1、黃土隧道支護設計及關鍵施工技術，長安大學陳建勛教授，2017年全國橋梁隧道建設關鍵技術創(chuàng)新成果研討會，1研究背景2黃土隧道變形規(guī)律，3黃土隧道支護結構設計，4黃土隧道施工技術，5工程應用，6結論，1研究背景，世界上約有1300萬平方公里的黃土分布，占國土面積的9.3%。黃土主要分布在北半球的干旱和半干旱地區(qū)以及南半球的南美和新西蘭的一些國家。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、甘肅和青海省。黃土地區(qū)溝壑縱橫，山脊和土丘起伏，地形條件復雜。交通建設不可避免地會遇到大量的黃土隧道！黃土是第四系沉積物，與巖層相比具有典型的工程特性。垂直接縫發(fā)達

2、、多孔、結構松散、密度低、不受干擾時強度高、暴露在水中時容易崩解和剝離，并且大部分是可塌陷的。初期支護被侵入、間隙不足、洞穴塌陷、表面裂縫、常見的工程問題、襯砌裂縫，以及容易被侵入，所有這些都是由變形引起的！由此可見，巖石隧道的施工技術并不完全適用于黃土隧道！淺埋條件下難以形成承重拱、隧道塌方、襯砌開裂(十黃九裂)、地表開裂、深埋條件下擾動面積大、初始變形快、變形量大、二次襯砌施工時機不當、變形控制、黃土隧道變形規(guī)律、地基、施工、錨桿作用、設計和初期支護等，長安大學課題組自2005年以來一直致力于黃土隧道施工技術的研究。2.黃土隧道的變形規(guī)律。2005年，對五子高速公路32條黃土隧道分兩步施工

3、過程中的圍巖變形進行了現場測試。(1)在臺階法黃土隧道施工中，拱的沉降值遠大于凈空收斂值，開挖的初始變形約占總變形的60-70%。因此，控制拱的沉降，尤其是拱的初始沉降，是保證隧道結構穩(wěn)定的關鍵。雙線黃土隧道的變形規(guī)律，(2)典型變形時間曲線、拱沉降時間曲線和凈空收斂時間曲線，從變形到穩(wěn)定，黃土隧道圍巖變形經歷了以下三個階段：第一階段為快速變形階段(初期開挖階段)，第二階段為連續(xù)增長階段，第三階段為緩慢增長階段。在黃土隧道變形連續(xù)增長階段，二次襯砌仰拱和側墻基礎應緊跟其后，仰拱回填和路面基層應及時進行，研究雙線黃土隧道的變形規(guī)律；(3)對試驗數據進行回歸分析，將典型拱的實測沉降與回歸時間曲線進

4、行對比，黃土隧道圍巖變形發(fā)展符合對數函數規(guī)律。因為對數函數是發(fā)散的，所以不可能預測圍巖的最終位移。仰拱條件下，變形率明顯降低。研究發(fā)現，雙車道黃土隧道初期變形劇烈且較大，拱部沉降大于凈空收斂。揭示了黃土隧道的變形規(guī)律。提出了以鋼架為主體的剛性支撐概念。拱的沉降值遠大于間隙收斂值，初始變形劇烈，變形大，早期變形得到控制，剛性支撐和仰拱及時施工，沉降變形得到控制，錨桿鎖定，拱腳擴大等。雙車道黃土隧道變形規(guī)律，第一階段(快速增長)，第三階段(膨脹變化)，隧道淺埋段雙側壁導坑法，三車道大跨度黃土隧道變形。RK27 089.6是右導洞凈空收斂的時間曲線。2009年，符合反正切函數，三車道大跨度黃土隧道變

5、形規(guī)律，深埋隧道斷面三步法，LK26 233斷面拱沉降空間曲線，(2)深埋隧道斷面(三步法)，LK26 264斷面凈空收斂空間曲線，LK26 233斷面拱沉降空間曲線，上臺階收斂速度快于最大開挖線， 最大開挖線處的最終收斂值約為，隨著距工作面距離的增加，拱的沉降值繼續(xù)增加，增長速度減慢。 三階段法施工的隧道沉降曲線符合反正切函數。3.黃土隧道支護結構設計，考慮黃土隧道支護結構，從20世紀70年代到80年代末，主要是單線鐵路隧道。大量試驗結果表明，錨桿在噴錨支護結構中起著重要作用。復合襯里取代了原來的整體襯里，跨度小，截面小。初期支護：錨網噴混凝土。自20世紀90年代以來，大斷面隧道和復雜地質條

