公路黃土隧道的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

伍金赟

（中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100089）

1 公路黃土隧道的研究現(xiàn)狀

公路黃土隧道的有關(guān)技術(shù)研究，主要集中在設(shè)計(jì)方法、施工技術(shù)、結(jié)構(gòu)計(jì)算、監(jiān)控量測(cè)這四大領(lǐng)域。

1.1 設(shè)計(jì)方法

自20世紀(jì)80年代初潘昌實(shí)、方正昌、朱家橋等分別就公路黃土隧道的雙曲線本構(gòu)關(guān)系、地層壓力回歸分析、拱頂垂直位移等進(jìn)行了一系列的研究；至20世紀(jì)90年代謝家焦等結(jié)合黃土窯洞特性，對(duì)公路黃土隧道的地面隆起進(jìn)行了深入探究；再到新世紀(jì)，何立民、顧安全等分別對(duì)錨桿的單獨(dú)作用進(jìn)行了評(píng)價(jià)，對(duì)洞室圍巖特性做了總結(jié)，對(duì)隧道襯砌斷面設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行了嘗試[1]。不同時(shí)期的公路隧道研究者們通過實(shí)踐與鉆研，不斷豐富并拓展了有關(guān)理論。

1.2 施工技術(shù)

當(dāng)前，我國(guó)普遍使用的公路隧道施工方法，如圖1所示。通過圖1 可以清楚地了解到國(guó)內(nèi)公路隧道施工方法的類型和適用情況。

圖1 我國(guó)普遍使用的公路隧道施工方法

1.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

我國(guó)在公路隧道建設(shè)的早期階段受技術(shù)實(shí)力限制，主要是依照國(guó)外常用的彈性連續(xù)框架法、彈性地基法等進(jìn)行施工?，F(xiàn)在常用的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，主要是根據(jù)襯砌與地層之間相互作用的區(qū)別差異，分為荷載結(jié)構(gòu)計(jì)算法和地層結(jié)構(gòu)計(jì)算法兩大類。

1.4 監(jiān)控量測(cè)

公路隧道監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目有兩大類九大項(xiàng)。兩大類主要是必測(cè)和選測(cè)兩大類，九大項(xiàng)分別是必測(cè)項(xiàng)目四項(xiàng)，即“地質(zhì)及支護(hù)狀態(tài)觀察、周邊位移、拱頂下沉和地質(zhì)超前預(yù)報(bào)”；選測(cè)項(xiàng)目五項(xiàng)，即地表下沉、圍巖內(nèi)容位移、圍巖壓力及層間壓力、錨桿軸力和鋼支撐內(nèi)外力[2]。

2 黃土隧道在建設(shè)中存在的主要問題

目前我國(guó)的公路黃土隧道建設(shè)，存在的主要問題分別集中在設(shè)計(jì)、施工、安全、防排水和結(jié)構(gòu)計(jì)算這五個(gè)方面，有關(guān)具體內(nèi)容如表1所示。

表1 我國(guó)公路黃土隧道建設(shè)存在的主要問題

3 公路黃土隧道的設(shè)計(jì)關(guān)鍵與技術(shù)

公路黃土隧道的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于隧道線路的選線與定位。其中，隧道的選線需要遵循趨利避害原則：一是盡量避開一切地質(zhì)不良地段；二是盡量避開地質(zhì)復(fù)雜地段；三是盡量避開受水文影響較大的地段；四是盡量避開具有明顯的地質(zhì)偏壓的地段；五是盡量依托總體規(guī)劃，選擇地形平緩、縱向坡度均勻、線形適當(dāng)?shù)牡囟?；六是盡量選擇地下水位低、埋深大的地段；七是盡量選擇土質(zhì)為老黃土或者紅黏土的地段，避免選擇土質(zhì)為新黃土的地段；八是隧道的平面線形根據(jù)實(shí)地情況采用曲線形時(shí)，曲線半徑需要進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算與復(fù)核，不宜太小；九是便于施工和管理[3]。

