1、铁道第一勘察设计院大跨黄土隧道设计与施工技术大跨黄土隧道设计与施工技术一、黄土的分布及基本特征一、黄土的分布及基本特征二、黄土隧道的变形特征二、黄土隧道的变形特征三、黄土隧道的围岩压力三、黄土隧道的围岩压力四、以往黄土隧道的设计、施工、坍塌、病害情况四、以往黄土隧道的设计、施工、坍塌、病害情况五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见六、大跨黄土安全施工对策六、大跨黄土安全施工对策 随着我国国民经济的发展，目前铁路进入新一轮随着我国国民经济的发展，目前铁路进入新一轮建设高潮，根据建设高潮，根据中长期铁路网规划中长期铁路网规划，到，到2020年全年全国铁路运营里程达到国
2、铁路运营里程达到10万公里，初步统计，客运专线万公里，初步统计，客运专线隧道将超过隧道将超过1000Km。其中郑西、西兰、太中银、包西。其中郑西、西兰、太中银、包西等线黄土隧道占很大比例，其最大开挖断面达等线黄土隧道占很大比例，其最大开挖断面达160m2左左右，为特大断面隧道，而我们仅有一些常规铁路单双右，为特大断面隧道，而我们仅有一些常规铁路单双线（或公路）隧道的设计和施工经验，设计、施工和线（或公路）隧道的设计和施工经验，设计、施工和科研面临巨大的难题，需建管、设计、施工、科研单科研面临巨大的难题，需建管、设计、施工、科研单位共同努力，协同攻关。现结合以往铁路、公路黄土位共同努力，协同攻关
3、。现结合以往铁路、公路黄土隧道经验谈谈自己对大跨黄土隧道设计施工的初步意隧道经验谈谈自己对大跨黄土隧道设计施工的初步意见，达到抛砖引玉的目的。见，达到抛砖引玉的目的。一、黄土的分布及基本特征一、黄土的分布及基本特征 我国黄土的分布面积我国黄土的分布面积63.5万万km2，约占全国，约占全国陆地面积的陆地面积的6.6，主要分布在我国西北、华北，主要分布在我国西北、华北等地。我国黄土以分布广、厚度大、地层层序等地。我国黄土以分布广、厚度大、地层层序完整、古土壤清楚而著称于世，黄土的地层一完整、古土壤清楚而著称于世，黄土的地层一般可分为二大组。般可分为二大组。一、黄土的分布及基本特征一、黄土的分布及
4、基本特征 1、老黄土、老黄土(Q1、Q2)：其大孔结构多经压密，一：其大孔结构多经压密，一般不具湿陷性，土的承载力较高。主要分布在陕甘黄般不具湿陷性，土的承载力较高。主要分布在陕甘黄土高原，覆盖在第三纪红土层或基岩上。土高原，覆盖在第三纪红土层或基岩上。2、新黄土（、新黄土（Q3、Q4)：广泛覆盖在老黄土之上，广泛覆盖在老黄土之上，质地均匀，具有多孔性，有肉眼能看到的大孔隙，呈质地均匀，具有多孔性，有肉眼能看到的大孔隙，呈松散结构状态，密度低，在北方各地分布很广，与工松散结构状态，密度低，在北方各地分布很广，与工程建设关系密切，一般都具有湿陷性。程建设关系密切，一般都具有湿陷性。一、黄土的分布
5、及基本特征一、黄土的分布及基本特征 基本特征：基本特征：黄土是第四纪干旱、半干旱气候条件黄土是第四纪干旱、半干旱气候条件下形成的一种特殊土，基本色调是黄色；下形成的一种特殊土，基本色调是黄色；颗粒成分以颗粒成分以粉粒粉粒（颗粒直径为（颗粒直径为0.0750.005mm）为主，约占）为主，约占5075，几乎没有大于，几乎没有大于0.25mm的颗粒；一般无明的颗粒；一般无明显层理，有堆积间断的剥蚀面和埋藏的古土壤层；具显层理，有堆积间断的剥蚀面和埋藏的古土壤层；具柱状节理，柱状节理，垂直节理发育，直立性强垂直节理发育，直立性强(C、水平、垂水平、垂直差异直差异）；表层多具湿陷性，易产生潜蚀，形成陷
