[分享]老黄土高铁隧道设计施工技术要点

发表于2018-11-08    847人浏览    1人跟帖    总热度:254  

1、前言

老黄土是地质年代属于早、中更新世的黄土。包括早更新统的午城黄土(Q1)和中更新统的离石黄土(Q2)的统称,其大孔结构多经压密,一般没有湿陷性或仅在Q2黄土的上部有轻微湿陷性。

 


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离石黄土:深黄、棕黄或黄褐色,土质较密实,以粉砂为主,不具层理,有少量大孔;含多层棕红色古土壤,古土壤层下部钙质结核含量增多,粒径可达5~500px,常成层分布成为钙质结核层。上部部分土层具湿陷性。离石黄土干密度较大,孔隙比较小,压缩性较低,渗透性较弱,抗剪强度较高,湿陷性弱。离石黄土厚90—100米,构成黄土高原的基础。

老黄土高铁隧道设计施工技术要点_1

午城黄土:淡红或棕红色,土质密实,无大孔,柱状节理发育,钙质结核含量较离石黄土少。不具湿陷性。午城黄土干密度大,孔隙比小,压缩性低,渗透性弱,抗剪强度高,湿陷性无。


大部分黏质老黄土,其物理、力学指标如下:天然密度2.0g/cm3  、天然含水量23%左右、天然孔隙比0.67、孔隙率40.2%、饱和度95%、液限37%、塑限22% 、塑性指数15、液性指数0.16、干密度1.68g/cm3;基本承载力250 kpa、凝聚力60kpa、内摩擦角21φ、摩擦系数0.3,压缩系数普遍大于0.4MPa-1,为中偏高压缩和高压缩;比贯入阻力小于1MPa;反映土强度的力学指标三轴试验的c和φ普遍较低,一般c<20kPa,φ<10°,c和φ值的偏低也是造成土的力学性质变差的根本原因。

  

2、施工方法的合理有效选择


 对于黄土隧道而言,影响围岩工程特性的主要因素为:含水量、各向异性和原生竖直节理。


黄土的水理性质包括:渗透性、收缩与膨胀性、崩解性。由于黄土的各向异性,一般垂直方向的渗透性大于水平方向;此外,粘粒含量越多,其透水性越差。一般黄土的渗透系数κ约为i×10-2~10-3m/s,老黄土的渗透系数约为ii×10-3~10-5m/s。黄土遇水膨胀,干燥后又收缩,多次反复容易形成裂缝和剥落。由于黄土的堆积作用,其水平方向的收缩量比垂直方向大,一般大约50%~100%。各类黄土的崩解性相差较大,新黄土浸水后会完全崩解,老黄土则要经过一段时间后才全部崩解,午城黄土浸水后基本不崩解。


Q2砂质黄土的界限含水率液性指数IL=0时为18.1%,其饱和含水率为25.6%;Q2黏质黄土的界限含水率液性指数IL=0时为18.4%,其饱和含水率为25.6%。


浅埋地段除了可能受黄土风化节理、滑塌节理、湿陷节理和卸荷节理的影响之外,再加上施工开挖产生的隧道周边裂隙及地表沉降裂缝,将成为地表水下渗的通道,使得水流在隧道围岩中的不透水或弱透水界面处如黄土与泥岩交界面处汇集,形成局部的饱和黄土区,导致黄土围岩软化,强度大幅度下降乃至丧失并形成局部的地下水压力,从而对隧道衬砌形成较大的附加应力和集中荷载,导致黄土隧道衬砌的开裂。不仅会影响隧道安全施工和围岩稳定性,也将会形成运营阶段的隧道病害。深埋黄土隧道,黄土的构造斜节理、层面、垂直节理等软弱结构面,在地下洞室开挖后,尤其在大跨度洞室或长进深洞室(如隧道)中,可能切割土体面在洞室周边形成不稳定结构体,造成衬砌的集中荷载(模筑衬砌)或局部应力集中(喷混凝土初期支护),从而使得初期支护产生裂缝。因此,从工程设计和施工角度,黄土隧道应尽量采取能减少围岩扰动的施工方式,并做好防排水措施,特别是对洞口段及浅埋段地表裂缝的及时处理和洞内地下水的防治。


黄土隧道不同开挖方法围岩塑性区不同,深埋采用台阶法隧道周边塑性区深度1 5 m,掌子面前方塑性区深度13 m,环形留核心土法隧道周边塑性区深度1 5 m,掌子面前方塑性区深度10 m;浅埋C D法隧道周边塑性区深度0~1m,掌子面前方塑性区深度0 m,C R D法隧道周边塑性区深度0~0.5m,掌子面前方塑性区深度0 m。隧道施工方法的选择与掌子面岩体的稳定状况及节理产状有很大关系,级别较低的围岩整体性不一定特别差,水平节理发育和垂直节理发育区别也非常大。黄土作为一种特殊的围岩,传统意义上认为其强度低,易崩解、垮塌,但直立性好、易成型是其最主要的特点,可以在进尺短的条件下,有一段岩体稳定的时间,保证在岩体未有大的变形掉块的情况下有足够的立架及喷锚作业时间,从而确保安全。从上述分析,黏质老黄土隧道比较适合采用台阶法施工。


