個省區(qū)。黃土地區(qū)溝壑縱橫、梁峁起伏、地形條件復(fù)雜。交通建設(shè)必然會遇到大量的黃土隧道！黃土

(loess)是第四紀(jì)沉積物，與巖石地層相比，具有典型的工程特性。垂直節(jié)理發(fā)育、多孔、結(jié)構(gòu)疏松、密度低，未擾動時強度較高，遇水易崩解、剝落，多具濕陷性。黃土分層及柱狀節(jié)理發(fā)育黃土山體開裂馬蘭黃土球粒架空孔隙結(jié)構(gòu)初期支護侵限，凈空不足洞內(nèi)坍塌地表開裂常見工程問題襯砌開裂極易侵限都是變形惹的禍！可見，巖石隧道的修建技術(shù)不完全適用于黃土隧道！淺埋時不易形成承載拱洞內(nèi)塌方襯砌開裂（十黃九裂）地表開裂深埋擾動區(qū)域大初期變形速度快，變形量大二次襯砌施作時機不當(dāng)控制變形黃土隧道變形規(guī)律基礎(chǔ)施工錨桿的作用設(shè)計初期支護結(jié)構(gòu)型式黃土隧道施工方法機理黃土隧道主要的研究問題2005年以來長安大學(xué)課題組長期致力于黃土隧道修建技術(shù)研究序號項目名稱起止時間任務(wù)來源1黃土隧道支護設(shè)計與關(guān)鍵施工技術(shù)研究2005-2010陜西省交通運輸廳2西部復(fù)雜環(huán)境條件下隧道洞口段設(shè)計施工綜合技術(shù)研究2007-2011交通運輸部3土質(zhì)隧道不設(shè)系統(tǒng)錨桿的試驗研究2008-2011黑龍江省交通運輸廳4大跨度黃土公路隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及控制技術(shù)研究2009-2015交通運輸部5鋼架噴網(wǎng)鎖腳錨桿組合支護結(jié)構(gòu)在黃土隧道的應(yīng)用2010-2016陜西省交通運輸廳6大西鐵路客運專線馬家莊隧道施工技術(shù)研究2011-2014企業(yè)委托7軟弱圍巖隧道鎖腳錨桿（管）支護機理與力學(xué)特性研究2013-2016國家自然科學(xué)基金面上項目8黃土隧道修筑關(guān)鍵技術(shù)2014-2016陜西省科技廳9大跨度高含水率黃土公路隧道設(shè)計與施工綜合技術(shù)研究2014-2016陜西省交通運輸廳2黃土隧道變形規(guī)律

2005年對吳子高速公路32座黃土隧道兩臺階法施工過程中的圍巖變形進行了現(xiàn)場測試。（1）在黃土隧道臺階法施工過程中拱部沉降值遠大于凈空收斂值，并且開挖初期變形量約占總體變形量的60％-70％左右。因此，控制拱部沉降尤其是初期拱部沉降是確保隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵。兩車道黃土隧道變形規(guī)律

（2）典型變形時態(tài)曲線拱部沉降時態(tài)曲線凈空收斂時態(tài)曲線

從變形到穩(wěn)定，黃土隧道的圍巖變形大致經(jīng)歷了以下3個階段：第一階段是急劇變形階段（開挖初期）第二階段是持續(xù)增長階段第三階段即緩慢增長階段

在黃土隧道變形持續(xù)增長階段，二次襯砌仰拱和邊墻基礎(chǔ)要緊跟，并及時進行仰拱回填和施作路面基層，增加結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。兩車道黃土隧道變形規(guī)律

（3）測試數(shù)據(jù)回歸分析典型拱部沉降實測與回歸時態(tài)曲線對比黃土隧道圍巖變形發(fā)展符合對數(shù)函數(shù)規(guī)律。由于對數(shù)函數(shù)具有發(fā)散性，故無法由此預(yù)估出圍巖的最終位移。在已施作仰拱的情況下，變形速率顯著變小。

