大斷面黃土隧道施工方法

及監(jiān)控量測技術長安大學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，保護環(huán)境和根除病害，在我國高等級公路建設中，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，在勘測設計、施工方法、防水排水和運營防災等技術方面有了很大進展。作為隧道建設經(jīng)驗的總結和進一步推動隧道建設的發(fā)展，交通部相繼編寫了《公路隧道設計規(guī)范》、《公路隧道施工技術規(guī)范》、《公路隧道通風照明設計規(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術界的重視。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、大斷面和扁坦狀以及防水等級較高，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計施工方法的特殊性，鐵路隧道業(yè)已達成廣泛共識的優(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是否合理有效？一系列的問題都值得工程技術人員研究與思考。在此我就上述問題結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：1．大斷面黃土隧道監(jiān)控量測技術。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量控制。4．大斷面黃土隧道病害處治技術。1大斷面黃土隧道監(jiān)控量測技術現(xiàn)場監(jiān)控量測作為理論研究與工程設計施工不可分割的重要部分，歷來受到工程界和學術界高度重視。從開挖支護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，測試技術在隧道工程建設中起到十分重要的作用：一方面可以指導本工程的設計施工，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

1.2.1測試目的及內容我國鐵路部門在20世紀70～80年代曾對小跨度的黃土隧道圍壓規(guī)律進行過專項研究，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外的應用實踐上是個空白，設計中僅僅是憑借以往的經(jīng)驗進行，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，對其進行全面系統(tǒng)的測試研究，在國內外應屬首次，對優(yōu)化黃土公路隧道的設計施工有重要的指導意義，也是對該學科的重要貢獻。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比例及內力特性；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測試元件埋設鋼弦式測試元件構造簡單，測試結果比較穩(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。考慮到施工可能對引線及元件造成破壞，測試元件埋設較多，巉柳高速公路每個隧道均埋設了兩個斷面，共六個斷面，為與以前數(shù)值仿真結果作對比，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變計。測試元件質量的好壞直接關系到現(xiàn)場測試的成敗，其檢驗標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、引線質量、初讀數(shù)穩(wěn)定性等方面。元件標定是指采用試驗的方法、測定力（應變）與輸出信號之間的關系曲線，測試結果再以此曲線反查出力（應變）。標定方法有液壓標定、氣壓標定、砂壓標定等幾種，其中油壓標定最為常用。測試元件布設注意事項:壓力盒讀數(shù)能否真正代表埋設點的土壓力值，與壓力盒埋設方法有很大關系，埋設方法不當，甚至會使量測“誤差”變成“錯誤”，故現(xiàn)場測試中應高度重視，壓力盒埋設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，埋設時首先在埋設位置挖一深約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安裝時，加強引線和探頭的保護，記錄下安裝就位后的頻率作為初始頻率。二襯混凝土應變在拱圈內用環(huán)向U型支架固定，盡量使其與相應位置二襯內外表面切線相平行。

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

2大斷面黃土隧道圍巖壓力及襯砌受力特性

2.1圍巖壓力

2.1.1土家灣隧道圖2－1拱部圍巖壓力時間變化曲線圖2－2墻部圍巖壓力時間變化曲線

圖2－3仰拱圍巖壓力時間變化曲線

圖2－401年7月6日圍巖壓力分布（kPa）

圖2－502年3月13日圍巖壓力分布（kPa）2.1.2新莊嶺隧道

圖2－6拱部圍巖壓力時間變化曲線

圖2－7墻部圍巖壓力時間變化曲線

圖2－8仰拱及二襯底部壓力時間變

圖2－901年6月13日圍巖壓力分布（kPa）圖2－1001年6月23日圍巖壓力分布（kPa）

2.1.3白虎山隧道

圖2－13拱部圍巖壓力時間變化曲線

圖2－14墻部圍巖壓力時間變化曲線

圖2－15仰拱及二襯底部壓力時間變化曲線

圖2－1601年6月23日圍巖壓力分布（kPa）圖2－1701年7月7日圍巖壓力分布（kPa）

2.1.4青土峴隧道

圖2－20拱部圍巖壓力時間變化曲線

圖2－21墻部壓力時間變化曲線

圖2－22仰拱及二襯底部壓力時間變化曲線

圖2－2302年11月16日圍巖壓力分布(kPa)