6、件不斷增加。軟巖隧道初期支護結構增加鋼架，鋼架由鋼架、噴射混凝土、鋼網和系統(tǒng)錨組成?？紤]黃土隧道的支護結構，鋼框架條件下系統(tǒng)錨桿支護的效果如何？有兩種觀點：它影響很小，可以取消；它起著重要的作用，應該建立起來。沒有系統(tǒng)的研究。學術界和工程界有很大的爭議。1、引言隨著我國公路隧道建設的發(fā)展，隧道建設規(guī)模越來越大，有時會遇到隧道穿越高含水量粘性土的情況。但是，對于高含水量的粘性土，其內摩擦小，強度低，塑性強，施工過程中容易發(fā)生安全事故。然而，由于高含水量粘性土隧道在我國很少遇到，其支護技術也不完善，如何采用合適的支護技術將成為隧道領域的一個研究課題。目前，建筑地基設計規(guī)范(GB500-07-200

7、2)規(guī)定塑性指數IP10的細粒土為粘性土；公路土工試驗規(guī)范(JTG E40-2007)規(guī)定，塑性指數IP0.73(wL-20)和IP4的細粒土為粘性土，與英、美、德、日長期采用的卡薩格蘭德塑性圖分類基本相同。隧道洞口段淺埋偏壓，系統(tǒng)螺栓穿過。(1)黃土隧道支護施工過程從噴射混凝土架設鋼架開始，掛鋼絲網安裝錨桿。噴射混凝土達到設計厚度后，在架設鋼架后安裝錨桿，鋼架對圍巖變形的約束必然影響錨桿作用的發(fā)揮。對黃土隧道支護結構的思考施工中存在的問題，錨桿不能及時徑向應用，不能發(fā)揮錨固作用。(2)黃土隧道施工大多采用局部開挖，施工場地狹窄?？紤]到黃土隧道的支護結構、施工中存在的問題，(3)黃土中難以形成

8、孔洞和注漿錨桿，影響工程進度?？紤]到黃土隧道支護結構施工中存在的問題，錨桿的應力計算和分析非常困難，人們往往人為地認為錨桿支護的作用提高了圍巖的彈性模量E、粘聚力C和內摩擦角。這在黃土中不太合理。相反，它往往破壞黃土的結構，降低圍巖的強度和穩(wěn)定性。(不同于巖石)，黃土隧道支護結構的理論計算存在問題。2005年，五子高速公路32條黃土隧道共埋設了11個試驗段，埋設了980多個試驗元件和47個測力錨桿。首次對有無系統(tǒng)錨桿的雙線黃土隧道的結構力學狀態(tài)和穩(wěn)定性進行了測試和分析。結果表明，拱形系統(tǒng)錨桿處于受壓狀態(tài)，鎖定錨桿(管)對控制隧道沉降有明顯效果。結果表明，系統(tǒng)錨桿在黃土隧道中的支護效果不明顯。一

9、種新的“鋼框架”初期支護結構形式針對現場試驗中發(fā)現的拱系錨桿受壓問題，從土體變形和錨桿與土體錨固效果兩個方面分析了錨桿在巖石隧道中的作用機理。懸掛功能、加固圍巖、支護圍巖、組合梁和鋼架架設在圍巖外側，起被動支護作用，屬于外承式，而錨桿伸入短巖體內部，利用圍巖承載力主動加固圍巖，屬于內承式。它們的支持機制完全不同。淺埋黃土隧道拱部整體沉降，無錨桿錨固段。黃土隧道開挖后，土體中有一個大的塑性區(qū)。目前，短而密的系統(tǒng)錨桿中沒有錨固段。采用水泥砂漿或筒式錨固劑時，錨桿與土體的粘結效果較差，黃土隧道中錨桿的錨固力很小。錨桿錨固在初期支護上，拱系錨桿承受土體的向下摩擦力，相當于樁的負摩擦力，因此拱系錨桿受到

10、壓縮。黃土隧道錨桿作用機理、錨桿作用機理、懸掛作用機理、加固圍巖機理、支護圍巖、組合梁和剛架、加固和限制圍巖變形，作為超前支護的后支點，承受部分松弛荷載，錨桿伸入圍巖中產生相對位移，利用圍巖的自承能力。圍巖主動加固和圍巖外側鋼架被動支護在隧道支護機理上完全不同，如系統(tǒng)錨桿的機理、系統(tǒng)錨桿的機理、錨桿作用示意圖等。錨桿發(fā)揮錨固作用有兩個前提條件：錨桿與圍巖應有良好的相互粘附和錨固斷面，黃土隧道錨桿的拉力很小，往往只有2030kN。錨定效果差！在淺埋黃土隧道中，地表會出現沉降或裂縫，拱部會出現整體沉降。拱系錨桿中沒有錨固段。淺埋黃土隧道地表沉降，錨桿作用機理系統(tǒng)，大跨度黃土隧道埋深大，開挖后土體松