6、；表层多具湿陷性，易产生潜蚀，形成陷穴。穴。各地区黄土的总厚度不一。一般来说，高各地区黄土的总厚度不一。一般来说，高原地区较厚，而以陕甘黄土高原最厚，达原地区较厚，而以陕甘黄土高原最厚，达100200m，而其他高原地区一般只有，而其他高原地区一般只有30100m。河。河谷地区的黄土总厚度一般只有几米到谷地区的黄土总厚度一般只有几米到30m。郑西客专黄土物理力学参数表郑西客专黄土物理力学参数表二、黄土隧道的变形特征二、黄土隧道的变形特征 （一）新黄土隧道（一）新黄土隧道 新黄土（新黄土（Q3、Q4)大孔发育，具垂直节理，土质结构大孔发育，具垂直节理，土质结构松散稍密中密，含水量较小，一般松散稍密
7、中密，含水量较小，一般515，易产生易产生天生桥和陷穴，覆盖于地表天生桥和陷穴，覆盖于地表,厚度一般厚度一般3050m。由于其垂。由于其垂直节理发育，在垂直节理面上因节理切割形成竖向软弱面，直节理发育，在垂直节理面上因节理切割形成竖向软弱面，软弱面之间粘聚力软弱面之间粘聚力(C)很小，多个软弱面互相切割很小，多个软弱面互相切割,形成与形成与周边围岩粘聚力很小的棱体，在下部开挖隧道时形成临空周边围岩粘聚力很小的棱体，在下部开挖隧道时形成临空面，受开挖扰动和支护缺陷，在重力的作用下棱体塌落形面，受开挖扰动和支护缺陷，在重力的作用下棱体塌落形成塌方。根据对其变形分析成塌方。根据对其变形分析,在新黄土
8、（在新黄土（Q3、Q4)地层，正地层，正常情况下围岩变形小。在破坏时围岩变形释放快、具突然常情况下围岩变形小。在破坏时围岩变形释放快、具突然性，属脆性破坏，性，属脆性破坏，故要强调变形的控制。故要强调变形的控制。二、黄土隧道的变形特征二、黄土隧道的变形特征二、黄土隧道的变形特征二、黄土隧道的变形特征 侯月线百家垣隧道地表、拱顶下沉位移图，侯月线百家垣隧道地表、拱顶下沉位移图，反映了该隧道衬砌前的最大沉降值。反映了该隧道衬砌前的最大沉降值。二、黄土隧道的变形特征二、黄土隧道的变形特征 宝兰二线码头隧道双层复合式衬砌试验断面宝兰二线码头隧道双层复合式衬砌试验断面水平收敛位移图，反映了该隧道衬砌前水
9、平收敛水平收敛位移图，反映了该隧道衬砌前水平收敛已趋稳定。已趋稳定。（二）老黄土隧道（二）老黄土隧道 一般覆于新黄土之下，埋深较大，一般覆于新黄土之下，埋深较大，含水量为含水量为1540。与隧道位置原始地应力相比，其围岩强度与隧道位置原始地应力相比，其围岩强度低，围岩容易发生屈服形成塑性区，这时的变形为低，围岩容易发生屈服形成塑性区，这时的变形为塑性变形塑性变形，可进行柔性支护和，可进行柔性支护和适度释放变形适度释放变形，但若，但若无支撑或支护强度不足围岩蠕变过大，会脱落形成无支撑或支护强度不足围岩蠕变过大，会脱落形成塌方。塌方。因其因其为塑性变形，为塑性变形，初期支护的变形有一个初期支护的变
10、形有一个发展过程，故变形规律可采用监控量测手段监控。发展过程，故变形规律可采用监控量测手段监控。二、黄土隧道的变形特征二、黄土隧道的变形特征二、黄土隧道的变形特征二、黄土隧道的变形特征 宝中线大寨岭隧道水平收敛位移图，反映宝中线大寨岭隧道水平收敛位移图，反映了该隧道水平收敛呈继续发展趋势。了该隧道水平收敛呈继续发展趋势。二、黄土隧道的变形特征二、黄土隧道的变形特征 宝中线大寨岭隧道水平收敛位移图，它反映了宝中线大寨岭隧道水平收敛位移图，它反映了该隧道在调整支护参数后水平收敛、拱顶下沉已趋该隧道在调整支护参数后水平收敛、拱顶下沉已趋稳定。稳定。深埋老黄土隧道其变形具深埋老黄土隧道其变形具蠕变特性
11、蠕变特性，它有一，它有一个发展过程，若监控量测位移不收敛，应加强初个发展过程，若监控量测位移不收敛，应加强初期支护或调整施工方法或及时施做二次衬砌。期支护或调整施工方法或及时施做二次衬砌。对老黄土隧道而言对老黄土隧道而言含水量的大小含水量的大小对施工的影对施工的影响很大，直接影响围岩稳定、开挖安全、初期支响很大，直接影响围岩稳定、开挖安全、初期支护稳定、二次衬砌变形。护稳定、二次衬砌变形。三、黄土隧道的围岩压力三、黄土隧道的围岩压力三、黄土隧道的围岩压力三、黄土隧道的围岩压力 （一）深浅埋隧道的划分（一）深浅埋隧道的划分 铁路隧道设计规范铁路隧道设计规范(TB10003-2005)中关中关于深
