黄土隧道设计

第十六章 黄土隧道设计

第一节 黄土的基本特征

一、我国的黄土分布

黄土是一种第四世纪松散堆积物，因其具有特殊的成分和性质而在工程地质中占据特殊的地位。我国黄土地区主要分布在陕西、山西、河南、河北、山东、内蒙古、辽宁、吉林、新疆、青海、甘肃、宁夏等12省和自治区，覆盖面积达64万平方公里，是国土面积的6.6%。我国黄土分布区域如图16-1-1。

我国铁路路网中，经过黄土地区的有陇海、大秦、宝中、神延、神朔、西延、朔黄等铁路线，郑州至西安铁路客运专线所经过的黄河中游黄土高原地区，因黄土分布广，层序全而最具典型性。

图16-1-1 中国黄土分布区域图

二、黄土地貌特征

黄土地貌一般可分为“塬、梁、峁”三大类型，以及河谷阶地、冲积洪积平原等。 （1）黄土塬：具面积较大的平坦高地，有陡峻的边缘，通常由黄土所构成，在黄土塬顶部表层广泛分布着黄土质土。

(2) 黄土梁：地形呈长条状的垄岗，两旁夹以深谷，垄岗高度大体保持一致，也是由黄土所构成，但也有少数上更新统和全新统新近堆积的黄土质土，如陇中、陇东、陕北、晋南、柴达木盆地香日德附近等地区。

(3) 黄土峁：指个体独立或连续的黄土丘陵，由于地形严重切割，沟谷斜坡地带往往分布着新近堆积的湿陷性大的黄土质土。

(4) 河谷阶地：包括现代河流的河漫滩、超漫滩、低级阶地、高级阶地及河谷范围内的各种斜坡地带以及河谷两侧的一些沟谷等地貌。

(5) 冲积洪积平原：分布着全新统的黄土质土，一般具有较弱的湿陷性，当含粘土颗粒较多时，湿陷性较小或无湿陷性，如关中、河南、河北等黄土冲积洪积平原。

三、黄土的物理、力学特征

（一）黄土的地层划分

黄土是第四纪以来在干旱、半干旱气候条件下陆相沉积的一种特殊土，土颗粒成分以粉粒为主，富含钙质、呈棕黄、灰黄或黄褐色，具有大孔性的大陆沉积物，黄土包括老黄土和新黄土。老黄土是下更新统的午城黄土(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。覆盖在上述黄土上部及阶地上的上更新统马兰黄土(Q3)及全新统的新近堆积黄土(Q4)，称为新黄土，土质均匀，较疏松，大孔和虫孔发育，具垂直节理，有较严重的湿陷性。我国各层黄土形成时代和成因如表16－1。

黄土的地层划分和特性 表16－1

年 代 黄 土 名 称 新 近 堆 积 一般湿陷 性 黄 土 成 因 以水成 为主 备 注 杂乱无章，具不均匀性高压缩性、强湿陷性 浅黄，一般 具湿陷性 褐红，一般不具湿陷性或在高压下具轻微湿陷性 全新世 (Q4) 近期 早期 新 黄 土 晚更新世(Q3) 中更新世(Q2) 早更新世(Q1) 马兰黄土 离石黄土 午城黄土 老黄 非湿陷性黄土 土 风成 为主

（二）黄土的物理、力学特征

一般老黄土的抗剪强度比新黄土高，尤以粘聚力 c 最为明显。就原状黄土的各向异性而言，由于垂直节理及大孔隙的存在，使得原状黄土的强度随方向而异。风积黄土的抗剪强度水平方向最大,垂直方向最小；冲积、洪积黄土垂直方向最大，水平方向最小。就含水量的影响看，黄土的抗剪强度随含水量增大而剧烈降低，当含水量接近塑限时，强度降低减慢。一般而言，黄土的φ值介于19至42的范围之内，c 值介于10 至110 kPa之间。

黄土浸水后在外荷载或土的自重作用下，发生的下沉现象称为湿陷。根据性质又可分为自重湿陷和非自重湿陷两类。自重湿陷是指土层浸水后仅仅由于土的自重发生的湿陷；非自重湿陷是指土层浸水后，由于自重及附加压力的共同作用而发生的湿陷。一般用相对湿陷系数δ判别黄土是否具有湿陷性。湿陷试验可以在实验室用普通固结仪完成。当δsh≥0.02时为湿陷性黄土。黄土湿陷原因，是黄土浸水时胶结物质发生化学和物理化学反应，使结构强度降低；其湿陷的条件是黄土中存在孔隙直径大于周围颗粒直径的架空结构。湿陷性黄土对工程建设的影响最为显著。一般湿陷性黄土主要分布在表层，以新黄土及新近堆积的黄土为主，其厚度—般在20m以内，而郑州至西安铁路客运专线所经过的三门峡地区湿陷性黄土厚度最大达到35m。

