公路黃土隧道的設計與施工技術研究

伍金赟

（中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089）

1 公路黃土隧道的研究現狀

公路黃土隧道的有關技術研究，主要集中在設計方法、施工技術、結構計算、監控量測這四大領域。

1.1 設計方法

自20世紀80年代初潘昌實、方正昌、朱家橋等分別就公路黃土隧道的雙曲線本構關系、地層壓力回歸分析、拱頂垂直位移等進行了一系列的研究；至20世紀90年代謝家焦等結合黃土窯洞特性，對公路黃土隧道的地面隆起進行了深入探究；再到新世紀，何立民、顧安全等分別對錨桿的單獨作用進行了評價，對洞室圍巖特性做了總結，對隧道襯砌斷面設計優化進行了嘗試[1]。不同時期的公路隧道研究者們通過實踐與鉆研，不斷豐富并拓展了有關理論。

1.2 施工技術

當前，我國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內公路隧道施工方法的類型和適用情況。

圖1 我國普遍使用的公路隧道施工方法

1.3 結構計算

我國在公路隧道建設的早期階段受技術實力限制，主要是依照國外常用的彈性連續框架法、彈性地基法等進行施工。現在常用的結構計算方法，主要是根據襯砌與地層之間相互作用的區別差異，分為荷載結構計算法和地層結構計算法兩大類。

1.4 監控量測

公路隧道監控量測項目有兩大類九大項。兩大類主要是必測和選測兩大類，九大項分別是必測項目四項，即“地質及支護狀態觀察、周邊位移、拱頂下沉和地質超前預報”；選測項目五項，即地表下沉、圍巖內容位移、圍巖壓力及層間壓力、錨桿軸力和鋼支撐內外力[2]。

2 黃土隧道在建設中存在的主要問題

目前我國的公路黃土隧道建設，存在的主要問題分別集中在設計、施工、安全、防排水和結構計算這五個方面，有關具體內容如表1所示。

表1 我國公路黃土隧道建設存在的主要問題

3 公路黃土隧道的設計關鍵與技術

公路黃土隧道的設計關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不良地段；二是盡量避開地質復雜地段；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偏壓的地段；五是盡量依托總體規劃，選擇地形平緩、縱向坡度均勻、線形適當的地段；六是盡量選擇地下水位低、埋深大的地段；七是盡量選擇土質為老黃土或者紅黏土的地段，避免選擇土質為新黃土的地段；八是隧道的平面線形根據實地情況采用曲線形時，曲線半徑需要進行嚴格的計算與復核，不宜太?。痪攀潜阌谑┕ず凸芾韀3]。

公路黃土隧道的結構設計主要包含超前支護、鋼拱架、錨桿、鋼筋網、噴射混凝土、二次支護等內容。

3.1 超前支護

首先根據圍巖的級別，進行鉆孔，而后把鋼管插置于鉆孔內，以鋼管為灌漿通道進行灌漿，從而形成一個較為強固有理的圍巖支護系統。一般情況下超前支護的設計參數如表2所示。

表2 超前支護設計參數表

3.2 鋼拱架

主要作用是加強支護中噴漿層的強度和剛度，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計參數如表3所示。

表3 鋼拱架設計參數表

3.3 錨桿

一種錨固在圍巖內部的桿狀體，其最大的效用是提升圍巖的力學性能。一般情況下錨桿的設計參數如表4所示。

表4 錨桿設計參數表

3.4 鋼筋網

提升圍巖上噴漿層的抗彎、抗剪強度，以防止局部掉塊。

3.5 噴射混凝土

作為新奧法的一種形式，不需要模板進行塑形，實施速度快、便捷高效，對隧道內壁封閉滲水孔、維護掌子面具有重要作用。

3.6 二次支護

公路隧道的二次支護大多采用襯砌形式，一般情況下二次支護的設計參數如表5所示。

表5 二次支護設計參數表

4 公路黃土隧道的施工適用法

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

4.1 一般分離式

當黃土隧道上、下行線之間的距離相對較遠時，由于相互干擾小，可根據實地情況，在上半斷面采取弧形導坑掘進方式或CRD 掘進方式。弧形導坑掘進方式一般情況下適合在級別為Ⅳ級或Ⅵ級的圍巖地段實施，也比較適合用于有較高含水量的新黃土隧道施工地段；CRD 掘進方式一般情況下適合在級別為Ⅴ級或Ⅵ級的圍巖地段實施，而且很適合用于具有較大斷面且含水量較大的隧道。

