浅谈霍永高速公路黄土隧道设计

发布时间：2022-10-05 10:07 热度：

　　摘要：西部大开发战略决策的实施，促进了西部地区高等级公路的发展，穿越黄土地区的公路隧道越来越多。由于黄土的特殊性质，黄土隧道的设计和施工与岩质隧道有很大区别，为了增加设计的针对性，本文依托霍(州)永(和关)高速项目重点论述了山区黄土隧道设计理念、黄土隧道选线应注意的问题、施工方法的选用、不良地质处治、地质超前预报等，并提出目前存在的问题，对黄土隧道设计和施工有借鉴作用。

　　关键词：黄土隧道, 设计, 施工方法

　　中图分类号：U412.36+6 文献标识码：A 文章编号：

　　Abstract: Great western development strategy implementation of the decision promotes the development of the western region of high grade highway, through the loess area highway tunnel more and more. Due to the special properties of the loess, the design and construction of the loess tunnel and rock tunnels have very big distinction, in order to increase the design of specific aim, this paper based on the (state) for (and closed) high-speed project focuses on the design idea, mountainous loess tunnel loess tunnel route problems should be paid attention to, construction method of selecting, bad geological treatment, the geological advanced prediction and so on, and puts forward the existing problems of the loess tunnel a reference for design and construction.

　　Key Words: loess tunnel, the design, construction methods

　　1引言

　　西部大开发战略决策的实施，促进了西部地区高等级公路的发展，穿越黄土地区的公路隧道越来越多。黄土是第四系堆积的陆相沉积物，在我国分布面积为64万km2，占国土面积的6.3%。由于黄土分布的广泛性和典型的工程特性，历来受到工程界和学术界的重视[1]。

　　高速公路黄土隧道主要集中在甘肃、陕西、山西和河南等省。如甘肃境内古高速公路古浪隧道左线全长3014m，右线全长2936m，采用双层模筑混凝土施工;陕西最北部永兴隧道位于神木府谷两县交界处，隧道开挖高度12.19m，最大开挖跨度17.32m，开挖断面达171m2，其中左线全长1328m，右线长1415m，为全国首座大跨度双向六车道分离式黄土隧道;青兰高速陕西境羊泉隧道是西北地区最长的黄土公路隧道，该隧道单洞全长6146m，地质环境恶劣，处于黄土高原地下水位线以下，含水量基本都在22%-28%之间;山西离石隧道是我国第一座黄土连拱隧道，全长180m;霍永高速项目是山西省高速公路网“人字骨架，两纵十一横十一环”主骨架第八横的重要组成部分，是我省中部地区西通陕、甘、宁，东达冀、鲁、豫的重要战略通道。本项目黄土的特点是具有大孔隙、有垂直节理和管状孔道，天然含水量时强度较高，能维持很高的垂直边坡，但遇水时土颗粒崩解，表现为较强的湿陷性。

　　2 黄土隧道主要设计理念

　　2.1隧道衬砌

　　黄土隧道围岩受力特征：衬砌荷载分布不均匀，拱部压力呈现“猫耳朵”分布，拱顶小，拱腰大，拱顶内缘为压应力，拱腰内缘为拉应力;边墙基底压力的大小和边墙混凝土和土体之间的摩擦力有关，摩擦力越大，基底压力越小;边墙的水平荷载均大于拱部竖向荷载;仰拱承受较大荷载，且呈现两边大，中间小的特点[5]。本项目隧道推荐采用受力条件好、断面利用率高的三心圆(曲墙半圆拱)并设置仰拱的形式。复合式衬砌结构具有防水能适应围岩变形和充分发挥围岩自身的承载力、结构安全高的特点，黄土隧道应采用复合式衬砌。