黄土的水理性质包括：渗透性、收缩与膨胀性、崩解性等。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

2o

o

～10

3m/s,老黄土的渗透系数约为i×10

3～10

5 m/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。

第二节 黄土隧道的工程特征

一、黄土隧道研究现状

黄土隧道的工程特征，由于黄土特殊的物理力学性质，而表现出与普通岩石隧道相当大的差异。在黄土隧道建设的历史过程中，设计院、科研院校以及施工单位结合黄土的特性对黄土隧道的工程特征进行过大量研究工作：

铁路部门：上世纪六十年代铁道部成立黄土双线隧道现场设计研究组，对陇海线三门峡～潼关段13座出现裂缝的黄土双线隧道进行试验研究；八十年代铁科院在大秦线对浅埋黄土隧道做过大断面开挖与喷锚支护的研究；1989年中铁隧道局主持“浅埋黄土质双线铁路隧道施工新技术”研究；九十年代修建的宝中线、神延线、神朔线、西延线、朔黄线等出现了大量的单线及部分双线黄土隧道，神延铁路公司与西南交通大学“黄土隧道施工研究”；1999年铁一局主持“大跨度黄土隧道新奥法施工综合技术研究”。

公路部门：随着近年西北高速公路的大量修建，公路系统针对双车道公路隧道（开挖断面105m）做过比较多的研究。如2000年～2001年甘肃省交通厅与长安大学“公路黄土隧道围岩特性及支衬结构受力性状研究”；黄陵延安高速公路公司与长安大学“黄土隧道结构设计与施工控制研究”。在黄土隧道基础加固方面，甘肃省交通厅与长安大学及中铁19局完成“土家湾隧道软黄土地基加固技术试验研究”。

西安理工大学水电学院教授刘祖典编著的《黄土力学与工程》一书，总结了大量的研究成果，对黄土力学与工程建设进行了深入细致的分析研究。

二、黄土隧道典型工程特征

通过以上长期的试验、研究和工程实践，可以将黄土隧道的主要工程特征概括归纳为以下几个方面：

(一)黄土隧道围岩压力特征

1、压力分布规律：黄土双线隧道垂直地层压力在隧道两侧拱部45º和起拱线处较大，向拱顶逐渐递减，可能成一反拱形分布；

2、侧向压力系数：拱部有较大的侧向压力，侧向压力系数范围λ＝0.5～0.8，墙部侧向压力较小；

3、豫西（郑西客专范围）黄土隧道土体破裂角，破裂面起点调查揭示在拱脚，为折线，可能有多条，但主要的只要一条，角度58°～ 63°；

4、黄土双线隧道的土体破坏一般不能形成所谓的普氏压力拱，岩石隧道设计采用的普氏理论与黄土隧道的实际压力分布不符。 （二）黄土隧道初期支护的变形特征

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1、黄土隧道初期支护收敛变形量较岩石隧道大，且底鼓现象严重；

2、黄土隧道初期支护的变形量与黄土性质（如新老黄土）、洞室跨度，尤其是土体的含水量有着密切的关系。

隧道开挖后洞室变形具有“三大、三小”的特点：新黄土变形量大，老黄土变形量小；大跨洞室变形量大，小跨度洞室变形量小；土体含水量大时变形量大，土体含水量小时变形量小。变形的主要表现形式为初期支护的整体下沉。黄土隧道变形发展的规律性很强。现以双车道高速公路隧道台阶法开挖工程为例，现场施工监控量测资料表明，初期支护的变形发展一般分为三个阶段：

第Ⅰ阶段：上导坑开挖后1～3天，变形（下沉）小，拱部仅轻微下沉拱脚轻微内移，变形量一般为1～３cm。

第Ⅱ阶段：迅速发展阶段，该阶段从下半断面落底挖边墙马口开始，洞室变形发展迅速，变形量往往达到3（无水）～20cm（有水）。

第Ⅲ阶段：变形趋于稳定阶段，该阶段从仰拱初期支护封闭成环，仰拱模筑混凝土施工完成后开始，至二次拱墙模筑衬砌施工完成止。施工量测表明，该阶段变形（沉降）趋于稳定。 隧道开挖后总的变形量值和迅速变形阶段结束的时间，完全受控于仰拱封闭的时间，仰拱早封闭则总变形量小，仰拱晚封闭则总变形量大。黄土隧道初期支护变形量与仰拱施作时间的关系如图16-2-1：

