大斷面黃土隧道施工方法及監(jiān)控量測技術(shù)

大斷面黃土隧道施工方法

及監(jiān)控量測技術(shù)長安大學(xué)巖土與隧道工程研究所楊曉華2005年4月15日0前言由于隧道能縮短線路，改善線形，保護(hù)環(huán)境和根除病害，在我國高等級公路建設(shè)中，采用越嶺長隧道方案，將愈來愈成為現(xiàn)實，幾十年來，我國在隧道工程方面積累了豐富的經(jīng)驗，在勘測設(shè)計、施工方法、防水排水和運營防災(zāi)等技術(shù)方面有了很大進(jìn)展。作為隧道建設(shè)經(jīng)驗的總結(jié)和進(jìn)一步推動隧道建設(shè)的發(fā)展，交通部相繼編寫了《公路隧道設(shè)計規(guī)范》、《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》、《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》和《公路隧道勘測規(guī)程》。西部大開發(fā)戰(zhàn)略決策的實施，促進(jìn)了西部地區(qū)高等級公路的發(fā)展，穿越黃土地區(qū)的公路隧道將越來越多。黃土是第四系堆積的陸相沉積物，其特點是具有大孔隙、有垂直節(jié)理和管狀孔道，天然含水量時強度較高，能維持很高的垂直邊坡，但遇水時土顆粒崩解，表現(xiàn)為較強的濕陷性，黃土在我國有著廣泛的分布，分布面積為64萬km2，占國土面積的6.3%。由于黃土分布的廣泛性和典型的工程特性，歷來受到工程界和學(xué)術(shù)界的重視。黃土公路隧道的修建起步較晚，基本借鑒了鐵路隧道在此方面已有的科研成果，公路隧道由于大跨徑、大斷面和扁坦?fàn)钜约胺浪燃壿^高，加之黃土強度較低，開挖擾動后變形大等特點以及由此引起的設(shè)計施工方法的特殊性，鐵路隧道業(yè)已達(dá)成廣泛共識的優(yōu)秀成果對于公路隧道是否依然適用？黃土公路隧道較多采用的兩層模筑混凝土襯砌形式中每個組成部分的荷載特性如何？現(xiàn)有設(shè)計及施工方法的合理性及經(jīng)濟性如何？黃土公路隧道存在那些病害及處治技術(shù)是否合理有效？一系列的問題都值得工程技術(shù)人員研究與思考。在此我就上述問題結(jié)合我們的研究成果從以下四方面簡要介紹一下大斷面黃土隧道施工方法及監(jiān)控量測技術(shù)：1．大斷面黃土隧道監(jiān)控量測技術(shù)。2．大斷面黃土隧道圍巖壓力及襯砌受力特性。3．大斷面黃土隧道施工方法及質(zhì)量控制。4．大斷面黃土隧道病害處治技術(shù)。1大斷面黃土隧道監(jiān)控量測技術(shù)現(xiàn)場監(jiān)控量測作為理論研究與工程設(shè)計施工不可分割的重要部分，歷來受到工程界和學(xué)術(shù)界高度重視。從開挖支護(hù)過程中的施工同步監(jiān)測，到隧道工程營運期的長期受力與變形監(jiān)測，測試技術(shù)在隧道工程建設(shè)中起到十分重要的作用：一方面可以指導(dǎo)本工程的設(shè)計施工，保證施工期間的安全穩(wěn)定；另一方面為今后的工程實踐提供有價值的經(jīng)驗。從埋深、土質(zhì)情況有針對性地選擇了巉柳高速公路白虎山、新莊嶺、土家灣及蘭海高速公路青土峴四座黃土隧道，基本代表了黃土地區(qū)公路隧道類型，以便能夠更加全面地認(rèn)識黃土地區(qū)公路隧道受力與變形特性。1.1依托工程概況

1.土家灣隧道2.新莊嶺隧道3.白虎山隧道4.青土峴隧道1.2測試目的與實施技術(shù)