　　根据初期支护承担施工阶段全部荷载，二次衬砌承担由于初期支护劣化、地层蠕变、环境条件变化等引起的附加荷载以及作为安全储备的设计原则，根据黄土隧道围岩压力的特性和已建成的黄土隧道经验与教训，确定了本项目黄土隧道较大刚度的支护、衬砌参数，隧道均采用有仰拱结构，二次衬砌均采用钢筋混凝土结构，提高支护、衬砌结构的安全、可靠性[5]。

　　2.2隧道深浅埋的界定

　　工程界和学术界主要存在两种观点：一种观点认为，在施工中不能保证形成承载拱的深度就可定为深埋和浅埋的分界，这是从松弛荷载的角度进行确定的方法;另一种观点认为，隧道开挖所造成的围岩松弛影响范围不能达到地表的深度，可定义为深、浅埋的分界深度，这是从连续介质力学角度出发的分界标准。对于黄土隧道这类岩土结构相对松散、大孔隙介质而言，深浅埋的分界标准，不仅与隧道周围岩土的物理、力学参数有关，还与隧道断面形状及大小、特别是开挖跨度以及施工方法有着十分密切的关系，涉及因素较多[4]。

　　3 黄土隧道选线应注意的问题

　　3.1 隧道从山体一侧穿过且深切沟谷时，应满足拱肩覆盖层最小厚度要求

　　隧道位置宜向山体侧内移，增加隧道覆盖层厚度，并应避免受河流冲刷。如拱肩厚度过薄，洞内开挖过程中易出现变形过大或拱肩土体坍塌，存在较大的安全隐患。在条件允许的情况下应尽量通过优化路线线形避免此种情况的出现，否则各级围岩地质情况下隧道拱肩最小覆盖层厚度不应小于规范允许值[3]。

　　3.2 应尽量避免桥隧相接

　　桥梁与隧道连接方式有两种:

　　(1)桥隧相叠，即桥梁伸入隧道洞内，桥台也设于洞内。

　　(2)桥隧相接，桥梁在隧道洞外，且洞门与桥台尾部紧邻(间距小于10m)。

　　黄土由于其特殊的物理力学性质决定了桥隧相接时，隧道洞口一般都会产生高边坡和高仰坡，洞口大开挖容易造成边仰坡的失稳，且桥隧相接地段一般不具备修筑明洞的条件，因此施工和运营中的风险较大。在施工中，桥隧相接带来的是隧道与桥台的施工相互干扰，洞门与桥台形式的选择相互影响，施工工序相互交替，施工复杂，在黄土地区桥隧相叠不建议使用，桥隧相接尽量避免[6]。

　　3.3 应尽量避免隧道穿越土石分界或以较短段落穿越土石分界

　　第四纪黄土下伏第三纪砂岩、泥岩或砂泥岩互层，黄土的垂直透水能力较强，砂岩为透水岩石，泥岩基本不透水。

　　(1)下伏砂岩工程性质相对较好，但是施工难度大，必要时需要弱爆破;

　　(2)下伏泥岩时，地下水渗流受阻，在黄土与泥岩分界带附近形成一层饱和黄土，工程性质差，施工难度大。

　　4 黄土隧道施工方法的选用

　　隧道施工主要采用的方法有全断面法、台阶法和分部开挖法及由其变化的开挖方法。在黄土隧道施工中主要采用分部开挖法。分部开挖法主要包括：台阶分部开挖法、CD法、CRD法和DCD法(又称眼镜工法)。下面简要介绍其特点和适用范围。

　　(1)台阶分部开挖法(又称环形开挖留核心土法，可转化为三台阶七步流水作业法)，环形开挖留核心土法是基于台阶法，主要通过预留核心土可使前方土体处于三向受力状态，对稳定开挖面有重要作用，其具有施工进度较快，工序相对较少，作业空间较大，利于机械施工的特点，是目前黄土隧道施工主要的施工方法。

