黃土隧道支護(hù)設(shè)計與關(guān)鍵施工技術(shù)（共56頁）

1、黃土隧道支護(hù)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(hù)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

2、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(qiáng)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(hù)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(jī)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(hù)結(jié)構(gòu)型式黃土隧道施工方法機(jī) 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

3、時間任務(wù)來源1黃土隧道支護(hù)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(hù)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(hù)機(jī)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

4、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(jìn)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(yuǎn)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

5、，二次襯砌仰拱和邊墻基礎(chǔ)要緊跟，并及時進(jìn)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(hù)理念。 拱部沉降值遠(yuǎn)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(hù)、仰拱及時施作等控制沉降變形鎖腳錨桿、擴(kuò)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(kuò)

6、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(dá)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(yuǎn)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(yuǎn)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

7、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(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計黃土隧道支護(hù)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。 大量的試驗研究結(jié)果表明，錨桿在噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)中起著重要作用。 復(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(hù)：錨桿+噴射混凝土+鋼筋網(wǎng) 20世紀(jì)90年代以來，大斷面隧道和復(fù)雜地質(zhì)情況增多，軟巖隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)增設(shè)了鋼架，隧道

8、初期支護(hù)由鋼架、噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)和系統(tǒng)錨桿組成。黃土隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的思考二次襯砌防水層鋼架鋼筋網(wǎng)噴射混凝土系統(tǒng)錨桿 在鋼架條件下系統(tǒng)錨桿支護(hù)效果如何？ 有兩種觀點：作用不大，可以取消；有重要作用，理應(yīng)設(shè)置。無系統(tǒng)研究。在學(xué)術(shù)界和工程界存在很大爭議1 引言 隨著我國公路隧道建設(shè)的發(fā)展，隧道修建的規(guī)模越來越大，有時還會遇到穿越高含水量粘性土隧道。然而對于高含水量粘性土，其內(nèi)摩擦力小、強(qiáng)度低、可塑性強(qiáng)，所以在施工過程中易發(fā)生安全事故。但由于高含水量粘性土隧道在國內(nèi)所遇不多，其配套的支護(hù)技術(shù)并不完善，所以如何采取恰當(dāng)?shù)闹ёo(hù)技術(shù)，將成為隧道界研究的問題。 目前,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(GB500-07-2

9、002)規(guī)定塑性指數(shù)IP10的細(xì)粒土為粘性土;公路土工試驗規(guī)程（JTG E40-2007）則規(guī)定塑性指數(shù)IP0.73(wL-20)及IP4時的細(xì)粒土為粘性土，這一劃分標(biāo)準(zhǔn)基本上與英、美、德、日等國長期采用的卡氏（Casagrande）塑性圖分類法相同。 隧道洞口段淺埋偏壓，系統(tǒng)錨桿穿出隧道洞口段淺埋偏壓，系統(tǒng)錨桿穿出隧道洞口段淺埋偏壓，系統(tǒng)錨桿穿出 （1） 黃土隧道支護(hù)施工工序開挖初噴射混凝土立鋼架掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片安設(shè)錨桿噴射混凝土達(dá)到設(shè)計厚度 安設(shè)錨桿在架立鋼架之后，所以鋼架對圍巖變形的制約，必然會影響到錨桿作用的發(fā)揮。 黃土隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的思考施工存在的問題錨桿不能及時徑向施作，發(fā)揮不了錨固作用

10、。 （2） 黃土隧道施工多采用分部開挖，施工場地狹小。黃土隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的思考施工存在的問題 （3） 在黃土中錨桿施工成孔困難，注漿不易，影響工程進(jìn)度。黃土隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的思考施工存在的問題 錨桿受力的計算分析難度很大，往往人為地假定錨桿支護(hù)的效果提高了圍巖的彈性模量E，黏聚力c和內(nèi)摩擦角。這在黃土中并不是很合理，相反往往由于打入了錨桿反而破壞了黃土的結(jié)構(gòu)，降低了圍巖的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。（與巖石是有區(qū)別的）黃土隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的思考理論計算存在的問題 2005年在吳子高速公路32座黃土隧道現(xiàn)場埋設(shè)了11個測試斷面，埋設(shè)測試元件980多個，測力錨桿47根。 首次對兩車道黃土隧道有、無系統(tǒng)錨桿條件下的結(jié)構(gòu)力學(xué)

