黃土隧道支護設計與關鍵施工技術長安大學陳建勛教授2017全國橋梁與隧道建設關鍵技術創新成果研討會1研究背景2黃土隧道變形規律3黃土隧道支護結構設計4黃土隧道施工技術5工程應用6結束語1研究背景

全世界黃土分布約有1300萬平方公里，占陸地面積的9.3%。黃土分布黃土主要分布在北半球的中緯度干旱及半干旱地帶，南半球分布在南美洲一些國家和新西蘭。

中國是世界上黃土分布最廣、厚度最大的國家，面積約64萬平方公里。主要分布在陜西、山西、寧夏、甘肅、青海等五個省區。黃土地區溝壑縱橫、梁峁起伏、地形條件復雜。交通建設必然會遇到大量的黃土隧道！黃土

(loess)是第四紀沉積物，與巖石地層相比，具有典型的工程特性。垂直節理發育、多孔、結構疏松、密度低，未擾動時強度較高，遇水易崩解、剝落，多具濕陷性。黃土分層及柱狀節理發育黃土山體開裂馬蘭黃土球粒架空孔隙結構初期支護侵限，凈空不足洞內坍塌地表開裂常見工程問題襯砌開裂極易侵限都是變形惹的禍！可見，巖石隧道的修建技術不完全適用于黃土隧道！淺埋時不易形成承載拱洞內塌方襯砌開裂（十黃九裂）地表開裂深埋擾動區域大初期變形速度快，變形量大二次襯砌施作時機不當控制變形黃土隧道變形規律基礎施工錨桿的作用設計初期支護結構型式黃土隧道施工方法機理黃土隧道主要的研究問題2005年以來長安大學課題組長期致力于黃土隧道修建技術研究序號項目名稱起止時間任務來源1黃土隧道支護設計與關鍵施工技術研究2005-2010陜西省交通運輸廳2西部復雜環境條件下隧道洞口段設計施工綜合技術研究2007-2011交通運輸部3土質隧道不設系統錨桿的試驗研究2008-2011黑龍江省交通運輸廳4大跨度黃土公路隧道結構穩定性及控制技術研究2009-2015交通運輸部5鋼架噴網鎖腳錨桿組合支護結構在黃土隧道的應用2010-2016陜西省交通運輸廳6大西鐵路客運專線馬家莊隧道施工技術研究2011-2014企業委托7軟弱圍巖隧道鎖腳錨桿（管）支護機理與力學特性研究2013-2016國家自然科學基金面上項目8黃土隧道修筑關鍵技術2014-2016陜西省科技廳9大跨度高含水率黃土公路隧道設計與施工綜合技術研究2014-2016陜西省交通運輸廳2黃土隧道變形規律

2005年對吳子高速公路32座黃土隧道兩臺階法施工過程中的圍巖變形進行了現場測試。（1）在黃土隧道臺階法施工過程中拱部沉降值遠大于凈空收斂值，并且開挖初期變形量約占總體變形量的60％-70％左右。因此，控制拱部沉降尤其是初期拱部沉降是確保隧道結構穩定的關鍵。兩車道黃土隧道變形規律

（2）典型變形時態曲線拱部沉降時態曲線凈空收斂時態曲線

從變形到穩定，黃土隧道的圍巖變形大致經歷了以下3個階段：第一階段是急劇變形階段（開挖初期）第二階段是持續增長階段第三階段即緩慢增長階段

在黃土隧道變形持續增長階段，二次襯砌仰拱和邊墻基礎要緊跟，并及時進行仰拱回填和施作路面基層，增加結構的整體穩定性。兩車道黃土隧道變形規律

（3）測試數據回歸分析典型拱部沉降實測與回歸時態曲線對比黃土隧道圍巖變形發展符合對數函數規律。由于對數函數具有發散性，故無法由此預估出圍巖的最終位移。在已施作仰拱的情況下，變形速率顯著變小。

分析發現兩車道黃土隧道初期變形急劇，變形量大，拱部沉降大于凈空收斂。揭示了黃土隧道變形規律。提出以鋼架為主體的剛性支護理念。

拱部沉降值遠大于凈空收斂值初期變形急劇，變形量大控制早期變形剛性支護、仰拱及時施作等控制沉降變形鎖腳錨桿、擴大拱腳等兩車道黃土隧道變形規律第一階段（急劇增加）第三階段（擴張變化）洞口淺埋段雙側壁導坑法三車道大跨度黃土隧道變形規律洞口淺埋段雙側壁導坑法RK27+089.6斷面右導洞凈空收斂時態曲線2009年在墩梁隧道（世界上開挖跨度最大的黃土公路隧道）埋設了22個變形監測斷面，48條測線，166個測點，測試長達10個月，獲得數據數萬組。第二階段（趨于平緩）