　　(2)侧壁导坑法可衍生为CD法(中隔壁法)、CRD法(交叉中隔壁法) 、DCD法(双侧壁法)，是基于在开挖断面设置临时支撑的分部开挖法，实质是将大断面分成若干小断面开挖，适用于地质差、断面大、地表下沉有严格控制要求的情况，其相比台阶分部开挖法具有更加安全，但工序多、进度慢及投资昂贵的特点。故在新黄土地段、洞口浅埋偏压地段主要采用CRD法和DCD法;洞身老黄土地段采用弧形导坑法，在洞身含水率较大或浅埋地段必要时采用CD法[5]。

　　霍永高速黄土隧道施工中的几个关键数据：核心土长度可在0.5D左右;每循环进尺宜控制在1榀拱架距离;仰拱每次开挖的长度不超过3榀钢拱架间的距离;仰拱距掌子面的距离不得超过30m;洞内二次衬砌距掌子面的最大距离不得超过60m。

　　5 黄土隧道不良地质处治

　　黄土由于其特殊的工程地质特性决定了冲沟、陷穴及落水洞等发育，勘察设计阶段要有效地查明确黄土隧道洞顶陷穴、冲沟和落水洞等的位置，分析对隧道施工及运营的影响，并提出处治范围和处治措施。下面简要介绍下洞顶陷穴、冲沟、落水洞的处理方法：

　　(1)冲沟采用碎石土回填，从上到下分层夯实，顶层采用浆砌片石铺砌，并设置地表水引排措施，防止地表水对隧道围岩的切割和冲刷。

　　(2)陷穴采用老黄土回填，从下向上分层夯实，顶层采用C15混凝土封口。

　　(3)落水洞，又称“黄土喀斯特”，是Q3地层的典型特征之一。处理前首先找到进、出口并进行封堵，浅层落水洞采用开挖回填法，深层落水洞采用灌砂法或水泥注浆法。

　　6 黄土隧道地质超前预报

　　黄土隧道的地质变化相对较小，主要采取地质调查法，掌子面的土质分析、地表变形分析的方法进行地质预报;在土石交界面处要辅以物探、超前钻探等方法，探明掌子面前方的地质变化情况，也应注意隧道顶部上覆地层的地质情况(这种情况下隧道拱顶易塌方)[3]。黄土隧道采用物探法进行超前地质预报有其局限性，黄土具有大孔隙，土质不均匀致密或者疏松，层理不明显等特征，故地质雷达和TSP所产生的波在黄土中衰减较快，地质雷达在黄土中有效预报距离10多米，TSP在黄土中的有效预报距离60多米，远低于在岩质隧道中的预报距离，且构造特征难以解译，经济效益不高，故在黄土隧道中很少采用。

　　7存在问题

　　目前，针对黄土隧道围岩分级的研究成果和相关资料比较少。现行的《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)仅仅将黄土按照时代成因定性划分为IV级(老黄土Q1、Q2)和V级(新黄土Q3、Q4)，从完善围岩分级的角度考虑，《公路隧道设计细则》(JTG/T D70-2010) 以现行《公路隧道设计规范》为基础，根据特定项目的黄土物理力学参数统计特征，对黄土进行亚分级，

　　给出了定量指标液性指数，但指标过于单一，其分级的准确性有待提高。

　　8 结束语

　　以上结合山西霍永高速公路介绍了黄土隧道的设计特点和需要注意的问题，并提出了目前设计中存在的一些问题，希望本文的观点可以对类似的黄土隧道项目有借鉴意义。

　　参考文献

　　[1] 康军.黄土公路隧道工程[M].北京：人民交通出版社.2011.07

　　[2]公路隧道设计规范(JTG D70-2004).北京：人民交通出版社.2004.07

　　[3]公路隧道设计细则(JTG/T D70-2010).北京：人民交通出版社.2009.08

　　[4] 赵占厂,谢永利.土质隧道深浅埋界定方法研究[J].中国工程科学，2005，84-86

　　[5] 王晓州等.大断面黄土隧道建设技术[M].北京：中国铁道出版社

　　[6] 薛杰.山区高速公路桥隧连接工程关键性技术研究[D].武汉：武汉理工大学，2010,05