2.2格柵拱鋼筋軸力2.2.1土家灣隧道

圖2－24格柵拱鋼筋軸力時間變化曲線

2.2.2新莊嶺隧道圖2－25格柵拱鋼筋軸力時間變化曲線

2.2.3白虎山隧道圖2－26格柵拱鋼筋軸力時間變化曲線

2.2.4青土峴隧道

圖2－27格柵拱鋼筋軸力時間變化曲線

2.2.3

二襯壓力和應變2.2.3.1

土家灣隧道

圖2－28二襯應變時間變化曲線

圖2－2901年7月6日二襯應變分布（1.0E-6）圖2－3002年3月13日二襯應變分布（1.0E-6）

2.3.2新莊嶺隧道

圖2－31二襯壓力時間變化曲線

圖2－32二襯應變時間變化曲線

圖2－3301年11月22日二襯壓力分布（kPa）圖2－3402年3月13日二襯壓力分布（kPa）

圖2－3501年11月22日二襯應變分布（1.0E-6）圖2－3602年3月13日二襯應變分布（1.0E-6）

2.3.3白虎山隧道

圖2－37二襯壓力時間變化曲線

圖2－38二襯應變時間變化曲線

2.3.4青土峴隧道

圖2—41二襯壓力時間變化曲線圖2—42二襯應變時間變化曲線

2.4小結1．土家灣隧道和青土峴隧道測試斷面埋深較淺，盡管地表面在隧道施工期間出現(xiàn)沿單洞走向的兩條裂縫，但由于對地表裂縫采取了處理措施，地表水未浸入隧道周圍土體，圍巖壓力、二襯受力及格柵拱鋼筋軸力在整個測試期間并未出現(xiàn)突然變化的情況。新莊嶺隧道則由于埋深相對較大，對地表裂縫未能采取及時處理措施，致使地表水浸入隧道周圍土體，引起圍巖壓力、二襯受力及格柵拱鋼筋軸力發(fā)生突然變化。白虎山隧道埋深最大，地形陡峭，盡管現(xiàn)場調查未能發(fā)現(xiàn)明顯裂縫，仍可能有水浸入隧道周圍土體，引起隧道襯砌結構受力發(fā)生變化。

2．四座隧道均出現(xiàn)拱部襯砌個別位置壓力較大情況，說明在大跨徑黃土公路隧道施工中，都有可能發(fā)生局部坍塌。從巉柳高速公路三座隧道圍巖壓力分布時間變化圖可知，隨著時間的推移，圍巖壓力都趨向于均勻分布，襯砌結構的偏壓狀態(tài)將得到改善。白虎山隧道圍巖壓力分布并不呈現(xiàn)“貓耳朵”形態(tài)，這與埋深有關，土家灣隧道、新莊嶺隧道和青土峴隧道圍巖壓力分布形態(tài)呈“貓耳朵”形，但土家灣隧道圍巖壓力分布與另外兩座隧道有些差別。

3.從測試結果和地表出現(xiàn)裂縫情況看，土家灣隧道、新莊嶺隧道和青土峴隧道所受圍巖壓力為松動壓力，白虎山隧道所受圍巖壓力則為形變壓力，在嚴格按照“管（桿）超前、少擾動、短進尺、留核心、強支護、早封閉、勤量測”施工原則的埋深較大土質較好白虎山隧道施工中，坍落體和承載拱不會出現(xiàn)，隧道襯砌承受的是由于周圍土體擠壓襯砌而產(chǎn)生的形變壓力，故其按實測值推算結果與按基于彈塑性理論的卡柯公式相當一致。