11、狀態(tài)和穩(wěn)定性進(jìn)行了現(xiàn)場對比測試及分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)拱部系統(tǒng)錨桿受壓，鎖腳錨桿（管）對控制隧道沉降作用明顯。表明系統(tǒng)錨桿在黃土隧道中支護(hù)效果不顯著。 提出采用 “鋼架+噴射混凝土+鋼筋網(wǎng)+鎖腳錨桿（管）”的新初期支護(hù)結(jié)構(gòu)型式，即取消系統(tǒng)錨桿，增加鎖腳錨桿 。巖石隧道中錨桿作用機(jī)理 對現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)的拱部系統(tǒng)錨桿受壓問題，從土體的變形和錨桿與土體的錨固效果兩方面分析了黃土隧道拱部系統(tǒng)錨桿的作用機(jī)制。懸吊作用加固圍巖支承圍巖組合梁 鋼架架設(shè)在圍巖外側(cè)，發(fā)揮被動支撐作用，屬于外承式，而錨桿伸入圍巖內(nèi)部，利用圍巖承載力，主動加固圍巖，屬于內(nèi)承式，二者支護(hù)機(jī)理截然不同。 淺埋黃土隧道拱部發(fā)生了整體沉降，錨桿并不

12、存在錨固段。 深埋黃土隧道開挖后土體產(chǎn)生了較大塑性區(qū)，目前短而密的系統(tǒng)錨桿也不存在錨固段。 錨桿與土體采用水泥砂漿或藥卷式錨固劑粘結(jié)效果差，黃土隧道錨桿錨固力很小。 錨桿錨固于初期支護(hù)上，拱部系統(tǒng)錨桿受到了土體向下的摩阻力，相當(dāng)于樁承受負(fù)摩阻力，因而拱部系統(tǒng)錨桿受壓。 黃土隧道中錨桿作用機(jī)理錨桿作用機(jī)理懸吊作用加固圍巖支承圍巖組合梁剛架作用機(jī)理加強(qiáng)限制圍巖變形作為超前支護(hù)的后支點承受部分松弛荷載 錨桿是伸入到圍巖內(nèi)部，產(chǎn)生相對位移，利用圍巖自承能力。主動加固圍巖鋼架架設(shè)在圍巖外側(cè)被動支撐作用兩者對隧道支護(hù)的機(jī)理截然不同系統(tǒng)錨桿的作用機(jī)制系統(tǒng)錨桿的作用機(jī)制錨桿作用示意圖 錨桿起到錨固作用的2個前

13、提條件：錨桿與圍巖要有良好的相互黏結(jié)有錨固段 黃土隧道錨桿拉拔力很小，往往只有2030kN。錨固效果差！ 淺埋黃土隧道，地表會產(chǎn)生沉降或裂縫，拱部會發(fā)生整體沉降。拱部系統(tǒng)錨桿不存在錨固段。 淺埋黃土隧道地表產(chǎn)生沉降系統(tǒng)錨桿的作用機(jī)制 深埋大跨度黃土隧道，開挖后土體產(chǎn)生了較大松動區(qū)。目前以“短而密”為設(shè)置原則采用的系統(tǒng)錨桿，并未穿過松動區(qū)。錨桿亦不存在錨固段。 深埋大跨度黃土隧道產(chǎn)生松動區(qū)系統(tǒng)錨桿的作用機(jī)制 黃土隧道開挖后，周圍土體要產(chǎn)生變形，主要包括：（1）應(yīng)力釋放和土體擾動引起的彈性、塑性和松動變形；（2）初期支護(hù)背部因回填不密實而誘發(fā)的土體沉降；（3）采用型鋼鋼架支護(hù)后，其背部因噴射混凝土

14、無法噴到位而誘發(fā)的土體沉降；（4）施工擾動土體后期產(chǎn)生的壓密沉降；（5）地下水位線以下的隧道，因開挖而引起的水位下降，使部分飽和土體變?yōu)榉秋柡偷那饭探Y(jié)土，從而引發(fā)次固結(jié)沉降。系統(tǒng)錨桿的作用機(jī)制 在初期支護(hù)施作后，相對于土體的后續(xù)變形，錨桿是固定不動的，所以在淺埋黃土隧道或塑性區(qū)大的深埋黃土隧道，拱部系統(tǒng)錨桿受到了土體向下的摩阻力，相當(dāng)于樁承受負(fù)摩阻力，因而拱部系統(tǒng)錨桿受壓。系統(tǒng)錨桿的作用機(jī)制鎖腳錨桿的作用機(jī)制鎖腳錨桿（管）穩(wěn)定鋼架示意圖 黃土隧道采用臺階法施工，下半斷面開挖時，鋼架接頭處于懸空狀態(tài)，鎖腳錨桿（管）使鋼架在整個下半斷面開挖和鋼架安設(shè)過程中始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。上臺階開挖下臺階開挖打設(shè)