图16-2-1 初支变形量与仰拱施作时间关系

（三）围岩的含水量是影响围岩稳定、支护变形量的重要因素

根据陕西省交通厅公路勘察设计院的经验，黄土含水量可以分为三个等级，针对不同黄土含水量采用不同的支护、加固措施，如表16-2-1。

高速公路黄土含水量与支护关系 表16-2-1

序号 1 2 黄土含水量（%） ≤17 17～26 特 征 天然含水量 土质变软，施工时仰拱可能积水 水从钻孔中流出，若用手掌接触开挖面，手掌沾水。 支护参数 围岩稳定性好，按普通黄土隧道设计 围岩较稳定，仰拱开挖后喷砼封闭（5～10cm） 围岩稳定性差，按有水黄土设计，仰拱紧跟，及时封闭，支护加强。必要时仰拱采用钢花管压浆加固。 3 26～32

第三节 黄土隧道设计

一、普速铁路、高速公路黄土隧道设计

从上世纪六十年代对陇海线三门峡～潼关段13座开裂黄土双线隧道进行试验研究，到八十年代铁科院对大秦线军都山隧道进口浅埋黄土段的研究，以及九十年代初我国第一座采用喷锚构筑法设计施工的土质单线长隧道——大寨岭隧道，再到宝兰二线高含水量新松树湾隧道的建成，我国在黄土地区的隧道修建技术也从传统的矿山法逐渐过渡到喷锚构筑法，黄土隧道设计方法与施工工艺亦逐渐走向成熟。

（一）普速铁路黄土隧道设计参数

近些年我国修建了大量单、双线铁路黄土隧道，在普通单、双线普通断面黄土隧道的设计方面积累了一定的经验。表16-3-1为神木～延安铁路单线黄土隧道代表性支护参数。

神木～延安铁路单线黄土隧道支护参数 表16-3-1

围 岩 级 别 Ⅴ Ⅳ 初次衬砌 喷层 厚度 （cm） 15 10 锚杆φ22 长度 （m） 3.0 2.5 间距 （cm） 1.0 1.0 钢筋网 φ6 间距 （cm） 20×20 25×25 钢拱架 型号 I16 I16 间距 （m） 0.5～1.0 0.5～1.0 二次衬砌 拱部 墙部 厚度 （cm） 35 30 仰拱 厚度 （cm） 40 35 预 留 变 形 （cm） 7 5

（二）高速公路黄土隧道设计参数

甘肃、陕西等黄土核心地区近十几年来修建了多条高速公路，出现了大量采用喷锚构筑法设计施工的双车道公路黄土隧道（开挖断面约100m），同时也完成了许多科研项目。针对不同大小的断面，已有了比较合理的支护参数系列。表16-3-2为黄延高速公路黄土隧道支护参数。

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黄延高速公路黄土隧道支护参数 表16-3-2

围 喷层 岩 厚 类 度 别 （cm） Ⅰ Ⅱ 28 25 径向锚杆 钢筋网 直 直 长度 间距 径 径 （m） （m） （mm） （mm） 22 22 4.5 4.0 1.0 1.0 8.0 8.0 二衬厚预留 度 变形 间距 间距 长度 间距 型号 （cm） （cm） （cm） （cm） （m） （cm） 20 20 I20a I20a 50 75 10 50 55 50 15 12 钢拱架 管棚φ89

二、高速铁路黄土隧道设计

（一）黄土隧道主要设计原则

根据黄土隧道的工程特征、高速铁路超大断面的特点，确定以下黄土隧道主要设计原则： 1、黄土隧道的选线要遵循绕避的原则

隧道选线一方面要避免穿行于不良地质带，同时要避免通过地形、地貌变化复杂、冲沟陷穴发育地带，以及明显地形、地质偏压地段。隧道尽可能从老黄土或者红粘土中穿过，避免从新黄土中通过。