公路黃土隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包含超前支護(hù)、鋼拱架、錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土、二次支護(hù)等內(nèi)容。

3.1 超前支護(hù)

首先根據(jù)圍巖的級(jí)別，進(jìn)行鉆孔，而后把鋼管插置于鉆孔內(nèi)，以鋼管為灌漿通道進(jìn)行灌漿，從而形成一個(gè)較為強(qiáng)固有理的圍巖支護(hù)系統(tǒng)。一般情況下超前支護(hù)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 超前支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)表

3.2 鋼拱架

主要作用是加強(qiáng)支護(hù)中噴漿層的強(qiáng)度和剛度，是在公路黃土隧道早期施工階段控制圍巖形變的有效措施。一般情況下鋼拱架的設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

表3 鋼拱架設(shè)計(jì)參數(shù)表

3.3 錨桿

一種錨固在圍巖內(nèi)部的桿狀體，其最大的效用是提升圍巖的力學(xué)性能。一般情況下錨桿的設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示。

表4 錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)表

3.4 鋼筋網(wǎng)

提升圍巖上噴漿層的抗彎、抗剪強(qiáng)度，以防止局部掉塊。

3.5 噴射混凝土

作為新奧法的一種形式，不需要模板進(jìn)行塑形，實(shí)施速度快、便捷高效，對(duì)隧道內(nèi)壁封閉滲水孔、維護(hù)掌子面具有重要作用。

3.6 二次支護(hù)

公路隧道的二次支護(hù)大多采用襯砌形式，一般情況下二次支護(hù)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表5所示。

表5 二次支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)表

4 公路黃土隧道的施工適用法

100 多年來，國(guó)內(nèi)外的隧道工程者們通過前赴后繼的不斷探索和實(shí)踐總結(jié)，已基本形成了能夠處理各種隧道圍巖問題的施工方法，這些方法的特點(diǎn)大體上可分為一般分離式、雙聯(lián)拱、小凈距、大斷面、淺埋偏壓洞口處理五類。

4.1 一般分離式

當(dāng)黃土隧道上、下行線之間的距離相對(duì)較遠(yuǎn)時(shí)，由于相互干擾小，可根據(jù)實(shí)地情況，在上半斷面采取弧形導(dǎo)坑掘進(jìn)方式或CRD 掘進(jìn)方式。弧形導(dǎo)坑掘進(jìn)方式一般情況下適合在級(jí)別為Ⅳ級(jí)或Ⅵ級(jí)的圍巖地段實(shí)施，也比較適合用于有較高含水量的新黃土隧道施工地段；CRD 掘進(jìn)方式一般情況下適合在級(jí)別為Ⅴ級(jí)或Ⅵ級(jí)的圍巖地段實(shí)施，而且很適合用于具有較大斷面且含水量較大的隧道。

4.2 雙聯(lián)拱

公路黃土隧道的形狀若為雙聯(lián)拱，獲得普遍使用的施工方法為三導(dǎo)洞和中導(dǎo)洞分步施工法，也有工程案例采用單洞施工法或者雙洞全斷面施工法。這些方法雖然在一定程度上降低了施工安全隱患，但是施工程序較多、較復(fù)雜，特別是在對(duì)圍巖的仰拱進(jìn)行襯砌前，隧道內(nèi)拱面的排水、堵水、防水難度較大。

4.3 小凈距

兩個(gè)并列隧道口之間的距離越大，相互間的施工干擾越小，施工時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)也就相對(duì)較低。當(dāng)兩個(gè)并列隧道口之間的距離較小時(shí)，相互間的施工干擾越就很明顯，尤其是對(duì)地質(zhì)和結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)干擾，很有可能發(fā)生不安全事故。因此，當(dāng)兩個(gè)并列隧道口之間的距離較小時(shí)，兩隧道口之間中夾巖的加固和穩(wěn)定便顯得尤為關(guān)鍵。因而對(duì)于小凈距隧道，施工的重點(diǎn)在于隧道掘進(jìn)時(shí)對(duì)中夾巖采取加固措施。

