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1、黄土工程地质,黄土隧道有关问题,一、黄土隧道地质类型,甲类：围岩为中下更新统黄土，物理力学性质好，无湿陷，稳定性好。乙类：中更新统上部黄土，无湿陷或弱湿陷，工程性能较好。夹多层古土壤。丙类：围岩为新黄土。工程性能差。,黄土状土隧道： 黄土或黄土状土夹砂层，黄土塬下部及河流两岸阶地，有时砂层厚十多米。在含地下水的情况下，最易产生喷砂冒水坍塌、冒顶等事故，以砂层在拱顶分布者对隧洞稳定最为不利。,二、黄土隧道的线路选择,地形上，应选择洞身最短的位置穿过黄土塬、梁或黄土塬嘴，在隧洞进出口地带均有大小不同的冲沟或弯道，而梁两边相对较大的沟道，可能是洞身最短的洞线位置。 A、隧洞位置的塬梁地面，应该是平整
2、的或凸起的地形； B、隧洞线路表面不应有洼地存在，特别应避免封闭式的存储地表径流的洼地； C、洞线也应避开塬面上的较大渠道，否则，集流洼地和渠道的水，可能成为隧洞的不稳定因素,(2)地质构造方面，黄土构造大裂隙、区域性的构造裂隙， 一般有几组，要通过调查、访问和勘探，找出最发育的一组或洞线附近最大的几条。该类裂隙宽度大，影响深，平时被地表黄土覆盖，大暴雨或地震时，部分的裂开而暴露，群众称为“流海缝“或“龙缝”这种“龙缝”可能有的沿沟谷或洼地发育，成为地面水的排泄通道洞线选在大裂隙网一方位上，是极不利的选择。,(3)岩性上，时代愈老，强度愈高作为隧洞围岩稳定性愈好。厚层钙质结核层作为洞顶围岩，将
3、是最理想的洞线方案。,(4)隧洞穿过滑坡体: A、应首先查明该滑坡的滑动面深度，各滑块的位置关系，滑坡体岩性分布及地下水情况； B、证明该滑坡体早已稳定，且不可能再复活。一般稳定的古滑坡或老滑坡，方可允许隧洞从滑坡体穿越； C、研究隧洞穿越滑坡体的方案。最有利的洞线方案是沿坡体中段的较大滑块的中部而且选择整体滑移，岩层错乱少，岩性较均一的滑块 D、各滑块的交界处，裂隙发育，岩性混杂。洞线通过滑块交界处，对隧洞和滑坡稳定都不利。,(5)地下水条件 黄土在水下处于近饱和状态，排水量不一定大，但洞顶洞壁的稳定性差，施工条件较水上非饱和黄土差得多，如果洞线是冲积黄土状土，中间是水平层理的细粉砂层或较粗
4、的砂砾层，洞身位于水下会产生流砂和排水困难的严重问题。选线时应设法使洞身置于地下水位以上。使洞线在原线路上向上升高。,三、黄土隧洞进、出口的布置,隧洞进出口的斜坡地段，岩性变化大，自然地质作用发育，地质问题较多。一般说，黄土隧洞进、出口选择过程应考虑的地质问题主要是： (1) 隧洞进出口的岩性变化 洞身一般深埋于地下，大多置于老黄土地层中。进出口洞身浅，且处于斜坡地段，可能有新黄土或新近堆积黄土存在。隧洞进、出口段围岩由工程性质较差的湿陷性黄土构成，将成为一个不稳定因素。选线中对厚层的湿陷性黄土层应绕道，对簿层的则可开挖掉。 (2)洞脸边坡的稳定问题。 隧洞进、出口洞脸常被削成人工边坡，这种黄
5、土高边坡如有大的崩塌或滑移，将堵塞洞口造成事故，因而洞脸边坡稳定问题，是隧洞进、出口方案比较的主要问题之一。 (3)隧洞进、出口沟谷两岸的稳定性。 隧洞进、出口洞脸两侧将受到沟谷两岸岸坡稳定性的影响。选作隧洞进、出口的沟谷，两岸应是稳定的，特别应注意的是，进、出口沟谷不能是天然泥石流或泥流的排导通道,四、黄土隧洞设计方法和历史,尽管黄土地下建筑在我国已有几千年的历史，但是对其设计计算理论进行系统的研究，还是从上世纪60年代初开始的。由于以往在地下洞室设计计算中所采用的唯一模型是“荷载结构物”模型，即把作用在衬砌上的围岩压力作为外加荷载，只要荷载确定了，则就像地面建筑那样，利用结构力学理论，进行