1.2.1測試目的及內(nèi)容我國鐵路部門在20世紀(jì)70～80年代曾對小跨度的黃土隧道圍壓規(guī)律進(jìn)行過專項研究，取得了一些成果，積累了不少經(jīng)驗，對大跨度黃土公路隧道的圍巖壓力大小及分布特征在國內(nèi)外的應(yīng)用實踐上是個空白，設(shè)計中僅僅是憑借以往的經(jīng)驗進(jìn)行，帶有很大的盲目性。立足于大跨度黃土公路隧道面臨的問題，對其進(jìn)行全面系統(tǒng)的測試研究，在國內(nèi)外應(yīng)屬首次，對優(yōu)化黃土公路隧道的設(shè)計施工有重要的指導(dǎo)意義，也是對該學(xué)科的重要貢獻(xiàn)。通過現(xiàn)場測試，試圖搞清以下幾個問題：1．圍巖壓力的大小和分布特性；2．側(cè)壓力系數(shù)的大小及其分布特性；3．仰拱的受力特性；4．二次襯砌的荷載分擔(dān)比例及內(nèi)力特性；5．格柵拱與澆筑混凝土聯(lián)合使用性能；6．隧道周邊位移與圍巖深部位移。1.2.2測試元件埋設(shè)鋼弦式測試元件構(gòu)造簡單，測試結(jié)果比較穩(wěn)定，受溫度影響小，可用于長期觀測，故現(xiàn)場測試選擇了鋼弦式測試元件?？紤]到施工可能對引線及元件造成破壞，測試元件埋設(shè)較多，巉柳高速公路每個隧道均埋設(shè)了兩個斷面，共六個斷面，為與以前數(shù)值仿真結(jié)果作對比，測試斷面和計算斷面選在同一位置。青土峴隧道測試較晚，在二襯邊墻和仰拱部位補充布置了混凝土應(yīng)變計。測試元件質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到現(xiàn)場測試的成敗，其檢驗標(biāo)定是一項非常重要的環(huán)節(jié)。元件檢驗包括元件防水性能、引線質(zhì)量、初讀數(shù)穩(wěn)定性等方面。元件標(biāo)定是指采用試驗的方法、測定力（應(yīng)變）與輸出信號之間的關(guān)系曲線，測試結(jié)果再以此曲線反查出力（應(yīng)變）。標(biāo)定方法有液壓標(biāo)定、氣壓標(biāo)定、砂壓標(biāo)定等幾種，其中油壓標(biāo)定最為常用。測試元件布設(shè)注意事項:壓力盒讀數(shù)能否真正代表埋設(shè)點的土壓力值，與壓力盒埋設(shè)方法有很大關(guān)系，埋設(shè)方法不當(dāng)，甚至?xí)沽繙y“誤差”變成“錯誤”，故現(xiàn)場測試中應(yīng)高度重視，壓力盒埋設(shè)的一個基本原則是要使得壓力盒承壓面充分發(fā)生撓曲變形。本次現(xiàn)場測試壓力盒全部選用瀝青囊式壓力盒，埋設(shè)時首先在埋設(shè)位置挖一深約2～3cm的圓坑，放入壓力盒，大概使其瀝青囊上面與土面相齊，然后固定壓力盒，對壓力盒施加預(yù)壓力，使其頻率增加5～8個赫茲左右。二襯壓力盒固定在防水層和二襯之間，施加預(yù)壓力，使其頻率增加5～8個赫茲，壓力盒周邊用紗布繞實，以防止二襯混凝土砂塊的嵌入。格柵拱鋼筋計采用焊接的方式固定，焊接時保持探頭溫度不能太高，且在格柵拱運放及洞內(nèi)安裝時，加強引線和探頭的保護(hù)，記錄下安裝就位后的頻率作為初始頻率。二襯混凝土應(yīng)變在拱圈內(nèi)用環(huán)向U型支架固定，盡量使其與相應(yīng)位置二襯內(nèi)外表面切線相平行。