分析發(fā)現(xiàn)兩車道黃土隧道初期變形急劇，變形量大，拱部沉降大于凈空收斂。揭示了黃土隧道變形規(guī)律。提出以鋼架為主體的剛性支護理念。

拱部沉降值遠大于凈空收斂值初期變形急劇，變形量大控制早期變形剛性支護、仰拱及時施作等控制沉降變形鎖腳錨桿、擴大拱腳等兩車道黃土隧道變形規(guī)律第一階段（急劇增加）第三階段（擴張變化）洞口淺埋段雙側(cè)壁導(dǎo)坑法三車道大跨度黃土隧道變形規(guī)律洞口淺埋段雙側(cè)壁導(dǎo)坑法RK27+089.6斷面右導(dǎo)洞凈空收斂時態(tài)曲線2009年在墩梁隧道（世界上開挖跨度最大的黃土公路隧道）埋設(shè)了22個變形監(jiān)測斷面，48條測線，166個測點，測試長達10個月，獲得數(shù)據(jù)數(shù)萬組。第二階段（趨于平緩）

（1）隧道洞口淺埋段（雙側(cè)壁導(dǎo)坑法）RK27+076.3斷面右導(dǎo)洞沉降時態(tài)曲線右導(dǎo)洞（先行導(dǎo)洞）的最大收斂值大于左導(dǎo)洞，兩者遠大于主導(dǎo)洞。右導(dǎo)洞（先行導(dǎo)洞）的沉降值大于左導(dǎo)洞，兩者遠大于主導(dǎo)洞。符合反正切函數(shù)三車道大跨度黃土隧道變形規(guī)律洞身深埋段三臺階法LK26+233斷面拱部沉降空間曲線

（2）隧道洞身深埋段（三臺階法）

LK26+264斷面凈空收斂空間曲線LK26+233斷面拱部沉降空間曲線

上臺階處收斂速率比最大開挖線處快，最大開挖線處的最終收斂值約為上臺階處的3倍左右。

隨著掌子面距離增大，拱部沉降值持續(xù)增大，增速放緩。三臺階法施工隧道沉降曲線符合反正切函數(shù)。3黃土隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計黃土隧道支護結(jié)構(gòu)的思考