（1）隧道洞口淺埋段（雙側壁導坑法）RK27+076.3斷面右導洞沉降時態曲線右導洞（先行導洞）的最大收斂值大于左導洞，兩者遠大于主導洞。右導洞（先行導洞）的沉降值大于左導洞，兩者遠大于主導洞。符合反正切函數三車道大跨度黃土隧道變形規律洞身深埋段三臺階法LK26+233斷面拱部沉降空間曲線

（2）隧道洞身深埋段（三臺階法）

LK26+264斷面凈空收斂空間曲線LK26+233斷面拱部沉降空間曲線

上臺階處收斂速率比最大開挖線處快，最大開挖線處的最終收斂值約為上臺階處的3倍左右。

隨著掌子面距離增大，拱部沉降值持續增大，增速放緩。三臺階法施工隧道沉降曲線符合反正切函數。3黃土隧道支護結構設計黃土隧道支護結構的思考

20世紀70年代至80年代末，主要為單線鐵路隧道。★大量的試驗研究結果表明，錨桿在噴錨支護結構中起著重要作用。★復合式襯砌代替了以往的整體式襯砌跨度小，斷面小初期支護：錨桿+噴射混凝土+鋼筋網

20世紀90年代以來，大斷面隧道和復雜地質情況增多，軟巖隧道初期支護結構增設了鋼架，隧道初期支護由鋼架、噴射混凝土、鋼筋網和系統錨桿組成。黃土隧道支護結構的思考二次襯砌防水層鋼架鋼筋網噴射混凝土系統錨桿

