33郑西客专黄土隧道基础沉降问题研究1.doc

郑西客专黄土隧道基础沉降问题研究杨建民 （铁道第二勘察设计院，成都 610031） 摘 要 ：郑西客专黄土隧道基础的工后沉降是本线的重大技术问题之一， 通过对 黄土隧道的沉降问题进行分析，提出客运专线隧道工程的沉降控制参考标准，并对黄 土隧道基础处理原则及处理措施进行了探讨对郑西客运专线黄土隧道及类似工程设 计具有指导意义关键词 郑西客专 黄土隧道基础 沉降研究1 概述客运专线不同于普通铁路的一个最大的特征之一， 在于线路的高度 平顺性及对线下工程严格的工后沉降要求， 故站前专业的设计重点之一 在于，如何把各种构筑物的工后沉降控制在允许范围之内郑西客专位 于我国黄土分布的核心范围，全线总延长七十七公里隧道，其中五十公 里为开挖面积约163m2的Qs、Q2新老黄土隧道（已建黄土隧道最大开 挖断面不到140 m2,而且修建较少）与以往黄土地区修建的铁路隧道 相比，本线黄土隧道具有断面大、穿黄土段落长、地质复杂的特点郑西客专黄土隧道从工程地质上分具体有以下三个难点： 函谷关隧道全长7851m,为国内最长的黄土隧道，该隧道位于黄土台塬及其斜坡 地带，最大埋深220m，隧道洞身大部分为砂质黄土，稳定性很差 ⑴， 以该隧道为代表的长大砂质黄土隧道修建技术；张茅隧道全长 8483m, 出口 3km 范围黄土隧道位于地下水位线以下，土体含水量超过以往的 富水黄土隧道，达饱和含水量 [2]，施工极其困难，以张茅隧道为代表的长大富水黄土隧道修建技术；阌乡隧道全长 770m,埋深30m,进出口 较长段落均位于湿陷性黄土范围，而且湿陷性土层厚度达 25m⑶，以该隧道为代表的湿陷性黄土隧道基础处理, 是郑西客运专线大跨黄土隧道 修建的又一技术难题。

郑西客运专线黄土隧道的大规模修建,无疑是我 国黄土隧道建设的一个新台阶我国学者对黄土隧道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：随着近些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 105吊）做过较多的研究女口 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” 按《京沪高速铁路设计暂行规定》 （以下简称《暂规》）,路基工后 沉降不应大于5cm,沉降速率应小于2cm/年；对于桥梁墩台均匀沉降量 的容许值规定：对于有碴桥面为 3cm、对于无碴桥面为2cm;涵洞的地 基为软弱黏性土地层时，其工后沉降量不应大于 5cm⑷。

而《暂规》对 隧道只要求底部加仰拱，对沉降并未做明确规定，主要由于隧道是深埋 于地下的封闭结构，土体处于三轴压缩状态，工后沉降量一般很小黄 土隧道同样有沉降问题，隧道结构不同于桥涵、路基，隧道的沉降要求 有其自身的特点据我国学者对黄土的研究，在一定压应力作用下，黄土变形大体有 四种形式：弹性变形、压密变形、塑性变形和蠕变变形黄土是一种天 然状态下结构比较强的土质，常处于欠压密状态，主要为压密变形，而 压密变形又表现为压缩变形和湿陷变形 [5]故当隧道基底为非湿陷性黄 土时，隧道底部黄土变形主要为压缩变形; 当隧道基底为湿陷性黄土时， 必须考虑消除黄土的湿陷性2 已建铁路、公路黄土隧道基础处理情况（1） 以往修建的大量的铁路黄土隧道，当基础为硬塑状为主的 Q2 老黄土， 一般不做处理，但洞身基底遇到软弱夹层或洞口新黄土段容许 承载力很低时，一般采取换填三七灰土措施如神延线长山梁隧道 DK448+190~+350 段基底出现软塑层，采用换填 1m 厚三七灰土处理2） 公路隧道和铁路隧道一样，一般硬塑状为主的黄土未做处理 甘肃省交通厅和长安大学完成的 “土家湾隧道软黄土段地基加固技术试 验研究”，对土家湾隧道含水量较大的软塑状基底采用深层高压旋喷桩 加固，桩的直径0.6m,长度为40~50m （最长的桩53.0m）。

又如新庄岭 隧道采用换填土技术3郑西客专黄土隧道沉降计算采用大型有限差分软件对地基处理的工后沉降进行计算 造成工后 沉降的荷载取为列车荷载与钢轨荷载，按 ZK标准活荷载图示考虑，并 考虑列车的振动造成的动力效应3.1计算工况选取代表性断面如图1图1郑西客专隧道标准洞口纵断面图3.2荷载计算列车及轨道荷载计算根据中活载图（见图2），以及结合实际的设计 图进行计算斗KN/n , , 20DKN^4 64KN/n』“丄、f 仃 \* If ，- 'f和 V vV址 一iMi1,6T 16 f0,8图2标准活载图列车考虑两列车同时作用的不利情况，轨道取 75类型，纵向计算长度取10m在计算列车荷载时，按均布考虑，横向计算长度为11.0m,计算结果如下： 双线隧道的列车荷载：200 4 2 =1600kN;考虑冲击力的影响，取动力系数为 0.8,道板厚度取0.4米；考虑动力系数后的列车荷载：1600 1 • 0.8 A2880kN;均布荷载：64 1—6.4 2 1.8 ；道板重度： 2500 x 9.8 x 0.4 =9.8k%2 ；轨道取75类型，每延米为74.414kg;轨道重度：Y = 74.414 kg/x 9.8 = 0.729%；① 列车荷载R=2880KN;② 列车均布荷载 F2 =2 64 10—6.4 1.8 =829kN；列车的均布应力：p二2880 829 =33.7Kpa;11如0③ 道板荷载 F3 =9.8 10 11 =1078kN；④ 轨道荷载 F4 =0.729*4*10 =29.16kN；轨道及道板的均布应力:p = 1078 29.16 =10.06kPa;1仆103.3隧道暗做段的沉降计算3.3.1计算方法及模型描述本计算隧道暗挖段选取富村二号隧道的V级黄土加强段， 埋深为10米，根据实际地形建模，先生成初始应力场，施做二次衬砌并且进行隧 底填充（模型上未建道板及轨道），然后追加道板及轨道的荷载，最后 位移置0,追加列车荷载。