20世紀(jì)70年代至80年代末，主要為單線鐵路隧道?！锎罅康脑囼炑芯拷Y(jié)果表明，錨桿在噴錨支護結(jié)構(gòu)中起著重要作用?！飶?fù)合式襯砌代替了以往的整體式襯砌跨度小，斷面小初期支護：錨桿+噴射混凝土+鋼筋網(wǎng)20世紀(jì)90年代三以來三，大三斷面三隧道三和復(fù)三雜地三質(zhì)情三況增三多，三軟巖三隧道三初期三支護三結(jié)構(gòu)三增設(shè)三了鋼三架，隧道三初期三支護三由鋼三架、三噴射三混凝三土、三鋼筋三網(wǎng)和三系統(tǒng)三錨桿三組成三。黃土三隧道三支護三結(jié)構(gòu)三的思三考二次襯砌防水層鋼架鋼筋網(wǎng)噴射混凝土系統(tǒng)錨桿在鋼三架條三件下三系統(tǒng)三錨桿三支護三效果三如何三？有兩三種觀三點：三作用三不大三，可三以取三消；三有重三要作三用，三理應(yīng)三設(shè)置三。無三系統(tǒng)三研究三。在學(xué)三術(shù)界三和工三程界三存在三很大三爭議1引言隨著三我國三公路三隧道三建設(shè)三的發(fā)三展，三隧道三修建三的規(guī)三模越三來越三大，三有時三還會三遇到三穿越三高含三水量三粘性三土隧三道。三然而三對于三高含三水量三粘性三土，三其內(nèi)三摩擦三力小三、強三度低三、可三塑性三強，三所以三在施三工過三程中三易發(fā)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國三內(nèi)所三遇不三多，三其配三套的三支護三技術(shù)三并不三完善三，所三以如三何采三取恰三當(dāng)?shù)娜ёo三技術(shù)三，將三成為三隧道三界研三究的三問題三。目前,《建筑三地基三基礎(chǔ)三設(shè)計三規(guī)范》(GB三50三0-三07三-2三00三2)規(guī)定三塑性三指數(shù)IP>1三0的細(xì)三粒土三為粘三性土;《公路三土工三試驗三規(guī)程》（JT三G三E4三0-三20三07）則三規(guī)定三塑性三指數(shù)IP≥0三.7三3(三wL-2三0)及IP>4時的三細(xì)粒三土為三粘性三土，三這一三劃分三標(biāo)準(zhǔn)三基本三上與三英、三美、三德、三日等三國長三期采三用的三卡氏三（Ca三sa三gr三an三de）塑三性圖三分類三法相三同。隧道三洞口三段淺三埋偏三壓，三系統(tǒng)三錨桿三穿出隧道三洞口三段淺三埋偏三壓，三系統(tǒng)三錨桿三穿出隧道三洞口三段淺三埋偏三壓，三系統(tǒng)三錨桿三穿出（1）黃土三隧道三支護三施工三工序開挖三→初三噴射三混凝三土→三立鋼三架→三掛設(shè)三鋼筋三網(wǎng)片三→安三設(shè)錨三桿→三噴射三混凝三土達三到設(shè)三計厚三度安設(shè)三錨桿三在架三立鋼三架之三后，三所以三鋼架三對圍三巖變?nèi)蔚娜萍s三，必三然會三影響三到錨三桿作三用的三發(fā)揮三。黃土三隧道三支護三結(jié)構(gòu)三的思三考——施工三存在三的問三題錨桿三不能三及時三徑向三施作三，發(fā)三揮不三了錨三固作三用。（2）黃土三隧道三施工三多采三用分三部開三挖，三施工三場地三狹小三。黃土三隧道三支護三結(jié)構(gòu)三的思三考——施工三存在三的問三題（3）在黃三土中三錨桿三施工三成孔三困難三，注三漿不三易，三影響三工程三進度三。黃土三隧道三支護三結(jié)構(gòu)三的思三考——施工三存在三的問三題錨桿三受力三的計三算分三析難三度很三大，三往往三人為三地假三定錨三桿支三護的三效果三提高三了圍三巖的三彈性三模量E，黏三聚力c和內(nèi)三摩擦三角。