4.土家灣隧道埋深較淺，加之墻角底部及仰拱底部進行了加固處理，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，應對墻底部軟弱地基進行加固處理，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、提高隧道襯砌結構的承載能力和維護隧道結構長期穩(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構。5．土家灣隧道和新莊嶺隧道二次襯砌在拱頂附近測試位置呈現(xiàn)受拉特性，而白虎山隧道則呈現(xiàn)完全受壓特性，且其二襯應變各個位置相差較小。青土峴隧道二襯呈現(xiàn)完全受壓特性，且墻部應變較小。新莊嶺隧道二襯垂直荷載分擔比例為10.5%，白虎山隧道二襯垂直荷載分擔比例為8.9%，青土峴隧道二襯垂直荷載分擔比例為8.5%。說明在現(xiàn)有黃土公路隧道兩層模筑混凝土設計施工中，二次襯砌承受荷載相對較小，其設計計算方法與“新奧法”二襯設計有較大區(qū)別。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)調效應”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構前期穩(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。地表水浸入隧道周圍土體，使得新莊嶺隧道格柵拱外側鋼筋受拉。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大斷面黃土隧道施工技術

3.1概述

根據(jù)黃土地區(qū)隧道所處的地質條件，結合課題研究內容，我們將黃土地區(qū)隧道按縱斷面地層土石分布劃分為純黃土隧道及核心部分為泥巖的黃土隧道兩大類。1．1.純黃土隧道2．2.核心部分為紅色泥巖的黃土隧道3.2大斷面黃土隧道施工技術3.2.1大斷面黃土隧道開挖方法根據(jù)不同性狀黃土及泥巖的力學特性及穩(wěn)定性狀況，為適應地質條件差，斷面大，對初期支護施工的不利影響，減少隧道及地表的下沉量，隧道開挖均選用上下臺階開挖法與側壁導坑法相結合的方式，并輔以超前小導管、大管棚超前支護及鎖腳錨管等措施，按照“短進尺、少擾動、緊封閉、勤量測”的原則，各道工序緊密銜接，環(huán)環(huán)緊扣，隨挖隨支，保證隧道初期支護的結構穩(wěn)定與施工安全。針對不同的黃土公路隧道具體采用的方法如下：

1．方法一：雙側壁導坑先拱后墻法。

2．方法二：雙側壁大導坑全斷面開挖法。

3．方法三：雙側壁導坑先墻后拱反臺階法。

隧道開挖工序

馬口開挖程序圖3-1雙側壁導坑先拱后墻法

圖3-2雙側壁大導坑全斷面法開挖法

圖3-3雙側壁導坑先墻后拱反臺階法

2.2.2不同開挖方法施工過程數(shù)值模擬

圖3-5純黃土隧道（方法一）最終狀態(tài)最大主應力/Pa

圖3-6純黃土隧道（方法一）最終狀態(tài)最小主應力/Pa

圖3-7純黃土隧道（方法一）最終狀態(tài)塑性區(qū)

圖3-9泥巖段（方法三）最終狀態(tài)最大主應力/Pa

圖3-10泥巖段（方法三）最終狀態(tài)最小主應力/Pa

圖3-11泥巖段（方法三）最終狀態(tài)破壞區(qū)

3.2.3開挖方法優(yōu)缺點比較

從圍巖壓力、支護受力和施工便利角度看，各種施工方法均存在一定的優(yōu)缺點。方法一可實現(xiàn)上下斷面各工班平行作業(yè)，施工進度較快，勞動力安排連續(xù)，作業(yè)人員無安全恐懼，二次襯砌發(fā)揮作用早，缺點是：一次襯砌下沉量較大，拱面結合處砼質量不易保證，仰拱封閉速度較慢；方法二，施工進度相對較慢，一次襯砌砼發(fā)揮作用速度滯后，砼澆筑難度大，施工安全性相對較差，優(yōu)點為一次襯砌整體受力好，仰模封閉速度較快；方法三，優(yōu)點為隧道下沉變形小，缺點為施工工序相互干擾大，進度慢，勞動力布置不連續(xù)（不能形成流水作業(yè)），施工安全性差。