在鋼架條件下系統錨桿支護效果如何？有兩種觀點：作用不大，可以取消；有重要作用，理應設置。無系統研究。在學術界和工程界存在很大爭議1引言隨著功我國士公路譽隧道董建設匠的發泡展，灶隧道傻修建蓮的規不模越油來越防大，劑有時只還會厲遇到成穿越晉高含劣水量福粘性傷土隧脹道。滔然而饒對于端高含憤水量縱粘性呀土，背其內代摩擦善力小氧、強漿度低耽、可布塑性睡強，撞所以估在施很工過繞程中岔易發尊生安冬全事綿故。擦但由隙于高季含水搬量粘窄性土醋隧道儀在國互內所概遇不日多，危其配忙套的后支護卸技術潛并不慢完善禽，所偽以如箏何采跌取恰惜當的襯支護搜技術倡，將垃成為技隧道擴界研嗓究的業問題框。目前,《建筑地記基基礎壞設計規熟范》(GB問50裝0-妄07跡-2眾00鬧2)規定塑競性指數IP>1躍0的細益粒土只為粘統性土;《公路雖土工匯試驗悅規程》（JTG膊E4限0-2治007）則規若定塑性發指數IP≥0.名73(撕wL-20洗)及IP>4時的細嫌粒土為叼粘性土梢，這一脾劃分標淺準基本炮上與英鳥、美、闊德、日撕等國長段期采用黃的卡氏徹（Cas犬agr鞋and素e）塑性集圖分類抗法相同穩。隧道歌洞口祖段淺揚埋偏賣壓，冷系統鮮錨桿博穿出隧道洞躍口段淺隔埋偏壓策，系統鈔錨桿穿寶出隧道洞文口段淺烏埋偏壓底，系統而錨桿穿窮出（1）黃土隧鄙道支護椅施工工夫序開挖少→初靜噴射滅混凝椒土→計立鋼性架→廊掛設統鋼筋完網片葡→安阿設錨隊桿→磚噴射漢混凝董土達蜜到設列計厚美度安設點錨桿癢在架曾立鋼啄架之駁后，鉤所以菌鋼架循對圍廟巖變玻形的描制約面，必汪然會賓影響侄到錨直桿作搏用的育發揮拘。黃土根隧道委支護惡結構刻的思嘴考——施工召存在風的問展題錨桿紋不能黎及時桑徑向欄施作允，發潔揮不扣了錨滑固作范用。（2）黃土隧這道施工只多采用炎分部開暫挖，施殲工場地積狹小。黃土結隧道長支護扛結構狀的思勢考——施工位存在褲的問調題（3）在黃漲土中側錨桿離施工怒成孔脫困難引，注診漿不偶易，疊影響仗工程累進度雀。黃土帳隧道攤支護室結構稱的思繭考——施工存厲在的問色題錨桿受形力的計簽算分析龍難度很細大，往劫往人為到地假定禮錨桿支引護的效反果提高漠了圍巖孫的彈性劍模量E，黏聚附力c和內養摩擦夏角。這在率黃土中拼并不是璃很合理坐，相反虛往往由惑于打入圈了錨桿猜反而破萬壞了黃攜土的結驢構，降殼低了圍禍巖的強吼度和穩背定性。（與巖梅石是有揮區別的帽）黃土隧況道支護委結構的冒思考——理論計善算存在抓的問題200銀5年在吳舅子高速甜公路32座黃土脅隧道現澇場埋設雀了11個測痰試斷閃面，破埋設景測試矮元件98瓶0多個，側測力錨縱桿47根。首次對汗兩車道堡黃土隧零道有、希無系統詢錨桿條暈件下的冠結構力臉學狀態冶和穩定停性進行杯了現場穴對比測木試及分啄析，結束果發現述拱部腥系統腦錨桿劇受壓，鎖貸腳錨鳳桿（鐮管）零對控晃制隧蟲道沉駁降作炒用明磨顯。偶表明假系統森錨桿瞇在黃蠟土隧莊道中莊支護絹效果獻不顯桂著。提出遇采用“鋼征架+噴射混擊凝土+鋼筋網+鎖腳量錨桿頑（管折）”步的新言初期暫支護察結構計型式館，即墊取消朽系統捆錨桿刺，增噸加鎖鋤腳錨傻桿蓮。巖石隧僑道中錨鼻桿作用欲機理對現場器測試發嫁現的拱菌部系統登錨桿受卻壓問題鏡，從土恢體的變貪形和錨漠桿與土穴體的錨顏固效果表兩方面副分析了揚黃土隧滾道拱部奶系統錨莊桿的作鹿用機制鞋。懸吊濕作用加固圍少巖支承漫圍巖組合抹梁★鋼架架歪設在圍僵巖外側吳，發揮盆被動支黃撐作用闊，屬于虜外承式決，而錨覺桿伸入滋圍巖內鋪部，利薦用圍巖確承載力晃，主動鹽加固圍房誠巖，屬賺于內承幟式，二降者支護蠢機理截泛然不同扇。★淺埋黃巨土隧道梯拱部發立生了整豬體沉降制，錨桿俯并不存棕在錨固蘋段。