15、鎖腳錨桿（管）鎖腳錨桿的作用機(jī)制鋼架受力簡化圖 采用結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性地基梁的方法，建立鋼架和鎖腳錨桿力學(xué)計算模型。拱腳的彎矩拱腳的剪力拱腳的軸力鎖腳錨桿的作用機(jī)制鎖腳錨桿受力簡化圖鎖腳錨桿剪力和彎矩分析圖微分方程式： 圍巖中錨桿體的豎向變形、轉(zhuǎn)角 、彎矩 、剪力 的表達(dá)式：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(jī)制鋼架鎖腳錨桿（管）共同作用機(jī)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)創(chuàng)新創(chuàng)建了黃土隧道初期支護(hù)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)價值：提

16、出的以鋼架為主體的黃土隧道剛性支護(hù)理論，突破了 以噴錨為主體的柔性支護(hù)巖承理論。 實踐意義：減少了工序，加快了進(jìn)度，提高了安全性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性， 顯著降低了工程造價。公路隧道設(shè)計規(guī)范（JTG D70-2004）（第14.6.3條）鐵路隧道設(shè)計規(guī)范 （TB10003-2005 J449-2005）（第7.3.1條） 日本、歐美等國家軟弱地層隧道中突破了現(xiàn)行國內(nèi)外設(shè)計規(guī)范！ 傳統(tǒng)襯砌結(jié)構(gòu)型式新的襯砌結(jié)構(gòu)型式4 黃土隧道施工技術(shù) 根據(jù)黃土的特性和黃土隧道變形規(guī)律，提出了“快挖、快支、快封閉，二次襯砌仰拱、邊墻基礎(chǔ)緊跟，二次襯砌適時施作”的施工原則。 強(qiáng)調(diào)快速開挖，快速施作初期支護(hù)，同時要增設(shè)鎖腳錨桿（

17、管）或擴(kuò)大臺階拱腳，快速施作初期支護(hù)仰拱，盡早施作二次襯砌仰拱及邊墻基礎(chǔ)。當(dāng)初期支護(hù)變形過大時，應(yīng)及時加強(qiáng)初期支護(hù)或采取輔助加強(qiáng)措施。在初期支護(hù)作用下，圍巖基本達(dá)到穩(wěn)定時施作二次襯砌。 保障了施工安全！保證了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定!加快了工程進(jìn)度!兩車道黃土隧道施工技術(shù)每循環(huán)0.6 m，每天可完成2個循環(huán)，月最高進(jìn)度42m，月平均進(jìn)度36 m。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法從控制沉降、工期、施工難易程度和造價等方面，對比分析了多種施工方法，提出了大跨度黃土公路隧道洞口淺埋段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，洞身深埋段采用三臺階七步開挖法施工。三臺階七步開挖法每循環(huán)兩榀，一榀0.75m，26小時可以完成兩個循環(huán)，月最高進(jìn)度80 m，月平均

18、進(jìn)度76 m。大跨度黃土隧道施工技術(shù)公路隧道施工技術(shù)規(guī)范（JTJ042-94）（第14.3條）公路隧道施工技術(shù)規(guī)范（JTG F60-2009）（第16.3條）鐵路隧道施工規(guī)范（TB10204-2002 J163-2002）客運專線鐵路隧道工程施工技術(shù)指南（TZ 214-2005）（第13.9條）提出了黃土隧道施工原則和施工技術(shù)指南以上規(guī)范涉及黃土隧道的很少，幾乎為空白。補(bǔ)充和完善了現(xiàn)行施工技術(shù)規(guī)范攻克了黃土隧道變形大、易塌方、二次襯砌易早期開裂等技術(shù)難題。黃土隧道施工技術(shù)5 工程應(yīng)用 該隧道為上下行分離式，上行線長1660m，下行線長1690m。 天恒山隧道位于哈爾濱繞城高速公路 （高含水率黏土隧道）5 工程應(yīng)用5 工程應(yīng)用最大埋深僅25m最大開挖寬度16.8m，高12.1m，開挖面積163m2 可塑性強(qiáng)含水率高達(dá)16.6330.90三大工程難點淺 埋大跨、大斷面高含水率可塑性粘土 成孔困難 注漿效果差 抗拉拔力低高含水率粘性土層中錨桿施工困難高含水率粘性土層錨桿成孔試驗 有人形象比喻在高含水量粘土隧道中打設(shè)錨桿猶如“在豆腐里面插筷子”，支護(hù)作用不大。5 工程應(yīng)用原設(shè)計支護(hù)示意圖變更后設(shè)計示意圖隧道