黄土隧道设计.doc

第十六章第十六章 黄土隧道设计黄土隧道设计第一节第一节 黄土的基本特征黄土的基本特征一、我国的黄土分布一、我国的黄土分布黄土是一种第四世纪松散堆积物，因其具有特殊的成分和性质而在工程地质中占据特殊的地位我国黄土地区主要分布在陕西、山西、河南、河北、山东、内蒙古、辽宁、吉林、新疆、青海、甘肃、宁夏等 12 省和自治区，覆盖面积达 64 万平方公里，是国土面积的6.6%我国黄土分布区域如图 16-1-1我国铁路路网中，经过黄土地区的有陇海、大秦、宝中、神延、神朔、西延、朔黄等铁路线，郑州至西安铁路客运专线所经过的黄河中游黄土高原地区，因黄土分布广，层序全而最具典型性图图 16-1-116-1-1 中国黄土分布区域图中国黄土分布区域图二、黄土地貌特征二、黄土地貌特征黄土地貌一般可分为“塬、梁、峁”三大类型，以及河谷阶地、冲积洪积平原等1）黄土塬：具面积较大的平坦高地，有陡峻的边缘，通常由黄土所构成，在黄土塬顶部表层广泛分布着黄土质土2) 黄土梁：地形呈长条状的垄岗，两旁夹以深谷，垄岗高度大体保持一致，也是由黄土所构成，但也有少数上更新统和全新统新近堆积的黄土质土，如陇中、陇东、陕北、晋南、柴达木盆地香日德附近等地区。

3) 黄土峁：指个体独立或连续的黄土丘陵，由于地形严重切割，沟谷斜坡地带往往分布着新近堆积的湿陷性大的黄土质土4) 河谷阶地：包括现代河流的河漫滩、超漫滩、低级阶地、高级阶地及河谷范围内的各种斜坡地带以及河谷两侧的一些沟谷等地貌5) 冲积洪积平原：分布着全新统的黄土质土，一般具有较弱的湿陷性，当含粘土颗粒较多时，湿陷性较小或无湿陷性，如关中、河南、河北等黄土冲积洪积平原三、黄土的物理、力学特征三、黄土的物理、力学特征（一）黄土的地层划分（一）黄土的地层划分黄土是第四纪以来在干旱、半干旱气候条件下陆相沉积的一种特殊土，土颗粒成分以粉粒为主，富含钙质、呈棕黄、灰黄或黄褐色，具有大孔性的大陆沉积物，黄土包括老黄土和新黄土老黄土是下更新统的午城黄土(Q1)和中更新统的离石黄土(Q2)的统称，其大孔结构多经压密，一般没有湿陷性或仅在 Q2 黄土的上部有轻微湿陷性覆盖在上述黄土上部及阶地上的上更新统马兰黄土(Q3)及全新统的新近堆积黄土(Q4)，称为新黄土，土质均匀，较疏松，大孔和虫孔发育，具垂直节理，有较严重的湿陷性我国各层黄土形成时代和成因如表16－1黄土的地层划分和特性黄土的地层划分和特性 表表 1616－－1 1年 代黄 土 名 称成 因备 注近期新 近 堆 积以水成 为主杂乱无章，具不均匀 性高压缩性、强湿陷 性全新世 (Q4) 早期晚更新世(Q3)马兰黄土新 黄 土一般湿陷 性 黄 土浅黄，一般 具湿陷性中更新世(Q2)离石黄土早更新世(Q1)午城黄土老黄 土非湿陷性黄土风成 为主褐红，一般不具湿陷 性或在高压下具轻微 湿陷性（二）（二）黄土的物理、力学特征黄土的物理、力学特征一般老黄土的抗剪强度比新黄土高，尤以粘聚力 c 最为明显。

就原状黄土的各向异性而言，由于垂直节理及大孔隙的存在，使得原状黄土的强度随方向而异风积黄土的抗剪强度水平方向最大,垂直方向最小；冲积、洪积黄土垂直方向最大，水平方向最小就含水量的影响看，黄土的抗剪强度随含水量增大而剧烈降低，当含水量接近塑限时，强度降低减慢一般而言，黄土的 φ 值介于 19o 至 42o 的范围之内，c 值介于 10 至 110 kPa 之间黄土浸水后在外荷载或土的自重作用下，发生的下沉现象称为湿陷根据性质又可分为自重湿陷和非自重湿陷两类自重湿陷是指土层浸水后仅仅由于土的自重发生的湿陷；非自重湿陷是指土层浸水后，由于自重及附加压力的共同作用而发生的湿陷一般用相对湿陷系数 δ 判别黄土是否具有湿陷性湿陷试验可以在实验室用普通固结仪完成当δsh≥0.02 时为湿陷性黄土黄土湿陷原因，是黄土浸水时胶结物质发生化学和物理化学反应，使结构强度降低；其湿陷的条件是黄土中存在孔隙直径大于周围颗粒直径的架空结构湿陷性黄土对工程建设的影响最为显著一般湿陷性黄土主要分布在表层，以新黄土及新近堆积的黄土为主，其厚度—般在 20m 以内，而郑州至西安铁路客运专线所经过的三门峡地区湿陷性黄土厚度最大达到 35m。