★深討埋黃土板隧道開物挖后土師體產生涉了較大裕塑性區痰，目前岸短而密探的系統崇錨桿也判不存在肢錨固段看。★汪錨桿誕與土字體采束用水嶺泥砂已漿或躺藥卷屋式錨嘗固劑包粘結娃效果快差，罩黃土值隧道浩錨桿爬錨固黃力很攜小。★富錨桿踩錨固轉于初但期支抄護上爽，拱疫部系屠統錨止桿受航到了齒土體腎向下拾的摩銅阻力忠，相嘆當于餃樁承藥受負帆摩阻論力，誦因而防拱部執系統職錨桿慘受壓倉。黃土隧壟道中錨鋼桿作用舉機理錨桿任作用醒機理懸吊作犁用加固圍秒巖支承悼圍巖組合病梁剛架作恐用機理①加強孩限制民圍巖參變形②作伙為超盡前支液護的妄后支倚點③承受扮部分松趁弛荷載錨桿卷是伸堆入到添圍巖疤內部兩，產踢生相趙對位立移，貿利用逐圍巖蛇自承岔能力辭。主因動加患固圍懲巖鋼架架評設在圍庭巖外側被動支梨撐作用兩者對走隧道支杠護的機員理截然栽不同系統意錨桿下的作淘用機扇制系統錨栗桿的作撫用機制錨桿鎮作用撥示意娛圖錨桿起卸到錨固器作用的2個前械提條臉件：錨桿與享圍巖要乖有良好冶的相互午黏結有錨凈固段黃土疑隧道悠錨桿辛拉拔燃力很喊小，立往往眠只有20運~3屠0k御N。錨固效湯果差！淺埋黃頌土隧道民，地表金會產生鄉豐沉降或雜裂縫，兇拱部會穴發生整罷體沉降嘉。拱部礦系統錨郵桿不存間在錨固郵段。淺埋卸黃土其隧道晨地表禁產生狀沉降系統錨康桿的作透用機制深埋大趕跨度黃慌土隧道興，開挖芝后土體姥產生了局較大松讓動區。講目前以“短而蚊密”為醉設置原酬則采用值的系妄統錨沖桿，貍并未店穿過臥松動問區。責錨桿教亦不盯存在確錨固犬段。深埋四大跨糟度黃跳土隧概道產凱生松求動區系統冤錨桿稍的作部用機戒制黃土隧頓道開挖敞后，周罪圍土體傳要產生蝴變形，液主要包攜括：（1）應壤力釋平放和刃土體繩擾動文引起廚的彈招性、惜塑性惱和松錦動變笛形；（2）初期愿支護背鼻部因回寒填不密紫實而誘尺發的土婚體沉降拉；（3）采用互型鋼鋼別架支護生后，其牙背部因適噴射混霉凝土無設法噴到仔位而誘敞發的土適體沉降艱；（4）施工冶擾動土偉體后期屠產生的淋壓密沉即降；（5）地良下水潛位線并以下嗽的隧桌道，色因開豬挖而聚引起么的水攪位下垃降，孟使部緣瑞分飽泥和土滑體變書為非袍飽和盈的欠崇固結河土，爺從而耕引發貢次固往結沉租降。系統錨捉桿的作崖用機制在初期曠支護施切作后，憤相對于緣瑞土體的鐮后續變戶形，錨描桿是固咱定不動毒的，所秧以在淺麗埋黃土醒隧道或列塑性區割大的深莫埋黃土裁隧道，室拱部系圾統錨桿憑受到了忙土體向憤下的摩未阻力，相當于唯樁承受島負摩阻望力，因針而拱部喘系統錨袍桿受壓決。系統錨竊桿的作袋用機制鎖腳砍錨桿靈的作許用機塞制鎖腳錨旁桿（管擊）穩定慎鋼架示農意圖黃土隧趟道采用脹臺階法硬施工，害下半斷勻面開挖電時，鋼倉架接頭問處于懸泰空狀態費，鎖腳委錨桿貫（管食）使邁鋼架返在整吹個下攻半斷化面開興挖和共鋼架喚安設領過程冷中始逐終處避于穩搖定狀勺態。上臺法階開帖挖下臺射階開墳挖打設槍鎖腳現錨桿摩（管直）鎖腳錨窗桿的作拴用機制鋼架受命力簡化礎圖采用沙結構牌力學煎和彈炕性地劃基梁施的方缸法，支建立驢鋼架鐮和鎖橋腳錨派桿力效學計銷算模喪型。拱腳的節彎矩拱腳的趁剪力拱腳矩的軸姜力鎖腳撐錨桿裕的作惡用機穴制鎖腳宗錨桿腥受力緞簡化劣圖鎖腳排錨桿亮剪力弦和彎近矩分助析圖微分方茫程式：圍巖中飯錨桿體似的豎向闊變形、仗轉角、彎矩、剪力的表懸達式虜：建立拱部系統錨桿受壓模型鋼架鎖腳錨桿（管）荷載傳遞模型提出拱部系統錨桿力學分析方法鎖腳錨桿（管）力學計算方法（彈性地基梁微分方程）揭示錨桿受壓機制鋼架鎖腳錨桿（管）共同作用機理理論成果黃土隧道拱部系統錨桿受壓發現技術焰創新創建了黃土隧道初期支護組合結構新型式鋼架+噴射混凝土+鋼筋網+鎖腳錨桿（管）拱部錨桿作用不顯著★學術錢價值挖：提出的膚以鋼架須為主體贈的黃土作隧道剛媽性支護月理論，帆突破了以噴殼錨為虛主體均的柔穿性支腫護巖攻承理芳論。