2、衬砌断面形式的选择

（1）黄土隧道衬砌断面应采用平拱。双线客专黄土隧道结合围岩压力特点及缓解空气动力学效应的需要，宜采用单心圆拱；

（2）衬砌断面应选用曲墙带仰拱形式，边墙与仰拱之间宜圆顺连接； 3、防排水

（1）位于地下水位线以下的黄土隧道宜以堵为主，采用全封闭衬砌，进行防水分区； (2)施工缝、变形缝的防水措施，防水板，排水管组成的防排水系统应具有可维护性。可维护性指防排水系统具有易于维修、养护，持久保持其功能的性质。其属性可归纳为：1) 衬砌外部水的可控制性；2) 渗漏部位的可诊断性；3) 渗漏部位的易修复性；4) 排水系统的易

疏导性；5) 防排水材料、部件的易更换性。设计时应进行可维护性设计。

4、支护结构

(1) 隧道的支护结构应按新奥法原理设计，采用复合式衬砌； (2) 初期支护应有足够大的刚度，宜选用型钢钢架； (3) 高速铁路二次衬砌应采用钢筋混凝土结构。 5、 结构计算

(1) 物理力学参数的选用

由于不同地区黄土物理力学参数差异较大，结构计算所需要的黄土围岩物理力学参数应尽量通过现场取样、原位试验获得；

(2)荷载

1) 浅埋隧道：按松弛荷载，考虑黄土C、ø的影响； 2) 深埋隧道：考虑围岩的形变压力；

(3) 计算模型：二次衬砌采用“结构－荷载”模型，应用SAP90软件进行结构受力分析。初期支护采用有限单元法和有限差分法应用Ansys,Flac-3D软件，进行二维或三维弹塑性分析及粘弹塑性分析；对施工各分部应应用三维弹塑性分析软件分析每部的变形、应力及隧道结构的最终状态。图16－3为CRD法施工的计算模型示例：

模型为三维模型，模型纵向长为90m，两侧离隧道中心为100m，底部边界离隧道轨面100m，隧道顶部覆土为100m，上部边界自由边界。共有70920个8节点六面体单元，共有节点数75888个。模型网格具体见图16-3-1。

a)开挖台阶布置情况 b) 局部网格放大图

图16-3-1 CRD法计算模型

6、隧道拱脚地基的加固设计 （1）结构措施

1）拱脚设置锁脚锚杆，必须保证锁脚锚杆的数量和长度； 2）增大拱脚截面积，其截面积应由计算确定；

（2）加固措施

可采用密实法、旋喷桩或搅拌桩加固； （3）换填措施 可采用挖除换填；

地基加固技术的选择，要进行专门研究，且必须满足黄土隧道施工的空间和时间要求。 （二）郑西客专黄土隧道设计 1、隧道支护参数

郑西客专黄土隧道结构设计综合考虑了新老黄土（围岩级别及C、Φ值）、隧道深浅埋情况及黄土天然含水量等因素；同时再与已建成铁路双线隧道及公路黄土隧道进行工程类比，最终确定郑西客专超大断面黄土隧道支护参数如表16-3-3。

客专超大断面黄土隧道支护参数 表16-3-3

2、计算物理力学参数

郑西客专黄土隧道结构计算采用物理力学参数如表16-3-4

物理力学参数 表16-3-4 3、隧道代表性断面

郑西客专黄土隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩代表性横断面，如图16-3-2

Ⅳ围岩 Ⅴ级围岩

图16-3-2 代表性横断面

（三）有待进一步研究的问题

高速客专超大断面黄土隧道工程的建设，在国内甚至国外都是第一次，它既要面临普通黄土隧道工程建设的难题，同时又要解决因为断面积增大而带来的新问题，没有经验可以参考。设计原则制定得正确与否，以及设计中没有弄明白的问题，只有通过现场施工来验证，并通过现场科研、试验来加以解决。

1、关于拱部系统锚杆的作用问题

黄土隧道拱部系统锚杆作用如何，特别是浅埋隧道拱部系统锚杆有没有必要设置，多少年来一直是黄土隧道修建过程中讨论的热点问题。

对于深埋黄土隧道，由于围岩压力主要表现为形变压力，土体塑性区范围一般不大，如中铁一局在国道210线黑山寺黄土隧道主持的科研项目“大跨度黄土隧道新奥法施工综合技术研究”中，对开挖跨度12.54m的公路隧道所做的有限元分析表明，隧道开挖后最大塑性区为3.3m。