為壓力盒為二襯應(yīng)變計為鋼筋計，花拱架內(nèi)外兩側(cè)各一支，每個位置共兩支。圖1—2多點位移計布置圖

2大斷面黃土土隧道圍巖巖壓力及襯襯砌受力特特性2.1圍巖壓力2.1.1土家灣隧道道圖2－1拱部圍巖壓壓力時間變變化曲線圖2－2墻部圍巖壓壓力時間變變化曲線圖2－3仰拱圍巖壓壓力時間變變化曲線圖2－401年7月6日圍巖壓力力分布（kPa）圖圖2－502年3月13日圍巖壓力力分布（kPa）2.1.2新莊嶺隧道道圖2－6拱部圍巖壓壓力時間變變化曲線圖2－7墻部圍巖壓壓力時間變變化曲線圖2－8仰拱及二襯襯底部壓力力時間變圖2－2.1.3白虎山隧道道圖2－13拱部圍巖壓壓力時間變變化曲線圖2－14墻部圍巖壓壓力時間變變化曲線圖2－15仰拱及二襯襯底部壓力力時間變化化曲線圖2－1601年6月23日圍巖壓力力分布（kPa）圖2－1701年7月7日圍巖壓力力分布（kPa）2.1.4青土峴隧道道圖2－20拱部圍巖壓圖2－21墻部壓力時時間變化曲曲線圖2－22仰拱及二襯襯底部壓力力時間變化化曲線圖2－2302年11月16日圍巖壓力力分布(kPa)2.2格柵拱鋼筋筋軸力2.2.1土家灣隧道道圖2－24格柵拱鋼筋筋軸力時間間變化曲線線2.2.2新莊嶺隧道道圖2－25格柵拱鋼筋筋軸力時間間變化曲線線2.2.3白虎山隧道道圖2－2.2.4青土峴隧道道圖2－27格柵拱鋼筋筋軸力時間間變化曲線線2.2.3二襯壓力和和應(yīng)變2.2.3.1土家灣隧道道圖2－28二襯應(yīng)變時時間變化曲曲線圖2－2901年7月6日二襯應(yīng)變變分布（1.0E-6）圖圖2－3002年3月13日二襯應(yīng)變變分布（1.0E-6）2.3.2新莊嶺隧道道圖2－31二襯壓力時時間變化曲曲線圖2－32二襯應(yīng)變時時間變化曲曲線圖2－3301年11月22日二襯壓力力分布（kPa）圖圖2－3402年3月13日二襯壓力力分布（kPa）圖2－3501年11月22日二襯應(yīng)變變分布（1.0E-6）圖圖2－3602年3月13日二襯應(yīng)變變分布（1.0E-6）2.3.3白虎山隧道道圖2－37二襯壓力時時間變化曲曲線圖2－38二襯襯應(yīng)應(yīng)變變時時間間變變化化曲曲線線2.3.4青土土峴峴隧隧道道圖2—41二襯襯壓壓力力時時間間變變化化曲曲線線圖2—42二襯襯應(yīng)應(yīng)變變時時間間變變化化曲曲線線2.4小結(jié)結(jié)1．土土家家灣灣隧隧道道和和青青土土峴峴隧隧道道測測試試斷斷面面埋埋深深較較淺2．四四座座隧隧道道均均出出現(xiàn)現(xiàn)拱拱部部襯襯砌砌個個別別位位置置壓壓力力較較大大情情況況，，說說明明在在大大跨跨徑徑黃黃土土公公路3.從測測試試結(jié)結(jié)果果和和地地表表出出現(xiàn)現(xiàn)裂裂縫縫情情況況看看，，土土家家灣灣隧隧道道、、新新莊莊嶺嶺隧隧道道和和青青土土峴峴隧隧道道所所受受圍圍巖巖壓壓