11、散面積大。目前，“短而密”原則所采用的系統(tǒng)螺栓不穿過松動區(qū)域。錨桿中沒有錨固段。深埋大跨度黃土隧道產生的松散區(qū)域及錨桿的作用機理。黃土隧道開挖后，周圍土體會產生變形，主要包括：(1)應力釋放和土體擾動引起的彈性、塑性和松散變形；(2)初期支護背面松散回填土引起的土體沉降；(3)采用鋼框架支撐后，由于未能在其背面噴射混凝土而引起的土壤沉降；(4)施工擾動土后期的壓實沉降；(5)在地下水位以下的隧道中，由于開挖，水位下降，使得一些飽和土變成非飽和欠固結土，從而引起二次固結沉降。系統(tǒng)錨桿的作用機理是，在施加初始支撐后，錨桿相對于土壤的后續(xù)變形被固定。因此，在淺埋黃土隧道或深大塑性區(qū)黃土隧道中，拱系錨

12、桿受到土體的向下摩擦，這相當于樁的負摩擦力，因此拱系錨桿受到壓力。系統(tǒng)錨的機理、鎖定錨的機理、鎖定錨(管)穩(wěn)定鋼架示意圖。黃土隧道采用臺階法施工。下半段開挖時，鋼架接頭處于懸空狀態(tài)，鎖緊錨(管)在整個下半段開挖和鋼架安裝過程中保持鋼架處于穩(wěn)定狀態(tài)。上臺階開挖，下臺階開挖，設置鎖定錨桿(管)，鎖定錨桿的作用機理，鋼框架的簡化應力圖，利用結構力學和彈性基礎梁建立鋼框架和鎖定錨桿的力學計算模型。拱的彎矩公路隧道設計規(guī)范(JTG D70-2004)(第14.6.3條)、鐵路隧道設計規(guī)范(TB10003-2005 J449-2005)(第7.3.1條)以及日本、歐洲和美國的軟弱地層隧道等。這突破了目前國

13、內外的設計規(guī)范！根據黃土的特性和黃土隧道的變形規(guī)律，提出了“快速開挖、快速支護、快速封閉、二次襯砌仰拱和側墻基礎緊跟、二次襯砌及時施工”的施工原則。強調快速開挖、快速初期支護，同時要盡快增設鎖定錨(管)或擴大踏步拱腳、快速初期支護仰拱、二次襯砌仰拱和側墻基礎。當初期支護變形過大時，應及時加固初期支護或采取輔助加固措施。在初期支護的作用下，當圍巖基本穩(wěn)定時，進行二次襯砌。確保施工安全！確保結構穩(wěn)定！加快項目進度！雙車道黃土隧道施工技術，每個周期為0.6 m，每天可完成兩個周期，最高月進度為42m，平均月進度為36 m。從沉降控制、工期、施工難度和成本等方面，對各種施工方法進行了對比分析，提出大跨

14、度黃土公路隧道淺埋洞口宜采用雙側導洞法施工，深埋隧道體宜采用三步七步開挖法施工。三步七步開挖法，每個周期為兩樁，一樁為0.75米，兩個周期可在26小時內完成，最高月進度為80米，平均月進度為76米。大跨度黃土隧道施工技術、 公路隧道施工技術規(guī)范(JTJ042-94)(第14.3條)(JTG F60-2009)(第16.3條)鐵路隧道施工規(guī)范(TB10204-2002 J163-2002)客運專線鐵路隧道施工技術導則，補充和完善了現行施工技術規(guī)范，克服了黃土隧道二次襯砌變形大、易坍塌、早期開裂等技術難題。黃土隧道施工技術，5工程應用，隧道與上下線路分開，上線路長度為1660米，下線路長度為169

15、0米。天恒山隧道位于哈爾濱繞城高速公路(高含水量粘土隧道)，已在5個工程和5個工程中得到應用。最大埋深僅25米，最大開挖寬度16.8米，高度12.1米，開挖面積163平方米，塑性含水量高達16.6330.90。有三大工程難點，淺埋、大跨度和大斷面。成孔困難，灌漿效果差，抗拔力低。在高含水量的粘性土中很難施工錨桿。有人比較說，在含水量高的粘土隧道里設置錨桿就像是“在豆腐里插筷子”，沒有什么支撐作用。工程應用、原設計支持示意圖、變更設計示意圖、工程應用，天衡山隧道于2009年10月竣工通車，研究成果應用于該項目，節(jié)約成本4137萬元，確保項目按期完成，具有顯著的經濟效益和社會效益。此外，該結果也適用于許多重大隧道工程。6結論，6結論，從2005年至今已有12年，針對黃土隧道施工中的關鍵問題。主要創(chuàng)新點如下：(1)揭示了黃土隧道的變形規(guī)律，提出了以鋼架為主體的黃土隧道剛性支護理論，突破了以噴錨為主體