所以公路系统隧道设计锚杆一般较长，如黄延高速公路系统锚杆长4～4.5m。根据现场测试，锚杆拉拔力一般大于50kN，说明深埋黄土隧道系统锚杆的作用不能忽视。

对于浅埋隧道，由于隧道开挖后洞顶土体呈整体下沉趋势，土体发生塑性变形，再考虑到黄土地层垂直节理发育的特性，所以有人认为拱部系统锚杆作用不大。

可以肯定的是浅埋黄土隧道系统锚杆作用没有深埋隧道大，但能否在设计中取消，这就需要进行专题研究，按拱部设锚杆与拱部不设锚杆两种支护形式进行对比试验，通过洞室变形、支护内力等项目的对比来确定。

2、黄土含水量与初期支护、预留变形量的关系

大量的工程实践已经证明，黄土隧道开挖后当黄土含水量少时，洞室稳定程度较岩石隧道V级围岩（如断层破碎带）好；但黄土含水量大时（一般超过20%或稍小），隧道塌方的风险大大增加，围岩收敛变形难以稳定。

因此，郑西客专大断面黄土隧道考虑了黄土的这一工程特性，设计时初期支护参数及预留变形量值根据黄土含水量大小而有所区别。含水量按大于20%、15%～20%之间及小于15%，分为含水量大、一般及含水量少三个等级。结合黄土的塑限含水量（如郑西客专粘性黄土塑限含水量19%），并参考了大量已施工的黄土隧道发生病害时的含水量，如宝兰二线新松树湾隧道施工至DK1601+036时黄土含水量明显变大，含水量达到23.3%，导致支护收敛变形异常等工程实例，郑西客专设计中取黄土天然含水量上限为20%。

根据黄土含水量的三级划分原则来确定初期支护参数及预留变形量值,对客专超大断面隧道来说还没有经过实践的检验；另外，由于隧道开挖后土体含水量一般都要增大，有时不一定是天然含水量，这就要求开展现场测试工作，结合施工中黄土含水量的变化，对不同的黄土含水量对应的支护参数和预留变形量值的大小作进一步研究。

3 、型钢钢架与格栅钢架的适用条件

目前在黄土隧道钢架的采用上，我国公路部门较多采用HW175型钢钢架，如陕西黄陵至延安高速公路黄土隧道紧急停车带部分，铁路部门更多地采用了格栅钢架。两种钢架型式各有其优缺点：型钢钢架的优点在于初期刚度大，且刚度上得快，当地质条件差时有较大优势；缺点在于和围岩的接触条件不好，喷混凝土不易填满钢架背后空隙，且和喷混凝土的共同作用效应

不佳，格栅钢架的工程特点则正好相反。

黄土隧道初期支护变形特点在于初期变形量大，所以在钢架的使用上应结合隧道埋深及黄土天然含水量情况而定：在浅埋隧道段以控制初期支护的收敛变形量为重点，以及含水量大时宜采用型钢钢架，其余地段可采用格栅钢架。

然而，目前国内毕竟还没有象客专双线开挖面积达160 m的黄土隧道修建经验，这种选择原则是否正确，还应在施工中去进一步论证，结合隧道的实际地质条件、地下水、初期支护收敛变形量及实际测得的支护应力情况综合研究两者的适用范围。

4、 围岩压力及结构检算方法的研究 （1） 大跨黄土隧道围岩压力计算 1）我国黄土隧道设计中围岩压力计算现状

在进行隧道结构设计时，必须对拟订的初期支护及二次衬砌进行力学检算，目前用得最多的计算方法还是“荷载-结构”模型，即首先计算出隧道所承受的围岩压力，然后把荷载加到结构上，以此计算出结构的内力。

关于黄土隧道围岩压力的计算较为复杂，按深浅埋分别进行计算。计算方法包括：松弛荷载法、太沙基公式、谢家休公式（浅埋）、弹塑性理论公式（深埋）、经验公式等。以上公式或理论都有一定的局限性和适用条件，不一定适合超大断面黄土隧道的设计。

2）浅埋黄土隧道围岩压力计算

浅埋隧道由于承受的是松弛荷载，其围岩压力计算最不利情况按隧道上覆土柱的全部重力考虑，这种计算明显过于保守，仅适用于超浅埋隧道。对于一般浅埋段，常规的做法是上覆土柱的重力减去两侧土体对土柱的摩擦阻力。浅埋黄土隧道围岩压力也可按谢家烋公式进行计算，谢家烋公式考虑了黄土的C、Ф值，应该说更结合了黄土隧道的特点。