黄土的水理性质包括：渗透性、收缩与膨胀性、崩解性等由于黄土的各向异性，一般垂直方向的渗透性大于水平方向；此外，粘粒含量越多，其透水性越差一般黄土的渗透系数 κ 约为 i×10～10m/s,老黄土的渗透系数约为 i×10～10 m/s黄土遇水膨胀，2335干燥后又收缩，多次反复容易形成裂缝和剥落由于黄土的堆积作用，其水平方向的收缩量比垂直方向大，一般大约 50% ～100%各类黄土的崩解性相差较大，新黄土浸水后会完全崩解，老黄土则要经过一段时间后才全部崩解，午城黄土浸水后基本不崩解第二节第二节 黄土隧道的工程特征黄土隧道的工程特征一、黄土隧道研究现状一、黄土隧道研究现状黄土隧道的工程特征，由于黄土特殊的物理力学性质，而表现出与普通岩石隧道相当大的差异在黄土隧道建设的历史过程中，设计院、科研院校以及施工单位结合黄土的特性对黄土隧道的工程特征进行过大量研究工作：铁路部门：上世纪六十年代铁道部成立黄土双线隧道现场设计研究组，对陇海线三门峡～潼关段 13 座出现裂缝的黄土双线隧道进行试验研究；八十年代铁科院在大秦线对浅埋黄土隧道做过大断面开挖与喷锚支护的研究；1989 年中铁隧道局主持“浅埋黄土质双线铁路隧道施工新技术”研究；九十年代修建的宝中线、神延线、神朔线、西延线、朔黄线等出现了大量的单线及部分双线黄土隧道，神延铁路公司与西南交通大学“黄土隧道施工研究”；1999 年铁一局主持“大跨度黄土隧道新奥法施工综合技术研究”。

公路部门：随着近年西北高速公路的大量修建，公路系统针对双车道公路隧道（开挖断面 105m2）做过比较多的研究如 2000 年～2001 年甘肃省交通厅与长安大学“公路黄土隧道围岩特性及支衬结构受力性状研究” ；黄陵延安高速公路公司与长安大学“黄土隧道结构设计与施工控制研究” 在黄土隧道基础加固方面，甘肃省交通厅与长安大学及中铁 19 局完成“土家湾隧道软黄土地基加固技术试验研究” 西安理工大学水电学院教授刘祖典编著的《黄土力学与工程》一书，总结了大量的研究成果，对黄土力学与工程建设进行了深入细致的分析研究二、黄土隧道典型工程特征二、黄土隧道典型工程特征通过以上长期的试验、研究和工程实践，可以将黄土隧道的主要工程特征概括归纳为以下几个方面：( (一一) )黄土隧道围岩压力特征黄土隧道围岩压力特征1、压力分布规律：黄土双线隧道垂直地层压力在隧道两侧拱部 45º 和起拱线处较大，向拱顶逐渐递减，可能成一反拱形分布；2、侧向压力系数：拱部有较大的侧向压力，侧向压力系数范围 λ＝0.5～0.8，墙部侧向压力较小；3、豫西（郑西客专范围）黄土隧道土体破裂角，破裂面起点调查揭示在拱脚，为折线，可能有多条，但主要的只要一条，角度 58°～ 63°；4、黄土双线隧道的土体破坏一般不能形成所谓的普氏压力拱，岩石隧道设计采用的普氏理论与黄土隧道的实际压力分布不符。