3.2.4開挖方法改進1.拱腳處增設鎖腳錨管，在上半斷面拱架下部每側增設二根2.5m長42鎖腳錨管，減少拱腳下沉。2.縮短上臺階長度，以利下半斷面及后期工序及時施作；3.預留沉降量由15cm加至20cm。4.黃土公路隧道防排水施工方法優(yōu)化前方案

優(yōu)化后方案圖3-12防排水優(yōu)化方案

3.3大斷面黃土隧道質量控制

通過已建成的黃土隧道如祁家大山隧道、新莊嶺隧道等變形的長期觀測資料及對車道嶺隧道、坡兒川隧道病害調研資料分析，課題組認為：黃土隧道質量檢驗評定指標應在《公路工程質量檢驗評定標準》隧道部分要求的基礎上進行適當調整。具體為：

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前，局部已發(fā)生少量坍塌，雖可設立臨時木支撐，但一般很難控制在150mm以內，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)定要求進行處理。

3．原來隧道襯砌實測項目中斷面尺寸高度規(guī)定為不小于設計。隧道襯砌完成后，由于隧道地基軟弱，再加上隧道周邊地下水發(fā)生遷移后水文地質條件的變化，隧道往往會發(fā)生繼續(xù)沉降現(xiàn)象。如新莊嶺隧道由于地表農(nóng)灌水的入滲造成隧道側墻在通車4個月后最大沉降量為7.3cm。故課題組認為：隧道襯砌高度檢驗時，只需隧道襯砌不侵入凈空限界，對拱頂圓弧形襯砌的高度指標作適當放寬（該部位主要布設縱向射流風機，一般風機底部與限界保留20cm富余量），建議對拱頂高度檢驗標準中由不小于設計改為—5cm。

4．原來在洞身支護襯砌基本要求8.4.1.4中規(guī)定支護與襯砌應與圍巖結合牢固，回填密實。但在我省黃土公路隧道施工及探地雷達檢測中，雖然襯砌厚度普遍超過規(guī)定值，但往往在拱頂存在砼不密實帶及少量小空洞，特別在拱頂土體軟弱初次襯砌又采用礦山法人工澆筑砼的情況下，問題尤為突出。由于工作空間狹窄，砼又從掌子面30cm空隙向已襯砌段回灌，加之受支撐拱架阻擋及砼自身流動及塌落，該部位砼質量很難得到保證，雖然可采取事后壓漿的方式彌補，但局部很難達到預期效果。故建議作適當放寬，規(guī)定不密實帶連續(xù)長度不能超過5m或10m2，空洞不超過2m2，

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以內較為符合實際情況。3.4新莊嶺隧道施工實例分析

圖3-14新莊嶺隧道施工與循環(huán)網(wǎng)絡圖

4大斷面黃土隧道病害處治技術4.1大斷面黃土隧道病害類型1．襯砌開裂2．洞頂?shù)魤K、塌方3．滲水漏水4．地表變形（裂縫、陷穴、溶洞）5．拱頂下沉4.2大斷面黃土隧道病害處治技術

1.洞身滲水、漏水病害處治2.洞頂?shù)魤K、坍塌的處治

3.襯砌開裂4.地表變形（裂縫、陷穴、溶洞）的處治5.軟黃土地基的處治

5結語我們結合大量已建和在建實體工程，通過大規(guī)模的現(xiàn)場實測、有限元仿真計算及大量現(xiàn)場調查，對黃土公路隧道的監(jiān)控量測技術、圍巖壓力特性、施工及病害處治技術等進行了深入系統(tǒng)的研究，得出如下主要研究結論：

1．測試結果表明，黃土公路隧道施工中土體有局部坍塌的