根据长安大学公路学院在甘肃省谗口至兰州高速公路新庄岭隧道所做的测试（测试断面埋深82m），按谢家烋公式计算的围岩压力为803.5kPa，实测值为424.1 kPa，说明理论计算和实际还有较大差距。郑西客运专线按覆盖层45m计算，计算围岩均布压力为600 kPa，这个结果略大于按一般浅埋减去摩擦阻力的计算结果，对于超大断面黄土隧道是否合适，尚须实测验证。

3）深埋黄土隧道围岩压力计算

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常规的深埋隧道围岩压力计算方法存在着与实际情况不符的问题，设计中用得最多的是《铁路隧道设计规范》中的坍方高度公式，但是该公式是基于单线铁路隧道各类围岩坍方高度的平均值，是一种经验公式，对于开挖断面已达160m的大断面隧道，特别对于黄土隧道不一定合适。

另外，无论是太沙基理论还是普氏理论，均以松散体理论为基础，和《铁路隧道设计规范》中的坍方高度公式相似，都是不加支护情况下的最终坍落高度。然而大量的实测资料和理论分析均证明，深埋黄土隧道围岩压力主要为形变压力，作用在黄土隧道衬砌上的围岩压力其主要部分是由土体的塑性变形及长期蠕变引起的。如长安大学公路学院在谗口至兰州高速公路白虎山隧道所做的实测资料（测试断面处埋深167.5m），围岩压力分布较为均匀，并未明显表现出浅埋隧道特有的两侧墙脚压力大的特点。说明浅埋隧道和深埋隧道围岩压力差别较大，同时也说明以竖向力为主的坍方高度公式计算的围岩压力不适合于深埋黄土隧道。

传统的马蹄形隧道断面适用于竖直压力为主的松散压力理论，但随着隧道断面越修越大，以及土质或软弱围岩中隧道的大量修建，马蹄形断面已不能适应大断面土质隧道，越来越多的隧道采用边墙脚圆顺连接方式，这种形式更能适应深埋隧道形变压力的特点。《铁路工程设计技术手册•隧道》第457页中的深埋隧道弹塑性理论公式应该说比较适合黄土隧道的特点，计算结果较接近实测值，但对超大断面黄土隧道还须进一步验证。

西安理工大学刘祖典教授在《黄土力学与工程》一书中，对小断面黄土洞室推荐采用经验公式。

根据各种公式计算结果，郑西客专大跨黄土隧道垂直压力最大一般为60～80t/m。 （2） 荷载分配及计算结果

客专隧道二次衬砌按承受围岩压力的60%计算，通过各种工况计算分析，一般情况下二次衬砌均满足《铁路隧道设计规范》规定的安全系数，个别点不满足，通过配筋解决。

IV级浅埋二次衬砌内力及位移计算结果如图16-3-3。

2

2

弯矩图（kN.m） 轴力图（kN）

安全系数图 位移曲线图（mm）

图16-3-3 IV级浅埋内力及安全系数图

综上所述，无论是对黄土隧道围岩压力的认识，还是隧道结构的检算理论、方法基本上都是建立在普通岩石隧道的理论和经验基础上的，这就未能全面反映黄土这一特殊地层与隧道工程的内在客观联系，最后出现对同样的工程，不同的人，有不同的认识；不同的人用不同的计算理论其结果却相去甚远的情况。因此，对于黄土隧道工程，我们还应该结合具体的工程实践，开展大量、系统的研究工作，进一步探索黄土与隧道工程间内在、本质的联系。

第四节 湿陷性黄土隧道地基处理

一、湿陷性黄土隧道地基处理的目的和要求

进行湿陷性黄土隧道地基处理的目的就是要满足客运专线铁路对建筑物工后沉降的要求，保证高速铁路列车运营的安全。根据高速铁路设计暂规，路基的工后沉降要求一般地段不大于5cm，沉降速率应小于2cm/年；对于桥梁墩台均匀沉降量的容许值规定：有碴桥面为3cm、无碴桥面为2cm；暂规对隧道工后沉降未做规定，考虑到隧道工程的特点，隧道底板的工后沉降应以不超过桥梁基础工后沉降容许值为原则，即，有碴道床为3cm、无碴道床为2cm。