4.土家灣隧道埋深較淺，加之墻角底部及仰拱底部進(jìn)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(jìn)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，同時也說明在大跨徑公路隧道中，應(yīng)對墻底部軟弱地基進(jìn)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(zhì)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(yīng)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(jìn)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(jié)構(gòu)的承載能力和維護(hù)隧道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。5．土土家家灣灣隧隧道道和和新新莊莊嶺嶺隧隧道道二二次次襯襯砌砌在在拱拱頂頂附附近近測測試試位位置置呈呈現(xiàn)現(xiàn)受受拉拉特特性性，，而而白白虎虎山山隧隧道道則則呈呈現(xiàn)現(xiàn)完完全全受受壓壓特特性性，，且且其其二二襯襯應(yīng)應(yīng)變變各各個個位位置置相相差差較較小小。。青青土土峴峴隧隧道道二二襯襯呈呈現(xiàn)現(xiàn)完完全全受受壓壓特特性性，，且且墻墻部部應(yīng)應(yīng)變變較較小小。。新新莊莊嶺嶺隧隧道道二二襯襯垂垂直直荷荷載載分分擔(dān)擔(dān)比比例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(yīng)”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，說明格柵拱提高了隧道結(jié)構(gòu)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(dān)。地表水浸入隧道周圍土體，使得新莊嶺隧道格柵拱外側(cè)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(hù)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大斷斷面面黃黃土土隧隧道道施施工工技技術(shù)術(shù)3.1概述述根據(jù)據(jù)黃黃土土地地區(qū)區(qū)隧隧道道所所處處的的地地質(zhì)質(zhì)條條件件，，結(jié)結(jié)合合課課題題研研究究內(nèi)內(nèi)容容，，我我們們將將黃黃土土地地區(qū)區(qū)隧隧道道按按縱縱斷斷面面地地層層土土石石分分布布劃劃分分為為純純黃黃土土隧隧道道及及核核心心部部分分為為泥泥巖巖的的黃黃土土隧隧道道兩兩大大類類1．1.純黃土隧道2．2.核心部分為紅色泥巖的黃土隧道33根據(jù)據(jù)不不同同性性狀狀黃黃土

1．方法一：雙側(cè)壁導(dǎo)坑先拱后墻法。2．方方法法二二：：雙雙側(cè)側(cè)壁壁大大導(dǎo)導(dǎo)坑坑全全斷斷面面開開挖挖法法。。3．方方法法三三：：雙雙側(cè)側(cè)壁壁導(dǎo)導(dǎo)坑坑先先墻墻后后拱拱反反臺臺階階法法。。隧道道開開挖挖工工序序馬口口開開挖挖程程序序圖3-1雙側(cè)側(cè)壁壁導(dǎo)導(dǎo)坑坑先先拱拱后后墻墻法法圖3-2雙側(cè)側(cè)壁壁大大導(dǎo)導(dǎo)坑坑全全斷斷面面法法開開挖挖法法圖3-3雙側(cè)側(cè)壁壁導(dǎo)導(dǎo)2.2.2不同開開挖方方法施施工過過程數(shù)值模模擬圖3-5純黃土土隧道道（方方法一一）最最終狀狀態(tài)最最大主主應(yīng)力力/Pa圖3-6純黃土土隧道道（方方法一圖3-7純黃土土隧道道（方方法一一）最最終狀狀態(tài)塑塑性區(qū)區(qū)圖3-9泥巖段段（方方法三三）最最終狀狀態(tài)最最大主主應(yīng)力力/Pa圖3-10泥巖段段（方方法三三）最最終狀狀態(tài)最最小主主應(yīng)力力/Pa圖3-11泥巖3.2.從圍巖巖壓力力、支支護(hù)受受力和和施工工便利利角度度看，，各種種施工工方法法均存存在一一定的的優(yōu)缺缺點。。方法法一可可實現(xiàn)現(xiàn)上下下斷面面各工工班平平行作作業(yè)，，施工工進(jìn)度度較快快，勞勞動力力安排排連續(xù)續(xù)，作作業(yè)人人員無無安全全恐懼懼，二二次襯襯砌發(fā)發(fā)揮作作用早早，缺缺點是是：一一次襯襯砌下下沉量量較大大，拱拱面結(jié)結(jié)合處處砼質(zhì)質(zhì)量不不易保保證，，仰拱拱封閉閉速度度較慢慢；方方法二二，施施工3.2.4開挖方法改改進(jìn)1.拱腳處增設(shè)設(shè)鎖腳錨管管，在上半半斷面拱架架下部每側(cè)側(cè)增設(shè)二根根2.5m長42鎖腳錨管，，減少拱腳腳下沉。2.縮短上臺階階長度，以以利下半斷斷面及后期期工序及時時施作；3.預(yù)留沉降量量由15cm加至20cm。4.黃土公路隧隧道防排水水施工方法法優(yōu)化前方案案優(yōu)化后方案案圖3-12防排水優(yōu)化化方案3.3大斷面黃土土隧道質(zhì)量控制