★實踐舟意義妖：減少哈了工爺序，叼加快良了進展度，糊提高墊了安采全性栽和結貓構穩碼定性塵，顯著輝降低壺了工半程造慶價。公路隧捧道設計尋規范（JT屯G姥D7睛0-棋20任04）（第歪條）鐵路頁隧道丹設計涼規范就（TB1騙000汽3-2旁005易J4妨49-彩200治5）（第著條）日本、診歐美等尼國家軟醫弱地層紹隧道中突破了耽現行國流內外設醫計規范小！傳統襯賣砌結構撫型式新的襯隔砌結構顛型式4黃土游隧道露施工鉗技術根據黃揉土的特失性和黃棍土隧道舅變形規眾律，提出了綁“快挖聯、快支管、快封造閉，二首次襯砌桿仰拱、紛邊墻基滋礎緊跟支，二次檢襯砌適顛時施作封”的施脊工原則炭。強調吹快速婚開挖農，快陽速施靜作初虹期支近護，爹同時域要增碌設鎖谷腳錨縱桿（罩管）既或擴盆大臺諸階拱看腳，停快速陣施作緩初期厚支護朝仰拱徐，盡估早施帽作二肺次襯值砌仰全拱及稅邊墻臭基礎厲。當負初期餐支護伐變形疲過大窮時，磁應及吳時加凝強初填期支圣護或坊采取佩輔助洞加強危措施蒜。在危初期削支護鵝作用膽下，探圍巖中基本百達到凱穩定工時施臨作二達次襯腐砌。保障了隨施工安盲全！保沈證了結非構穩定!加快郊了工訊程進加度!兩車纏道黃嗽土隧顛道施接工技寒術每循環0.6采m，每南天可斷完成2個循環，月最原高進度42軋m，月線平均爭進度36筆m。雙側壁賄導坑法從控制探沉降、芳工期、往施工難馬易程度桶和造價厲等方面以，對比練分析了駁多種施樹工方法武，提出餐了大跨粘度黃土鑼公路隧乎道洞口等淺埋段順采用雙硬側壁導有坑法施狀工，洞堪身深埋昏段采用架三臺階撲七步開纖挖法施駐工。三臺沖階七喝步開菜挖法每循筒環兩榀，一頂榀0.7榴5m，26小時可以完轉成兩個菜循環，月豪最高漫進度80木m，月平買均進度76頁m。大跨墊度黃腹土隧故道施澤工技奸術《公路隧犬道施工勵技術規返范》（JT估J0寨42牌-9棚4）（貧第14狗.3條）《公路浩隧道潛施工墓技術朵規范》（JT姨G萌F6攪0-黑20秘09）（柱第16喇.3條）《鐵路隧取道施工姻規范》（TB凍10幼20慕4-浮20挺02失J暫16族3-儀20禿02）《客運專蜘線鐵路犯隧道工是程施工準技術指肯南》（TZ乖2仙14蘇-2扮00均5）（第13計.9條）提出了挨黃土隧效道施工銀原則和診施工技委術指南以上規檔范涉及胞黃土隧魄道的很自少，幾訴乎為空木白。補充和醒完善了遣現行施萄工技術碗規范攻克了衫黃土隧角道變形殃大、易貼塌方、笑二次襯林砌易早咬期開裂會等技術僵難題。黃土拿隧道掘施工獨技術5工程之應用該隧蟻道為榮上下蛛行分享離式納，上訪行線奧長16禮60膀m，下討行線測長16手90戴m。天恒羅山隧匙道位叨于哈可爾濱畫繞城蠶高速凈公路（高含圍水率黏花土隧道參）5工程隸應用5工程園應用最大霜埋深厲僅25m最大開菌挖寬度16筍.8蒙m，高12湊.1欲m，開挖面徑積163旅m2可塑壯性強含水戲率高事達16影.6拿3％～30亞.9溫0％三大工湯程難點淺然埋大跨紋、大賓斷面高含水路率可塑黑性粘土成孔困系難注漿胖效果毒差抗拉酷拔力肺低高含僻水率親粘性票土層掃中錨小桿施介工困個難高含水皆率粘性菠土層錨夏桿成孔裙試驗有人形武象比喻剩在高含滅水量粘例土隧道掀中打設慨錨桿猶懂如“在婆豆腐里姑面插筷鴿子”，品支護作媽用不大挺。5工程應猴用原設計菠支護示露意圖變更后侵設計示軟意圖隧道中心線行車道中心線2%型鋼拱架防排水保溫層（按4cm計）預留變形量二次襯砌C30鋼筋混凝土25×5mm先錨后灌式注漿錨桿濕噴鋼纖混凝土+Φ8焊接鋼筋網（20×20cm）兩層設計標高超前小導管防火涂層5工程應碰用200尸9