3、隧道设计施工的关键要点


(1)黄土隧道从拱部下沉和净空收敛的数据来看,拱部下沉明显大于净空收敛,因此施工中应以控制拱部下沉为主。


(2)初支喷射混凝土的应力均为压应力,且分布不均,拱腰处受力最大,说明拱腰是黄土隧道最危险的部位而不是拱顶。格栅拱架内、外侧均为压应力,分布不均,拱架内、外侧最大应力值均发生在左拱腰60°处,一般拱脚围岩的承载力不足,容易发生屈服形成塑性区,拱脚沉降和收敛变形大,易因拱脚变形过大导致隧道整体下沉及失稳。

 

3)采用台阶法开挖拱顶下沉变形速率出现突发的较大下沉量,一般情况都和施工影响因素有关,分别为中、下导以及仰拱开挖时拱架短暂悬空导致有突变产生。

(4)提高施工工艺水平:施工时在“快封闭”和保证初支与围岩密贴上下功夫,在2小时内封闭围岩。在工班中配备熟练的混凝土喷射手、钢筋焊工、专职电工和专职机械维修工。提高施工工艺水平 ,并确保落实到位。


5)部分隧道变形量较大主要原因是隧道区黄土的含水量较大,天然含水量达到23% ,饱和度95%,出现饱和软黄土的工程特性。

老黄土高铁隧道设计施工技术要点_2

6)模筑衬砌不能施作得太早,更不能以永久支护紧跟开挖面来取代初支。让土体及初期支护产生有限的安全变形,释放一定的荷载,将有利于隧道稳定和施工安全,同时不会给隧道运营造成隐患。


4、黄土隧道支护设计原则

针对黄土隧道以上的变形特征,为确保施工与运营安全,总结形成如下支护设计原则:

1)设置超前预支护,控制开挖掌子面前方的变形

黄土隧道的地表沉降在开挖掌子面前方即表现明显,为控制地表沉降和掌子面挤出位移,需要采取掌子面前方的超前支护措施,包括超前管棚,必要时可以设置掌子面超前锚杆。


2)加强初期支护,控制开挖掌子面后方变形

    掌子面后方围岩的变形越大,黄土围岩的稳定性就越差。所以对于黄土隧道,要制定严格的变形控制基准,采用刚度较大的喷混凝土+钢架联合支护体系,控制黄土隧道初期支护的变形。


3)采用辅助支护措施,控制初期支护的拱脚位移

    采用扩大拱脚、设置锁脚锚管等,提高拱脚附近围岩的承载力,控制拱脚下沉。从而控制黄土隧道初期支护体系的整体沉降,减少地表裂缝的发生。


4)采用复合式衬砌,合理预留二次衬砌的安全储备

黄土隧道二次衬砌建成后,可能出现后荷现象,使作用荷载增加,二次衬砌应具有相应的力学功能设计,原则上宜采用钢筋混凝土或纤维混凝土衬砌。


5、施工监测标准

根据黄土本身的特性、黄土隧道围岩变形特点、隧道开挖方法、开挖断面大小,可将洞内外观察、土工试验、拱顶下沉、拱脚下沉、水平收敛、地表沉降等项目作为监测的重点。


(1)黄土大断面隧道变形控制指标如表所示。


老黄土高铁隧道设计施工技术要点_3
注:安全状态为正常施工;注意状态为预警情况,调整支护参数后继续施工;危险状态为应停止施工,拿出切实可行的初期支护加强措施后方可恢复施工。


(2)根据位移变化速度,当拱脚水平相对净空变化速度大于10~20mm/d时,表明围岩处于急剧变形状态;当变化速度小于0.2mm/d时,可认为围岩达到基本稳定。

(3)根据回归后位移时态曲线的形态,当围岩位移速度不断下降时表示围岩趋于稳定状态;当位移速度保持不变时表示围岩不稳定;当位移速度不断上升时表示围岩进入危险状态。


6、工程案例

随着我国改革开放的不断深入和经济的快速发展,高速公路的建设得到了迅猛的发展,修建了大量的黄土公路隧道,目前最大跨度隧道是17.66m(西安绕城高速公路南段的马腾空隧道);最大开挖断面是171m2(陕西榆林-商洛线神木至府谷高速公路的墩梁隧道,开挖高度为12.19m,最大开挖跨度达17.32m);西北地区第一长黄土隧道是羊泉隧道(长6146m);我国第一条黄土连拱隧道是离石隧道(青岛至银川国道山西省汾阳-离石高速公路,长180m),隧道开挖宽度达24.4m,开挖高度达l0.05m(含仰拱),总开挖面积为224.4m2

 

郑西高铁张茅隧道主要穿越Q2黏质黄土,且夹多层膨胀性古土壤层,部分段洞身位于黄土和粗、细圆砾土分界处,最大开挖断面达169.85m2,采用短台阶七步开挖法施工技术,平均月进度45m,最高月进度55m,隧道工程进度较快,工程质量良好。

 

老黄土高铁隧道设计施工技术要点_4

老黄土高铁隧道设计施工技术要点_5

 银西高铁庆阳隧道采用留核心土导坑法的施工速度比较快,含水率21%时,平均月进度70m,最高月进度90m。

老黄土高铁隧道设计施工技术要点_6


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 发表于2018-11-08   |  只看该作者      

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