暗挖段沿横截面方向左右各取 70m,约5倍洞径左右；隧底以下取 45m;为简化计算隧道纵向长度方向取 10m经过计算验证，该边界选 取是可行的总计划分网格27340个，31460个节点3.3.2施做道板及轨道后的沉降#此处的计算沉降为施做隧底填充稳定后，位移置0,加上轨道及道板的荷载的沉降沉降云图如下图所示Contoui of Y-Di spl acetnentB-4.2303e-003 to -3_5000e-003-3.5000e-0'03 to -3.0000e-003■ -S.OOOOe-OiQS to A 5000^-003I -2B5000e-003 to-2 DOOOe-003=^2.0000e-003 too-1.5000®^003 二-1.5000e-003 to-1_0ID00e-003 ]-1 .OOOOe-003 to -SWOOe-004 |-5.D000e-0D4to D.OOODe+OOOO.OOOOe^OOOto 2 6648e-005 ntervai ® 5s0e-004图3隧道沉降云图为了定量分析沉降，给出了隧道底部填充的左、中、右五个监测点 的沉降情况。

监测点布置如下图图4监测点的布置图表1轨道及道板荷载后隧底填充顶面监测点的沉降 （隧底地基土为黏质黄土 ）指标监测点14253沉降（mm）1.791.841.851.841.79注：该处沉降为轨道及道板荷载单独造成由上表可知，轨道及道板单独作用下隧道填充顶面的最大沉降值为1.85mm3.3.3加上列车荷载的沉降此处的计算沉降为施工完成后，位移置 0,然后追加的列车荷载的 沉降表2列车荷载追加后隧底填充顶面监测点的沉降 （隧底地基土为黏质黄土 ）14253沉降(mm)7.037.147.177.147.03注：监测点如图四所示，该处沉降为列车荷载单独造成由上表可知，列车荷载单独作用下隧道填充顶面的最大沉降值为7.17mm3.4斜切式明洞段的沉降计算3.4.1回填土后的沉降此处的计算沉降为施做二次衬砌及隧底填充稳定后，位移置0，回 填土后的沉降表3回填土荷载追加后隧底填充顶面监测点的沉降 (隧底地基土为黏质黄土 )指标监测点14253沉降(mm)22.322.222.222.222.3注：监测点如图四所示，该处沉降为回填土的荷载单独造成由上表可知，回填土的荷载单独作用下隧道填充顶面的最大沉降值为 22.3mm。

3.4.2施做道板及轨道后的沉降此处的计算沉降为施做隧底填充稳定后，位移置0，加上轨道及道 板的荷载的沉降沉降云图如下图所示表4轨道及道板荷载后隧底填充顶面监测点的沉降 (隧底地基土为黏质黄土 )指标监测点14253沉降(mm)1.461.491.51.491.46注：监测点如图四所示，该处沉降为轨道及道板荷载单独造成由上表可知，轨道及道板荷载单独作用下隧道填充顶面的最大沉降值为1.5mm343加上列车荷载的沉降此处的计算沉降为施工完成后，位移置 0,然后追加的列车荷载的 沉降表5列车荷载追加后隧底填充顶面监测点的沉降 （隧底地基土为黏质黄土 ）指标监测点14253沉降（mm）7.958.058.078.057.95注：监测点如图四所示，该处沉降为列车荷载单独造成由上表可知，列车荷载单独作用下隧道填充顶面的最大沉降值为8.05mm3.5结论根据数值计算的结果，沉降计算得到结论为：（1） 隧道暗做段：轨道及道板单独作用下隧道填充顶面的最大沉降值为 1.85m m;列车荷载单独作用下隧道填充顶面的最大沉降值为 7.17mm2） 洞口斜切段：回填土的荷载单独作用下隧道填充顶面的最大沉降值为 22.3mm； 轨道及道板荷载单独作用下隧道填充顶面的最大沉降值为 1.5mm.；列车荷载单独作用下隧道填充顶面的最大沉降值为 8.05mm.。

4黄土隧道基础沉降现场量测情况对现场已经施工的黄土隧道开展了隧道仰拱填充面的沉降量测工 作，包括砂质黄土隧道、张茅富水黄土隧道、其它无水黏质黄土隧道 根据截至目前的量测结果，仰拱填充面处一般几个月内沉降趋于稳定， 沉降值均未超过10mm下表为部分隧道仰拱填充面自浇注时开始量测，到沉降稳定时的累计沉降量表6郑西线部分黄土隧道仰拱填充面沉降量测资料隧道名称里程浇注时间沉降稳定 时间累计稳定沉降值（mm）地质 特点张茅DK226+9502006-5-132007-1-15。