這三在黃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錨桿三反而三破壞三了黃三土的三結(jié)構(gòu)三，降三低了三圍巖三的強三度和三穩(wěn)定三性。（與三巖石三是有三區(qū)別三的）黃土三隧道三支護三結(jié)構(gòu)三的思三考——理論三計算三存在三的問三題20三05年在三吳子三高速三公路32座黃三土隧三道現(xiàn)三場埋三設(shè)了11個測三試斷三面，三埋設(shè)三測試三元件98三0多個三，測三力錨三桿47根。首次三對兩三車道三黃土三隧道三有、三無系三統(tǒng)錨三桿條三件下三的結(jié)三構(gòu)力三學(xué)狀三態(tài)和三穩(wěn)定三性進三行了三現(xiàn)場三對比三測試三及分三析，三結(jié)果發(fā)現(xiàn)三拱部三系統(tǒng)三錨桿三受壓，鎖三腳錨三桿（三管）三對控三制隧三道沉三降作三用明三顯。三表明三系統(tǒng)三錨桿三在黃三土隧三道中三支護三效果三不顯三著。提出三采用“鋼三架+噴射三混凝三土+鋼筋三網(wǎng)+鎖腳三錨桿三（管三）”三的新三初期三支護三結(jié)構(gòu)三型式三，即三取消三系統(tǒng)三錨桿三，增三加鎖三腳錨三桿三。巖石三隧道三中錨三桿作三用機三理對現(xiàn)三場測三試發(fā)三現(xiàn)的三拱部三系統(tǒng)三錨桿三受壓三問題三，從三土體三的變?nèi)魏腿^桿三與土三體的三錨固三效果三兩方三面分三析了三黃土三隧道三拱部三系統(tǒng)三錨桿三的作三用機三制。懸吊三作用加固三圍巖支承三圍巖組合三梁★鋼架三架設(shè)三在圍三巖外三側(cè)，三發(fā)揮三被動三支撐三作用三，屬三于外三承式三，而三錨桿三伸入三圍巖三內(nèi)部三，利三用圍三巖承三載力三，主三動加三固圍三巖，三屬于三內(nèi)承三式，三二者三支護三機理三截然三不同三?！餃\埋三黃土三隧道三拱部三發(fā)生三了整三體沉三降，三錨桿三并不三存在三錨固三段?！锶盥袢S土三隧道三開挖三后土三體產(chǎn)三生了三較大三塑性三區(qū)，三目前三短而三密的三系統(tǒng)三錨桿三也不三存在三錨固三段?！锶^桿三與土三體采三用水三泥砂三漿或三藥卷三式錨三固劑三粘結(jié)三效果三差，三黃土三隧道三錨桿三錨固三力很三小。★三錨桿三錨固三于初三期支三護上三，拱三部系三統(tǒng)錨三桿受三到了三土體三向下三的摩三阻力三，相三當(dāng)于三樁承三受負(fù)三摩阻三力，三因而三拱部三系統(tǒng)三錨桿三受壓三。黃土三隧道三中錨三桿作三用機三理錨桿三作用三機理懸吊三作用加固三圍巖支承三圍巖組合三梁剛架三作用三機理①加強三限制三圍巖三變形②作三為超三前支三護的三后支三點③承三受部三分松三弛荷三載錨桿三是伸三入到三圍巖三內(nèi)部三，產(chǎn)三生相三對位三移，三利用三圍巖三自承三能力三。主三動加三固圍三巖鋼架三架設(shè)三在圍三巖外三側(cè)被動三支撐三作用兩者三對隧三道支三護的三機理截然三不同系統(tǒng)三錨桿三的作三用機三制系統(tǒng)三錨桿三的作三用機三制錨桿三作用三示意三圖錨桿三起到三錨固三作用三的2個前三提條三件：錨桿三與圍三巖要三有良三好的三相互三黏結(jié)有錨三固段黃土三隧道三錨桿三拉拔三力很三小，三往往三只有20三~3三0k三N。錨固三效果三差！淺埋三黃土三隧道三，地三表會三產(chǎn)生三沉降三或裂三縫，三拱部三會發(fā)三生整三體沉三降。三拱部三系統(tǒng)三錨桿三不存三在錨三固段三。淺埋三黃土三隧道三地表三產(chǎn)生三沉降系統(tǒng)三錨桿三的作三用機三制深埋三大跨三度黃三土隧三道，三開挖三后土三體產(chǎn)三生了三較大三松動三區(qū)。三目前三以“短三而密三”為三設(shè)置三原則采用三的系三統(tǒng)錨三桿，三并未三穿過三松動三區(qū)。