4.2 雙聯拱

公路黃土隧道的形狀若為雙聯拱，獲得普遍使用的施工方法為三導洞和中導洞分步施工法，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、較復雜，特別是在對圍巖的仰拱進行襯砌前，隧道內拱面的排水、堵水、防水難度較大。

4.3 小凈距

兩個并列隧道口之間的距離越大，相互間的施工干擾越小，施工時的安全風險也就相對較低。當兩個并列隧道口之間的距離較小時，相互間的施工干擾越就很明顯，尤其是對地質和結構的擾動干擾，很有可能發生不安全事故。因此，當兩個并列隧道口之間的距離較小時，兩隧道口之間中夾巖的加固和穩定便顯得尤為關鍵。因而對于小凈距隧道，施工的重點在于隧道掘進時對中夾巖采取加固措施。

4.4 大斷面

針對截面為大斷面的公路黃土隧道，其掘進方式一般多采用雙側壁導坑加留核心土的施工方式。首先把隧道截面劃分為6 個面積適宜的小斷面，然后根據先易后難、擾動性先小后大的原則對6 個小斷面進行掘進排序，按順序對6 個小斷面實施逐一挖掘。采用這種方法時，每個小斷面的掘進深度要進行統一籌劃，并及時進行隧道襯砌。

4.5 淺埋偏壓洞口

當公路黃土隧道圍巖頂部的覆蓋層比較薄，且圍巖石質風化現象比較明顯時，洞口一般處于“淺埋偏壓”狀態。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大幅增長。因此對于圍巖質軟狀態下的暗挖掘進，其關鍵就是要做好支護，特別是頂部支護。

5 公路黃土隧道的施工數值模擬實例

為了有效探究公路黃土隧道上半斷面的弧形導坑掘進施工法，在級別為Ⅴ級的圍巖地段的應用狀況，特使用軟件，對隧道洞體的施工過程進行數值模擬分析。

5.1 參數的選取

按照Ⅴ級的圍巖地段一般情況下的支護需求，對隧道內一次襯砌和鋼拱架的計算參數取值如表6所示。

表6 支護設計參數取值表

5.2 建立模型

本例僅針對公路黃土隧道的洞身在施工掘進階段的掘挖數值進行模擬，在整個過程中，沒有考慮錨桿，對于噴射混凝土以及鋼拱架，視作與掘挖同步實施、同步完成，共同承擔荷載。洞身分5 步掘挖的數值結果如表7所示。

表7 掘挖模擬數值結果表

5.3 數值結果分析

根據表7 的數值模擬結果來看，每進行一步掘挖，隧道洞身頂部的壓應力會呈現一定的程度的增長，在噴護和鋼拱架同步完成的狀態，拉應力逐漸縮小，壓應力縮減明顯，由此可見有效的支護對于防止洞頂發生塌方，是至關重要的。從拱頂的累積沉降量來看，沉降量差值在逐漸縮小，這表明，洞身的狀態是越來越趨于穩定的，亦說明支護取得了很好的效用。

6 結語

受地質環境和圍巖級別的不同，公路黃土隧道的設計與施工在不同境況下可以因地制宜選取多種方法進行設計，但是從施工的模擬情況來看，無論何種境況下，公路黃土隧道的壓應力必須得到有效控制，正確的支護措施是關鍵。而且在施工過程中，洞身拱頂的累積沉降量是對隧道最直觀、最便捷的安全監測，定期對拱頂累積沉降量進行記錄分析以便采取必要措施，對保證施工安全而言是十分必要的。