【正文】 鐵道第一勘察設(shè)計院 大跨黃土隧道設(shè)計與施工技術(shù) 一、黃土的分布及基本特征 二、黃土隧道的變形特征 三、黃土隧道的圍巖壓力 四、以往黃土隧道的設(shè)計、施工、坍塌、病害情況 五、大跨黃土隧道設(shè)計、施工方案意見 六、大跨黃土安全施工對策 隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展 ， 目前鐵路進入新一輪建設(shè)高潮 ， 根據(jù) 《 中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃 》 ， 到 2020年全國鐵路運營里程達到 10萬公里 ， 初步統(tǒng)計 ， 客運專線隧道將超過 1000Km。 其中鄭西 、 西蘭 、 太中銀 、 包西等線黃土隧道占很大比例 ， 其最大開挖斷面達 160m2左右 ， 為特大斷面隧道 ， 而我們僅有一些常規(guī)鐵路單雙線 （ 或公路 ） 隧道的設(shè)計和施工經(jīng)驗 ， 設(shè)計 、 施工和科研面臨巨大的難題 ， 需建管 、 設(shè)計 、 施工 、 科研單位共同努力 ， 協(xié)同攻關(guān) 。 現(xiàn)結(jié)合以往鐵路 、 公路黃土隧道經(jīng)驗談?wù)勛约簩Υ罂琰S土隧道設(shè)計施工的初步意見 ， 達到拋磚引玉的目的 。 一、黃土的分布及基本特征 我國黃土的分布面積 km2，約占全國陸地面積的 ％，主要分布在我國西北、華北等地。我國黃土以分布廣、厚度大、地層層序完整、古土壤清楚而著稱于世，黃土的地層一般可分為二大組。 一、黃土的分布及基本特征 老黃土 (Q Q2)：其大孔結(jié)構(gòu)多經(jīng)壓密，一般不具濕陷性，土的承載力較高。主要分布在陜甘黃土高原，覆蓋在第三紀紅土層或基巖上。 新黃土（ Q Q4 )： 廣泛覆蓋在老黃土之上，質(zhì)地均勻，具有多孔性，有肉眼能看到的大孔隙，呈松散結(jié)構(gòu)狀態(tài)，密度低，在北方各地分布很廣，與工程建設(shè)關(guān)系密切，一般都具有濕陷性。 一、黃土的分布及基本特征 基本特征： 黃土是第四紀干旱、半干旱氣候條件下形成的一種特殊土，基本色調(diào)是黃色； 顆粒成分以粉粒 （顆粒直徑為 ～ ）為主，約占 50％～ 75％，幾乎沒有大于 ；一般無明顯層理，有堆積間斷的剝蝕面和埋藏的古土壤層；具柱狀節(jié)理， 垂直節(jié)理發(fā)育，直立性強 (C、 φ水平、垂直差異 ） ；表層多具濕陷性，易產(chǎn)生潛蝕，形成陷穴。 各地區(qū)黃土的總厚度不一。一般來說，高原地區(qū)較厚，而以陜甘黃土高原最厚，達 100～200m，而其他高原地區(qū)一般只有 30～ 100m。河谷地區(qū)的黃土總厚度一般只有幾米到 30m。 (%) g/cm3 g/cm3 % % 直剪 內(nèi)摩擦角 φ (176。) 試驗 凝聚力(C) kPa Q 1eol3+el1Q 1lgl1試驗項目 單位飽和度 (Sr)孔隙度 ( n)干密度 ( ρd)孔隙比 (e)含水量 (w)密度 ( ρ ) Q 3eol3Q 2eol3+el1鄭西客專黃土物理力學(xué)參數(shù)表 二、黃土隧道的變形特征 （一）新黃土隧道 新黃土（ Q Q4 )大孔發(fā)育，具垂直節(jié)理，土質(zhì)結(jié)構(gòu)松散－稍密－中密，含水量較小，一般 5－ 15％， 易產(chǎn)生天生橋和陷穴，覆蓋于地表 ,厚度一般 30－ 50m。由于其垂直節(jié)理發(fā)育，在垂直節(jié)理面上因節(jié)理切割形成豎向軟弱面，軟弱面之間粘聚力 (C)很小，多個軟弱面互相切割 ,形成與周邊圍巖粘聚力很小的棱體，在下部開挖隧道時形成臨空面，受開挖擾動和支護缺陷，在重力的作用下棱體塌落形成塌方。根據(jù)對其變形分析 ,在新黃土（ Q Q4 )地層，正常情況下圍巖變形小。在破壞時圍巖變形釋放快、具突然性，屬脆性破壞， 故要強調(diào)變形的控制。 二、黃土隧道的變形特征 二、黃土隧道的變形特征 侯月線百家垣隧道地表 、 拱頂下沉位移圖 ，反映了該隧道襯砌前的最大沉降值 。 二、黃土隧道的變形特征 寶蘭二線碼頭隧道雙層復(fù)合式襯砌試驗斷面水平收斂位移圖 ， 反映了該隧道襯砌前水平收斂已趨穩(wěn)定 。 （二）老黃土隧道 一般覆于新黃土之下，埋深較大， 含水量為 15－ 40％。 與隧道位置原始地應(yīng)力相比，其圍巖強度低，圍巖容易發(fā)生屈服形成塑性區(qū)，這時的變形為塑性變形 ，可進行柔性支護和 適度釋放變形 ，但若無支撐或支護強度不足圍巖蠕變過大，會脫落形成塌方。 