二）黄土隧道初期支护的变形特征（二）黄土隧道初期支护的变形特征1、黄土隧道初期支护收敛变形量较岩石隧道大，且底鼓现象严重；2、黄土隧道初期支护的变形量与黄土性质（如新老黄土） 、洞室跨度，尤其是土体的含水量有着密切的关系隧道开挖后洞室变形具有“三大、三小”的特点：新黄土变形量大，老黄土变形量小；大跨洞室变形量大，小跨度洞室变形量小；土体含水量大时变形量大，土体含水量小时变形量小变形的主要表现形式为初期支护的整体下沉黄土隧道变形发展的规律性很强现以双车道高速公路隧道台阶法开挖工程为例，现场施工监控量测资料表明，初期支护的变形发展一般分为三个阶段：第Ⅰ阶段：上导坑开挖后 1～3 天，变形（下沉）小，拱部仅轻微下沉拱脚轻微内移，变形量一般为 1～３cm第Ⅱ阶段：迅速发展阶段，该阶段从下半断面落底挖边墙马口开始，洞室变形发展迅速，变形量往往达到 3（无水）～20cm（有水） 第Ⅲ阶段：变形趋于稳定阶段，该阶段从仰拱初期支护封闭成环，仰拱模筑混凝土施工完成后开始，至二次拱墙模筑衬砌施工完成止施工量测表明，该阶段变形（沉降）趋于稳定隧道开挖后总的变形量值和迅速变形阶段结束的时间，完全受控于仰拱封闭的时间，仰拱早封闭则总变形量小，仰拱晚封闭则总变形量大。

黄土隧道初期支护变形量与仰拱施作时间的关系如图 16-2-1：图图 16-2-116-2-1 初支变形量与仰拱施作时间关系初支变形量与仰拱施作时间关系（三）围岩的含水量是影响围岩稳定、支护变形量的重要因素（三）围岩的含水量是影响围岩稳定、支护变形量的重要因素根据陕西省交通厅公路勘察设计院的经验，黄土含水量可以分为三个等级，针对不同黄土含水量采用不同的支护、加固措施，如表 16-2-1高速公路黄土含水量与支护关系高速公路黄土含水量与支护关系 表表 16-2-116-2-1序 号黄土含水量 （%）特 征支护参数1≤17天然含水量围岩稳定性好，按普通黄土隧道设计217～26土质变软，施工时仰拱可能 积水围岩较稳定，仰拱开挖后喷砼封闭（5～10cm）326～32水从钻孔中流出，若用手掌 接触开挖面，手掌沾水围岩稳定性差，按有水黄土设计，仰拱紧跟，及时 封闭，支护加强必要时仰拱采用钢花管压浆加固第三节第三节 黄土隧道设计黄土隧道设计一、普速铁路、高速公路黄土隧道设计一、普速铁路、高速公路黄土隧道设计从上世纪六十年代对陇海线三门峡～潼关段 13 座开裂黄土双线隧道进行试验研究，到八十年代铁科院对大秦线军都山隧道进口浅埋黄土段的研究，以及九十年代初我国第一座采用喷锚构筑法设计施工的土质单线长隧道——大寨岭隧道，再到宝兰二线高含水量新松树湾隧道的建成，我国在黄土地区的隧道修建技术也从传统的矿山法逐渐过渡到喷锚构筑法，黄土隧道设计方法与施工工艺亦逐渐走向成熟。

一）普速铁路黄土隧道设计参数（一）普速铁路黄土隧道设计参数近些年我国修建了大量单、双线铁路黄土隧道，在普通单、双线普通断面黄土隧道的设计方面积累了一定的经验表 16-3-1 为神木～延安铁路单线黄土隧道代表性支护参数神木～延安铁路单线黄土隧道支护参数神木～延安铁路单线黄土隧道支护参数 表表 16-3-116-3-1初次衬砌二次衬砌锚杆 φ22钢筋网 φ6钢拱架拱部 墙部仰拱围 岩 级 别喷层 厚度 （cm）长度 （m）间距 （cm）间距 （cm）型号间距 （m）厚度 （cm）厚度 （cm）预 留 变 形 （cm）Ⅴ153.01.020×20I160.5～1.035407Ⅳ102.51.025×25I160.5～1.030355（二）高速公路黄土隧道设计参数（二）高速公路黄土隧道设计参数甘肃、陕西等黄土核心地区近十几年来修建了多条高速公路，出现了大量采用喷锚构筑法设计施工的双车道公路黄土隧道（开挖断面约 100m2） ，同时也完成了许多科研项目针对不同大小的断面，已有了比较合理的支护参数系列表 16-3-2 为黄延高速公路黄土隧道支护参数黄延高速公路黄土隧道支护参数黄延高速公路黄土隧道支护参数 表表 16-3-216-3-2径向锚杆钢筋网钢拱架管棚 φ89围 岩 类 别喷层 厚 度 （cm）直 径 （mm）长度 （m）间距 （m）直 径 （mm）间距 （cm）型号间距 （cm）长度 （m）间距 （cm）二衬厚 度 （cm）预留 变形 （cm）Ⅰ28224.51.08.020I20a5010505515Ⅱ25224.01.08.020I20a755012二、高速铁路黄土隧道设计二、高速铁路黄。