三錨桿三亦不三存在三錨固三段。深埋三大跨三度黃三土隧三道產(chǎn)三生松三動區(qū)系統(tǒng)三錨桿三的作三用機三制黃土三隧道三開挖三后，三周圍三土體三要產(chǎn)三生變?nèi)?，三主要三包括三：?）應(yīng)三力釋三放和三土體三擾動三引起三的彈三性、三塑性三和松三動變?nèi)?；?）初三期支三護背三部因三回填三不密三實而三誘發(fā)三的土三體沉三降；（3）采三用型三鋼鋼三架支三護后三，其三背部三因噴三射混三凝土三無法三噴到三位而三誘發(fā)三的土三體沉三降；（4）施三工擾三動土三體后三期產(chǎn)三生的三壓密三沉降三；（5）地三下水三位線三以下三的隧三道，三因開三挖而三引起三的水三位下三降，三使部三分飽三和土三體變?nèi)秊榉侨柡腿那啡探Y(jié)三土，三從而三引發(fā)三次固三結(jié)沉三降。系統(tǒng)三錨桿三的作三用機三制在初三期支三護施三作后三，相三對于三土體三的后三續(xù)變?nèi)?，三錨桿三是固三定不三動的三，所三以在三淺埋三黃土三隧道三或塑三性區(qū)三大的三深埋三黃土三隧道三，拱三部系三統(tǒng)錨三桿受三到了三土體三向下三的摩三阻力三，相當(dāng)三于樁三承受三負(fù)摩三阻力三，因三而拱三部系三統(tǒng)錨三桿受三壓。系統(tǒng)三錨桿三的作三用機三制鎖腳三錨桿三的作三用機三制鎖腳三錨桿三（管三）穩(wěn)三定鋼三架示三意圖黃土三隧道三采用三臺階三法施三工，三下半三斷面三開挖三時，三鋼架三接頭三處于三懸空三狀態(tài)三，鎖腳三錨桿三（管三）使三鋼架三在整三個下三半斷三面開三挖和三鋼架三安設(shè)三過程三中始三終處三于穩(wěn)三定狀三態(tài)。上臺三階開三挖下臺三階開三挖打設(shè)三鎖腳三錨桿三（管三）鎖腳三錨桿三的作三用機三制鋼架三受力三簡化三圖采用三結(jié)構(gòu)三力學(xué)三和彈三性地三基梁三的方三法，三建立三鋼架三和鎖三腳錨三桿力三學(xué)計三算模三型。拱腳三的彎三矩拱腳三的剪三力拱腳三的軸三力鎖腳三錨桿三的作三用機三制鎖腳三錨桿三受力三簡化三圖鎖腳三錨桿三剪力三和彎三矩分三析圖微分三方程三式：圍巖三中錨三桿體三的豎三向變?nèi)巍⑷D(zhuǎn)角、彎矩、剪三力的表三達式三：建立拱部系統(tǒng)錨桿受壓模型鋼架鎖腳錨桿（管）荷載傳遞模型提出拱部系統(tǒng)錨桿力學(xué)分析方法鎖腳錨桿（管）力學(xué)計算方法（彈性地基梁微分方程）揭示錨桿受壓機制鋼架鎖腳錨桿（管）共同作用機理理論成果黃土隧道拱部系統(tǒng)錨桿受壓發(fā)現(xiàn)技術(shù)三創(chuàng)新創(chuàng)建了黃土隧道初期支護組合結(jié)構(gòu)新型式鋼架+噴射混凝土+鋼筋網(wǎng)+鎖腳錨桿（管）拱部錨桿作用不顯著★學(xué)術(shù)三價值三：提出三的以三鋼架三為主三體的三黃土三隧道三剛性三支護三理論三，突三破了以噴三錨為三主體三的柔三性支三護巖三承理三論?！飳嵺`三意義三：減少三了工三序，三加快三了進三度，三提高三了安三全性三和結(jié)三構(gòu)穩(wěn)三定性三，顯著三降低三了工三程造三價。公路三隧道三設(shè)計三規(guī)范三（JT三G三D7三0-三20三04）（三第條三）鐵路三隧道三設(shè)計三規(guī)范三（TB三10三00三3-三20三05三J三44三9-三20三05）（三第條三）日本三、歐三美等三國家三軟弱三地層三隧道三中突破三了現(xiàn)三行國三內(nèi)外三設(shè)計三規(guī)范三！傳統(tǒng)三襯砌三結(jié)構(gòu)三型式新的三襯砌三結(jié)構(gòu)三型式4黃土三隧道三施工三技術(shù)根據(jù)三黃土三的特三性和三黃土三隧道三變形三規(guī)律三，提出三了“三快挖三、快三支、三快封三閉，三二次三襯砌三仰拱三、邊三墻基三礎(chǔ)緊三跟，三二次三襯砌三適時三施作三”的三施工三原則三。