因其 為塑性變形， 初期支護的變形有一個發(fā)展過程，故變形規(guī)律可采用監(jiān)控量測手段監(jiān)控。 二、黃土隧道的變形特征 二、黃土隧道的變形特征 寶中線大寨嶺隧道水平收斂位移圖 ， 反映了該隧道水平收斂呈繼續(xù)發(fā)展趨勢 。 二、黃土隧道的變形特征 寶中線大寨嶺隧道水平收斂位移圖 ， 它反映了該隧道在調(diào)整支護參數(shù)后水平收斂 、 拱頂下沉已趨穩(wěn)定 。 深埋老黃土隧道其變形具 蠕變特性 ，它有一個發(fā)展過程，若監(jiān)控量測位移不收斂，應(yīng)加強初期支護或調(diào)整施工方法或及時施做二次襯砌。 對老黃土隧道而言 含水量的大小 對施工的影響很大，直接影響圍巖穩(wěn)定、開挖安全、初期支護穩(wěn)定、二次襯砌變形。 三、黃土隧道的圍巖壓力 三、黃土隧道的圍巖壓力 （一）深淺埋隧道的劃分 《 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范 》 (TB100032022)中關(guān)于深淺埋隧道的劃分標(biāo)準(zhǔn)，其覆蓋厚度按塌方高度的 。 三、黃土隧道的圍巖壓力 圍巖級別 Ⅲ Ⅳ Ⅴ 單線隧道 5～ 7 10～ 14 18～ 25 雙線隧道 8～ 10 15～ 20 30～ 35 淺埋隧道覆蓋厚度值（ m） 三、黃土隧道的圍巖壓力 《 鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊 》 依據(jù)調(diào)查和統(tǒng)計資料，對深埋和淺埋黃土隧道的分界深度 ,單線隧道為 1525m，雙線隧道為 2050m。 三、黃土隧道的圍巖壓力 黃土隧道的深淺埋分界與黃土的特性如粘粒的含量（局域性）、含水量等及與隧道的跨度有關(guān)，對新黃土而言，其覆蓋厚度一般為 30－ 50m，深淺埋分界目前可按 40－ 50m為宜，若太大依據(jù)不足。 三、黃土隧道的圍巖壓力 三、黃土隧道的圍巖壓力 （二）圍巖壓力的確定 新黃土隧道 根據(jù)對新黃土地層變形分析，隧道在開挖后，淺埋黃土地表會形成沉降槽，但沉降過大時，沉降體延垂直節(jié)理面滑錯，使隧道結(jié)構(gòu)承擔(dān)上部全部土體重量。目前對淺埋（含偏壓）黃土隧道圍巖壓力的確定，采用謝家休公式進行計算，其屬于松弛壓力概念。 三、黃土隧道的圍巖壓力 老黃土隧道 一般覆于新黃土之下，埋深較大，含水量為 15－ 40％。當(dāng)隧道開挖后施做初期支護后，圍巖發(fā)生塑性并形成塑性區(qū)，在初支有效約束圍巖變形的情況下，來自圍巖的壓力傳遞至初支再作用于襯砌結(jié)構(gòu)，這時對結(jié)構(gòu)形成 形變壓力 。若圍巖塑性變形過大或開挖、支護缺陷，使巖體持續(xù)變形，則造成松弛巖體延節(jié)理面脫落形成塌方。結(jié)構(gòu)承擔(dān)荷載由 形變壓力轉(zhuǎn)變?yōu)樗沙趬毫?。 故對深埋黃土隧道應(yīng)重視形變壓力的同時，應(yīng)強調(diào)松弛壓力概念，應(yīng)采用塌方高度作為圍巖的垂直荷載進行結(jié)構(gòu)分析。 侯月線百家垣隧道雙線老黃土試驗（ 隧道跨度 ）徑向壓力分布圖 ,從圖可以看出 ,拱腰和拱腳的壓力大于拱頂壓力 ， 側(cè)壓力系數(shù)接近 1。 三、黃土隧道的圍巖壓力 徑向壓力分布圖 (MPa ) 寶蘭二線碼頭雙線隧道雙層復(fù)合式襯砌試驗 （ 隧道跨度 ， 面積 113m2） 徑向壓力分布圖 ,從圖可以看出 ,圍巖與第一層襯砌之間的壓應(yīng)力要大于兩層模筑襯砌之間的壓應(yīng)力 ， 說明第一層襯砌主要承擔(dān)圍巖壓力；拱腰和拱腳的壓力大于拱頂壓力 ， 側(cè)壓力系數(shù)大于 1。 三、黃土隧道的圍巖壓力 徑向壓力分布圖 (MPa ) 寶蘭二線碼頭雙線隧道雙層復(fù)合式襯砌試驗 （ 隧道跨度 ， 面積 113m2） 壓應(yīng)力－時間曲線 (MPa)，從圖中看出 ， 前 20天圍巖壓力變化明顯 ， 以后漸趨穩(wěn)定 。 三、黃土隧道的圍巖壓力 壓應(yīng)力－時間曲線 (MPa) 新 莊 嶺 公 路隧道 （ 開挖面積106m2） 壓力分布圖 (MPa) ， 從圖可以看出 ,拱腰和拱腳的壓力大于拱頂壓力 ， 與鐵路科研結(jié)論一致 。 三、黃土隧道的圍巖壓力 新莊嶺公路隧道壓力分布圖 (KPa) 四、以往黃土隧道的科研、設(shè)計、施工、坍塌、病害情況 （一）黃土隧道科研、設(shè)計、施工簡況