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(dāng)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(shè)前，局部已發(fā)生少量坍塌，雖可設(shè)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(jìn)行處理。3．原來隧道道襯砌實測測項目中斷斷面尺寸高高度規(guī)定為為不小于設(shè)設(shè)計。隧道道襯砌完成成后，由于于隧道地基基軟弱，再再加上隧道道周邊地下下水發(fā)生遷遷移后水文文地質(zhì)條件件的變化，，隧道往往往會發(fā)生繼繼續(xù)沉降現(xiàn)現(xiàn)象。如新新莊嶺隧道道由于地表表農(nóng)灌水的的入滲造成成隧道側(cè)墻墻在通車4個月后最大大沉降量為為7.3cm。故課題組組認(rèn)為：隧隧道襯砌高高度檢驗時時，只需隧隧道襯砌不不侵入凈空空限界，對對拱頂圓弧弧形襯砌的的高度指標(biāo)標(biāo)作適當(dāng)放放寬（該部部位主要布布設(shè)縱向射射流風(fēng)機，，一般風(fēng)機機底部與限限界保留20cm富余量），，建議對拱拱頂高度檢檢驗標(biāo)準(zhǔn)中中由不小于于設(shè)計改為為—5cm。4．原來在洞洞身支護(hù)襯襯砌基本要要求8.4.1.4中規(guī)定支護(hù)護(hù)與襯砌應(yīng)應(yīng)與圍巖結(jié)結(jié)合牢固，，回填密實實。但在我我省黃土公公路隧道施施工及探地地雷達(dá)檢測測中，雖然然襯砌厚度度普遍超過過規(guī)定值，，但往往在在拱頂存在在砼不密實實帶及少量量小空洞，，特別在拱拱頂土體軟軟弱初次襯襯砌又采用用礦山法人人工澆筑砼砼的情況下下，問題尤尤為突出。。由于工作作空間狹窄窄，砼又從從掌子面30cm空隙向已襯襯砌段回灌灌，加之受受支撐拱架架阻擋及砼砼自身流動動及塌落，，該部位砼砼質(zhì)量很難難得到保證證，雖然可可采取事后后壓漿的方方式彌補，，但局部很很難達(dá)到預(yù)預(yù)期效果。。故建議作作適當(dāng)放寬寬，規(guī)定

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(jìn)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(jié)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新莊嶺隧道道施工實例例分析圖3-14新莊嶺隧道道施工與循循環(huán)網(wǎng)絡(luò)圖圖4大斷面黃土土隧道病害害處治技術(shù)術(shù)4.1大斷面黃土土隧道病害害類型1．襯砌開裂裂2．洞頂?shù)魤K塊、塌方3．滲水漏水水4．地表變形形（裂縫、、陷穴、溶溶洞）5．拱頂下沉沉4.2大斷面黃土土隧道病害害處治技術(shù)術(shù)1.洞身滲水、、漏水病害害處治2.洞頂?shù)魤K、、坍塌的處處治3.襯砌開裂4.地表變形（（裂縫、陷陷穴、溶洞洞）的處治治5.軟黃土地基基的處治青銀高速雅雅溝隧道入入口發(fā)生黃黃土塌方西安隧道堵堵漏水我國首臺鐵鐵路隧道病病害治理作作業(yè)臺車黃土嶺隧道道內(nèi)鋼架被被撞搶修5結(jié)語我們結(jié)合大大量已建和和在建實體體工程，通通過大規(guī)模模的現(xiàn)場實實測、有限限元仿真計計算及大量量現(xiàn)場調(diào)查查，對黃土土公路隧道道的監(jiān)控量量測技術(shù)、、圍巖壓力力特性、施施工及病害害處治技術(shù)術(shù)等進(jìn)行了了深入系統(tǒng)統(tǒng)的研究，，得出如下下主要研究究結(jié)論：1．測試結(jié)果果表明，黃黃土公路隧隧道施工中中土體有局局部坍塌的的可能，隨隨著時間的的推移，圍圍巖壓力趨趨向于均勻勻分布，襯襯砌結(jié)構(gòu)偏偏壓狀態(tài)將將得到改善善。淺埋隧隧道