二、消除隧道基底黄土湿陷性的方法

客运专线铁路要求线路有高度的平顺性，若隧道基础为湿陷性黄土，则须考虑采取工程措

施消除地基黄土的湿陷性。

消除黄土湿陷性的措施很多，应根据具体的工程环境而定。一般来说，若隧道仰拱以下湿陷性黄土土层较薄，通常采用三七灰土换填；当因湿陷性黄土较深而换填不可行时，多采用挤密桩或置换施工法来消除黄土湿陷性。

隧道内地基加固的方法一般常见的有四种：（1）沉管成孔法；（2）钻孔夯扩法；（3）静压预制桩法；（4）高压旋喷法。其中，前3种属于挤密法，后一种为置换施工法。

（1）沉管成孔法：属于非排土型成孔法，根据施工机械的不同可采用振动沉管法、锤击沉管法、静压沉管法和冲击成孔法。

1）振动沉管法: 采用振动沉管机，将底端封闭的钢管沉入预定的基底深度，并边拔管边回填料，并利用振动/冲击装置挤密孔内的松散回填料，同时对庄周土体再次挤密（二次挤密）。由于此方法振动小，挤密效果好，成孔质量高，在采取正确的技术工艺后施工振动较小，对隧道初期支护结构和围岩的稳定影响不大，是首选方法。

2）锤击成孔法：采用打桩机将钢管打入土中至设计深度。锤击沉管成孔后，向孔内边填料边夯实，直至成桩。此方法振动和噪音较上述方法大，对隧道初期支护结构和围岩的稳定影响较大。

3）冲击成孔法：借助于机械提升后冲锤在自由下落时产生的冲击能量，对拟加固的基底冲击成孔，在此过程中对孔周土体进行侧向挤密。成孔达到设计深度后分层加入填料，同样利用冲锤自由下落时产生的冲击能量对松散回填料进行冲击挤密成桩，也对回填料挤密桩的桩周土再次进行挤密加固。

在隧道内，冲击挤密桩的施工是在开挖隧道只具有初期支护的条件下进行的。由于非饱和湿陷性黄土的敏感性，冲击振动将对隧道初期支护和黄土围岩产生不利影响，甚至可能造成严重后果。因此，必须对其振动效应进行监测和控制。

（2）钻孔夯扩法：如洛阳铲和工程地质钻机，属于排土型成孔法。钻孔直径约300～400mm。该方法振动小，但是挤密效果不如非排土型成孔法，也就是说，消除湿陷性黄土的效果不如上述（1）中所述的方法。

（3）静压预制桩法：静压桩是利用静压力将预制桩压入土中，同时对桩周土产生挤密作用。通过挤密作用可消除黄土的湿陷性，加固隧道基底。施工中没有振动和噪音，因此对隧道

围岩无振动影响。

（4）高压旋喷桩：高压旋喷桩法是利用沉入土层中的特制旋喷头，将水泥浆液高压（20～30MPa）喷出，直接冲切孔周土体，使土体与喷射水泥浆液就地搅拌混合，凝固后形成强度高的水泥土混合体，从而达到改善土体性质，提高强度和刚度，消除湿陷性的目的。

与上述各挤密桩的原理不同，高压旋喷桩法是一种强行置换固化方法。技术先进、质量可靠、进度快、施工中没有振动和噪音，因此对隧道围岩无振动影响。关键问题主要是工程造价较高。

三、现场试验

隧道基底加固完成后，应对基底加固效果进行测试，除密度，湿陷性，渗透性，抗剪强度，压缩模量等指标外，还有弹性抗力系数和基底承载力测试。

（一）围岩弹性抗力系数和黄土基底承载力的现场测试

黄土围岩弹性抗力系数是对黄土隧道进行设计计算的重要参数，至今我国尚缺乏这方面的可靠数据。同时，应对黄土加固处理后的承载力进行试验检测，以验证是否满足设计要求。

加固后基底承载力的试验应包括单桩和复合基底两部分。

测定的主要参数是：荷载-沉降（p～s）曲线，从中得出黄土围岩弹性抗力系数kv（MN/m）和基底承载力极限值pu（kN）。

试验简图如16-4-1图，可供现场试验参考。

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图16-4-1 平板荷载试验示意图

1. 黄土围岩弹性抗力系数的试验测定

根据图的平板载荷试验加载方案二，利用反力柱将千斤顶所施加的荷载传递到拱顶垫板，拱顶垫板和隧道顶部填以水泥砂浆（或弧形垫板），这样处理就可以近似认为荷载是均匀作用在隧道顶部围岩上。根据荷载、垫板面积以及荷载作用下产生的位移，就可以计算出围岩弹性抗力系数。