6、衬砌的设计计算。所以在地下洞室的设计计算中，围岩压力的确定就成为问题的关键。黄土地下洞室也不例外，黄土洞室设计计算理论的研究大致经历了三个阶段。,(1) 上世纪50年代、60年代的设计以普氏理论为基础。通过大量工程实践，发现普氏理论对我国黄土洞室适用性差，按普氏理论所算得的围岩压力值大大超过实测结果，其所假定的压力分布形式及侧荷载系数也与实际不符。按此设计的衬砌普遍偏厚，造成很大浪费；随后才引起对黄土洞室围岩压力问题的系统研究。 (2) 60年代初提出以工程地质类比法指导设计并对黄土按地下洞室稳定性要求作了相应的分类。 (3) 70年代中提出以工程地质类比为主，力学计算为辅，必要时用实测的方法
7、指导设计。,五、黄土隧洞变形破坏,大量的工程实践表明，无支护黄土洞室一般均不能保持长期稳定。塌方、片帮和衬砌开裂、渗漏等是黄土隧道的的主要变形破坏形式。其中塌方破坏最为严重。,对于埋深20一50m，跨度610m的洞室，拱顶最大下沉量约3一5cm地表沉降量很小，土体变形随着掘进和时间的增长而增长，增长速率开始较快，以后逐渐减慢，并趋于稳定，基本稳定时间约34个月。,塌方,塌方是黄土隧道最为集中的问题，也是破坏性最大、造成损失最为严重的工程问题。塌方事故的发生主要集中在隧道进出口段或地质条件发生突变的地层中。,片帮和衬砌开裂,片帮黄土隧道开挖后，由于开挖导致局部应力集中和软弱结构面的存在而引起的。
8、衬砌裂缝随黄土围岩变形的增大，初次衬砌将承受越来越大的压力，导致衬砌开裂，格栅或钢拱架发生严重弯曲变形。衬砌开裂的主要原因是衬砌形式与实际压力分布不适应，还可能是由于喷射混凝土在硬化过程中的自身收缩和施工过程中气温变化所致。,渗 漏,渗漏是含水率较丰富或大气降雨相对充足的黄土隧道所面临的工程问题 1、部分黄土隧道在开挖过程中，由于含水层储水和排泄条件差，土体呈可塑或潮湿状，涌水量较大； 2、有的隧道在开挖当时基本无水，但建成使用数年后却有了水，甚至水量还相当多。若施工防排水问题未引起重视，隧道运营中会出现渗漏与拱脚沉降，并造成拱顶、拱墙、路面裂缝等。 隧道渗水主要通过拱顶、边墙接缝、排水沟孔、
9、墙角部位渗出，渗漏不仅会使围岩自稳能力降低，造成局部地层软化，而且还会侵蚀普通混凝土，改变支护结构的受力特性，给隧道的安全运营带来威胁。,六、黄土隧洞围岩压力规律,(1) 对于工程中常用的洞跨，无衬砌时一般均不能保持长期稳定。一旦作了衬砌，只要其以后工程地质、水文地质条件无异常，则通常总能保持稳定。在现有的工程常用的洞形及高跨比下，当土质均匀时，无衬砌洞的塌方一般首先在拱肩或两侧，然后随着洞形及应力条件变化向洞顶发展。塌方的主要特征是脆性剪切破坏。 (2) 现有的黄土洞室埋深大都在20一50m，这些洞室的衬砌大部分是“薄”衬砌(是指比按普氏塌落拱理论所设计的衬砌薄)。这些衬砌有些虽然在拱腰内缘
10、出现拉裂缝但却能保持相对稳定。,(3) 洞周土体变形不是局限于洞周附近的一个小范围内，而是在由洞壁直至地表的一个很大范围内连续变化，逐渐减小，衬砌后在洞周一定范围内没有发现土体变形有突然的、明显的变化。最大变形发生在拱顶。对埋深2050m跨度610m的洞室，拱顶最大下沉量约30mm，地表最大下沉量5一10mm。土体变形随掘进和时间逐渐增长，开始较快，以后逐渐减小，最后趋于稳定。土体位移u和时间t的关系可用双曲线描述。,对现浇或预制衬砌，在现有的施工条件下，衬砌位移方向一般均是由两侧指向洞内，拱顶指向洞外。,(4) 与土体变形相似，作用在衬砌上的围岩压力也没有突然性，它也是随着掘进与时间的增长而