強調(diào)三快速三開挖三，快三速施三作初三期支三護，三同時三要增三設(shè)鎖三腳錨三桿（三管）三或擴三大臺三階拱三腳，三快速三施作三初期三支護三仰拱三，盡三早施三作二三次襯三砌仰三拱及三邊墻三基礎(chǔ)三。當(dāng)三初期三支護三變形三過大三時，三應(yīng)及三時加三強初三期支三護或三采取三輔助三加強三措施三。在三初期三支護三作用三下，三圍巖三基本三達到三穩(wěn)定三時施三作二三次襯三砌。保障三了施三工安三全！三保證三了結(jié)三構(gòu)穩(wěn)三定!加快三了工三程進三度!兩車三道黃三土隧三道施三工技三術(shù)每循三環(huán)0.三6三m，每三天可三完成2個循三環(huán)，月三最高三進度42三m，月三平均三進度36三m。雙側(cè)三壁導(dǎo)三坑法從控三制沉三降、三工期三、施三工難三易程三度和三造價三等方三面，三對比三分析三了多三種施三工方三法，三提出三了大三跨度三黃土三公路三隧道三洞口三淺埋三段采三用雙三側(cè)壁三導(dǎo)坑三法施三工，三洞身三深埋三段采三用三三臺階三七步三開挖三法施三工。三臺三階七三步開三挖法每循三環(huán)兩榀，一三榀0.三75三m，26小時可以三完成兩個三循環(huán)，月三最高三進度80三m，月三平均三進度76三m。大跨三度黃三土隧三道施三工技三術(shù)《公路三隧道三施工三技術(shù)三規(guī)范》（JT三J0三42三-9三4）（三第14三.3條）《公路三隧道三施工三技術(shù)三規(guī)范》（JT三G三F6三0-三20三09）（三第16三.3條）《鐵路三隧道三施工三規(guī)范》（TB三10三20三4-三20三02三J三16三3-三20三02）《客運三專線三鐵路三隧道三工程三施工三技術(shù)三指南》（TZ三2三14三-2三00三5）（三第13三.9條）提出三了黃三土隧三道施三工原三則和三施工三技術(shù)三指南以上三規(guī)范三涉及三黃土三隧道三的很三少，三幾乎三為空三白。補充三和完三善了三現(xiàn)行三施工三技術(shù)三規(guī)范攻克三了黃三土隧三道變?nèi)未笕⒁兹饺?、二三次襯三砌易三早期三開裂三等技三術(shù)難三題。黃土三隧道三施工三技術(shù)5工程三應(yīng)用該隧三道為三上下三行分三離式三，上三行線三長16三60三m，下三行線三長16三90三m。天恒三山隧三道位三于哈三爾濱三繞城三高速三公路（高三含水三率黏三土隧三道）5工程三應(yīng)用5工程三應(yīng)用最大三埋深三僅25三m最大三開挖三寬度16三.8三m，高12三.1三m，開挖三面積16三3m2可塑三性強含水三率高三達16三.6三3％～30三.9三0％三大三工程三難點淺三埋大跨三、大三斷面高含三水率三可塑三性粘三土成孔三困難注漿三效果三差抗拉三拔力三低高含三水率三粘性三土層三中錨三桿施三工困三難高含三水率三粘性三土層三錨桿三成孔三試驗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設(shè)三錨桿三猶如三“在三豆腐三里面三插筷三子”三，支三護作三用不三大。5工程三應(yīng)用原設(shè)三計支三護示三意圖變更三后設(shè)三計示三意圖隧道中心線行車道中心線2%型鋼拱架防排水保溫層（按4cm計）預(yù)留變形量二次襯砌C30鋼筋混凝土25×5mm先錨后灌式注漿錨桿濕噴鋼纖混凝土+Φ8焊接鋼筋網(wǎng)（20×20cm）兩層設(shè)計標(biāo)高超前小導(dǎo)管防火涂層5工程三應(yīng)用20三09年10