2．加固基底承载力试验

基底承载力检测方法采用平板载荷试验，承载板的面积为单根桩所承担的处理面积。为减小对隧道施工的干扰，可在隧道外进行复合基底承载力现场试验。

（1）试验装置

平板载荷试验由刚性承压板、加荷系统、反力系统和观测系统组成（见图8）。压板置于拟检测的基底表面，压板下设置20mm厚度的中粗砂平衡层。

加荷系统采用油压千斤顶，千斤顶的中轴线通过压板中心。反力系统采用堆载作为反力源，堆载量不小于承载力设计要求值的两倍。

监测荷载量值的伺服装置采用联于千斤顶及油泵上的0.4MPa级精密压力表。基底沉降采用百分表量测。

（2）复合基底载荷试验要点

采用此种试验方式时，应注意压板尺寸的选择和压板的安装。采用单桩复合基底试验方式时，压板面积为一根桩承担的处理面积，实际选择时应根据基底处理时的施工图计算。压板的安装时要特别注意压板下面应该只有一根桩，且应该使压板的中心与桩的中心对正。

（3）复合基底承载力特征值的确定：

①当压力—沉降曲线上极限荷载能确定，而其值不小于对应比例界限的2倍时，可取比例界限；当其值小于对应比例界限的2倍时，可取极限荷载的一半；

②当压力—沉降曲线是平缓的光滑曲线时，可按相对变形值确定：

（a）对土挤密桩、石灰桩或柱锤冲扩桩复合基底，可取s/b或s/d=0.012所对应的压力。对灰土挤密桩复合基底，可取s/b或s/d=0.008所对应的压力。

（b）对水泥粉煤灰碎石桩或夯实水泥土桩复合基底，当以粘性土、粉土为主的基底，可取s/b或s/d=0.01所对应的压力。

（c）对水泥土搅拌桩或旋喷桩复合基底，可取s/b或s/d=0.006所对应的压力。

第五节 黄土隧道设计施工注意事项

一、在设计、施工中贯彻“短进尺，禁爆破，小开挖，早支护，勤量测，快调整，速排水，紧衬砌，早封闭”的原则。

黄土隧道的开挖应该完全采用机械开挖或人工开挖，坚决杜绝爆破。开挖进尺应严格控制在满足两榀钢拱架之间的距离，即0.5～1.0m；建议采用双侧壁法、CRD或CD法分部小面积开挖。

勤量测，快调整。是指在初次开挖到仰拱施工前的这段时间，每天至少有两次量测，并根据量测的数据和必要的数值模拟，及时调整支护参数和施工方案。

从黄土隧道变形发展的规律来看，具有明显的关键控制点——仰拱封闭的时间，因此要控制初期支护的变形量就必须尽早封闭仰拱，而且仰拱要有足够的刚度来承担拱墙传递下来的应力。

另外，黄土隧道刚开挖时，掌子面附近较干燥，若不及时喷砼封闭，地下水会随时间的发展而逐渐渗透积聚。因此，施工方法和设计的初期支护参数要围绕早封闭进行（包括封闭掌子面）。

二、设计施工中应重视黄土垂直节理

黄土隧道围岩垂直节理特别发育，其存在是导致隧道拱顶坍塌的关键因素，在设计图中应强调“在施工中要特别注意观察垂直节理，注意判断、评价其对隧道工程的影响，必要时应采取工程措施，防止坍方事故的发生。”

三、地质勘探资料要求完整、准确

鉴于地下水对黄土隧道施工的影响远远大于普通岩石隧道，而不同地区黄土物理力学性质差异较大。要求地质专业对围岩级别进行细分，各级围岩均应增加天然含水量、塑性指数、液限、液性指数、压缩系数、压缩模量、弹性抗力系数、天然孔隙比等参数，以便隧道专业在设

计中对每座隧道的黄土性质有准确的判定。

四、重视地表冲沟，陷穴对隧道工程的影响

黄土地区另一大特点是地表冲沟、陷穴发育，形成地形浅埋、偏压以及地表水下渗，从而降低围岩物理力学指标，恶化隧道结构的受力条件。在勘测应详细收集地表冲沟、陷穴资料及线路关系；在设计时，对冲沟、陷穴应采取回填夯实、填土反压、改变地表水经流条件等设计措施，避免地表水下渗危及隧道工程。