11、增长。并随着土体变形的稳定而稳定。围岩压力基本稳定时间也为34个月。它与时间t的关系也可用双曲线描述。,七、黄土隧洞围岩压力机理,作用在黄土洞室衬砌上的围岩压力，其主要部分不是由于土体坍塌而引起的松动压力，而是由于地层变形、挤压衬砌所产生的变形压力。,断面所释放的弹性位移与进深的关系,八、黄土隧洞围岩压力估算,(1) 工程地质类比法： 掌握了黄土隧洞的地形地质条件，再根据直接影响隧洞黄土压力的各种地质及工程因素与已修建遂洞进行对比，从而确定隧洞黄土的稳定性及地层压力（初始应力状态、地层结构、物理力学性质、开挖方法、衬砌时间、洞室埋深等）。 (2) 普氏计算公式： 虽然适用性差，但应用简单，多偏
12、于安全，仍在应用。,(3) 弹塑性计算方法：,(4) 有限元计算方法 采用有限元等数值模拟方法计算围岩压力,九、黄土隧洞支护及开挖方法,目前，应用于黄土隧道的支护措施主要有以下几种：挂网、系统锚杆、喷射混凝土、注浆、钢格栅、钢拱架、超前小管棚以及大管棚等。通常情况下，多种支护措施将联合使用，以确保隧道围岩的稳定性。1、喷射混凝土是隧道工程中应用最为广泛的支护措施，喷层厚度以 1525 cm 为宜，喷层太薄会使围岩变形较大，喷层易产生裂缝；2、黄土隧道中锚杆作用一直以来颇受争议，学者们进行了专门的研究，结果表明锚杆对隧道位移控制、确保衬砌受力的合理性以及对塑性区的控制仍有明显的效果，可以作为主要
13、的支护手段之一。合理的锚杆长度为 2.53.0 m，长度超过 3 m 后锚杆作用就不很明显。,支护方法,3、注浆主要适应于围岩比较破碎、地层含水率丰富的黄土隧道。近期出现的水泥-水玻璃双液注浆在加固隧道围岩破碎带中具有显著的效果。4、超前小管棚加注浆是浅埋偏压隧道通常采用的一种超前支护技术，亦可应用于软弱地层，其实质是在拟开挖的地下隧道或结构的衬砌拱圈隐埋弧线上，预先设惯性力矩较大的厚壁钢管，起临时超前支护作用，防止土层坍塌和地表下沉，以保证掘进和后续支护工艺安全运作。超前小管棚的长度约为 36 m，直径约为 48 cm，搭界长度一般不小于 1.2 m， 环向间距约为 3050 cm， 倾角为
14、 1 5 。5、大管棚一般是针对隧道进出口段超浅埋新黄土设置的一种强力支护，长度可达 30 m 左右，直径直径约 10 cm。6、钢拱架也是一种强力支护措施，多见于围岩较破碎和隧道进出口段。,开挖方法,施工方法及开挖方式对围岩稳定性有重要的影响。常见的黄土隧道施工方法有：全断面开挖法、先拱后墙法、先墙后拱法、CRD法、盾构法等。具体的开挖方式要根据隧道类型、截面尺寸、埋深、围岩类别、水文条件、施工机械等确定。,CRD工法示意图,湿陷性黄土隧道岩土环境条件分级,十、湿陷性黄土隧道问题,湿陷性黄土隧道浸水环境条件分级,湿陷性黄土隧道的环境分级,依据铁路路基沉降变形控制标准，建筑地基湿陷变形引起结构
15、破坏的调查结果，以及隧道地基湿陷变形引起衬砌结构力学性状的变化，分析确定隧道地基的湿陷等级。,隧道地基湿陷等级划分,铁路路基设计中要求有碴轨道建成后沉降变形小于 5 cm，可以满足时速 200 km/h 以上列车的运行；有碴轨道建成后沉降变形小于 15 cm，可以满足时速 200 km/h 时速列车的运行。依据GB500252004），当自重湿陷变形量小于7cm时，属非自重湿陷性地基。对于乙类建筑，地基处理后剩余湿陷变形量在 1322 cm之间时，结构出现较轻微的裂缝。,十一、小 结,1、约70%以上隧道从Q2黄土中穿行；2、主要破坏类型是塌方；3、建成后，隧道周围水力平衡被打破，汇水长廊（围岩饱水带）的形成是黄土工程问题产生的主要问题；4、隧道进出口段和地质条件发生突变的地层是工程问题发生的主要部位；5、施工中减少结构扰动以及防排水的影响对保证隧道安全非常重要。,