4.4 大斷面

針對(duì)截面為大斷面的公路黃土隧道，其掘進(jìn)方式一般多采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑加留核心土的施工方式。首先把隧道截面劃分為6 個(gè)面積適宜的小斷面，然后根據(jù)先易后難、擾動(dòng)性先小后大的原則對(duì)6 個(gè)小斷面進(jìn)行掘進(jìn)排序，按順序?qū)? 個(gè)小斷面實(shí)施逐一挖掘。采用這種方法時(shí)，每個(gè)小斷面的掘進(jìn)深度要進(jìn)行統(tǒng)一籌劃，并及時(shí)進(jìn)行隧道襯砌。

4.5 淺埋偏壓洞口

當(dāng)公路黃土隧道圍巖頂部的覆蓋層比較薄，且圍巖石質(zhì)風(fēng)化現(xiàn)象比較明顯時(shí)，洞口一般處于“淺埋偏壓”狀態(tài)。在這種情況下，采用明挖的方式雖然能夠有效處理來自隧道頂部的安全隱患，但是工程量和施工成本也會(huì)大幅增長(zhǎng)。因此對(duì)于圍巖質(zhì)軟狀態(tài)下的暗挖掘進(jìn)，其關(guān)鍵就是要做好支護(hù)，特別是頂部支護(hù)。

5 公路黃土隧道的施工數(shù)值模擬實(shí)例

為了有效探究公路黃土隧道上半斷面的弧形導(dǎo)坑掘進(jìn)施工法，在級(jí)別為Ⅴ級(jí)的圍巖地段的應(yīng)用狀況，特使用軟件，對(duì)隧道洞體的施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

5.1 參數(shù)的選取

按照Ⅴ級(jí)的圍巖地段一般情況下的支護(hù)需求，對(duì)隧道內(nèi)一次襯砌和鋼拱架的計(jì)算參數(shù)取值如表6所示。

表6 支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)取值表

5.2 建立模型

本例僅針對(duì)公路黃土隧道的洞身在施工掘進(jìn)階段的掘挖數(shù)值進(jìn)行模擬，在整個(gè)過程中，沒有考慮錨桿，對(duì)于噴射混凝土以及鋼拱架，視作與掘挖同步實(shí)施、同步完成，共同承擔(dān)荷載。洞身分5 步掘挖的數(shù)值結(jié)果如表7所示。

表7 掘挖模擬數(shù)值結(jié)果表

5.3 數(shù)值結(jié)果分析

根據(jù)表7 的數(shù)值模擬結(jié)果來看，每進(jìn)行一步掘挖，隧道洞身頂部的壓應(yīng)力會(huì)呈現(xiàn)一定的程度的增長(zhǎng)，在噴護(hù)和鋼拱架同步完成的狀態(tài)，拉應(yīng)力逐漸縮小，壓應(yīng)力縮減明顯，由此可見有效的支護(hù)對(duì)于防止洞頂發(fā)生塌方，是至關(guān)重要的。從拱頂?shù)睦鄯e沉降量來看，沉降量差值在逐漸縮小，這表明，洞身的狀態(tài)是越來越趨于穩(wěn)定的，亦說明支護(hù)取得了很好的效用。

6 結(jié)語(yǔ)

受地質(zhì)環(huán)境和圍巖級(jí)別的不同，公路黃土隧道的設(shè)計(jì)與施工在不同境況下可以因地制宜選取多種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是從施工的模擬情況來看，無(wú)論何種境況下，公路黃土隧道的壓應(yīng)力必須得到有效控制，正確的支護(hù)措施是關(guān)鍵。而且在施工過程中，洞身拱頂?shù)睦鄯e沉降量是對(duì)隧道最直觀、最便捷的安全監(jiān)測(cè)，定期對(duì)拱頂累積沉降量進(jìn)行記錄分析以便采取必要措施，對(duì)保證施工安全而言是十分必要的。