12、浅埋隧道的划分标准，其覆盖厚度按塌方于深浅埋隧道的划分标准，其覆盖厚度按塌方高度的高度的2.5倍确定的。倍确定的。三、黄土隧道的围岩压力三、黄土隧道的围岩压力围岩级别围岩级别单线隧道单线隧道5 57 71010141418182525双线隧道双线隧道8 810101515202030303535浅埋隧道覆盖厚度值（浅埋隧道覆盖厚度值（m）三、黄土隧道的围岩压力三、黄土隧道的围岩压力 铁路工程设计技术手册铁路工程设计技术手册依据调查和依据调查和统计资料，对深埋和浅埋黄土隧道的分界统计资料，对深埋和浅埋黄土隧道的分界深度深度,单线隧道为单线隧道为15-25m，双线隧道为，双线隧道为20-50m。三
13、、黄土隧道的围岩压力三、黄土隧道的围岩压力 黄土隧道的深浅埋分界与黄土的特性如粘黄土隧道的深浅埋分界与黄土的特性如粘粒的含量（局域性）、含水量等及与隧道的跨粒的含量（局域性）、含水量等及与隧道的跨度有关，对新黄土而言，其覆盖厚度一般为度有关，对新黄土而言，其覆盖厚度一般为3050m，深浅埋分界目前可按，深浅埋分界目前可按4050m为宜，为宜，若太大依据不足。若太大依据不足。三、黄土隧道的围岩压力三、黄土隧道的围岩压力三、黄土隧道的围岩压力三、黄土隧道的围岩压力 （二）围岩压力的确定（二）围岩压力的确定 1、新黄土隧道、新黄土隧道 根据对新黄土地层变形分析，隧道在开挖后，根据对新黄土地层变形分析
14、，隧道在开挖后，浅埋黄土地表会形成沉降槽，但沉降过大时，沉降浅埋黄土地表会形成沉降槽，但沉降过大时，沉降体延垂直节理面滑错，使隧道结构承担上部全部土体延垂直节理面滑错，使隧道结构承担上部全部土体重量。目前对浅埋（含偏压）黄土隧道围岩压力体重量。目前对浅埋（含偏压）黄土隧道围岩压力的确定，采用谢家休公式进行计算，其属于松弛压的确定，采用谢家休公式进行计算，其属于松弛压力概念。力概念。三、黄土隧道的围岩压力三、黄土隧道的围岩压力 2、老黄土隧道、老黄土隧道 一般覆于新黄土之下，埋深较大，含水量为一般覆于新黄土之下，埋深较大，含水量为1540。当隧道开挖后施做初期支护后，围岩发生塑性并形。当隧道开挖
15、后施做初期支护后，围岩发生塑性并形成塑性区，在初支有效约束围岩变形的情况下，来自围成塑性区，在初支有效约束围岩变形的情况下，来自围岩的压力传递至初支再作用于衬砌结构，这时对结构形岩的压力传递至初支再作用于衬砌结构，这时对结构形成成形变压力形变压力。若围岩塑性变形过大或开挖、支护缺陷，。若围岩塑性变形过大或开挖、支护缺陷，使岩体持续变形，则造成松弛岩体延节理面脱落形成塌使岩体持续变形，则造成松弛岩体延节理面脱落形成塌方。结构承担荷载由方。结构承担荷载由形变压力转变为松弛压力形变压力转变为松弛压力。故对深埋黄土隧道应重视形变压力的同时，应强调故对深埋黄土隧道应重视形变压力的同时，应强调松弛压力概念
16、，应采用塌方高度作为围岩的垂直荷载进松弛压力概念，应采用塌方高度作为围岩的垂直荷载进行结构分析。行结构分析。侯月线百家垣隧侯月线百家垣隧道双线老黄土试验道双线老黄土试验（隧道跨度（隧道跨度12.2m）径向压力分布图径向压力分布图,从从图可以看出图可以看出,拱腰和拱腰和拱脚的压力大于拱拱脚的压力大于拱顶压力，侧压力系顶压力，侧压力系数接近数接近1。三、黄土隧道的围岩压力三、黄土隧道的围岩压力径向压力分布图径向压力分布图(MPa)宝兰二线码头双线宝兰二线码头双线隧道双层复合式衬砌试隧道双层复合式衬砌试验（隧道跨度验（隧道跨度11.9m，面，面积积113m2）径向压力分布）径向压力分布图图,从图可以
17、看出从图可以看出,围岩与围岩与第一层衬砌之间的压应第一层衬砌之间的压应力要大于两层模筑衬砌力要大于两层模筑衬砌之间的压应力，说明第之间的压应力，说明第一层衬砌主要承担围岩一层衬砌主要承担围岩压力；拱腰和拱脚的压压力；拱腰和拱脚的压力大于拱顶压力，侧压力大于拱顶压力，侧压力系数大于力系数大于1。三、黄土隧道的围岩压力三、黄土隧道的围岩压力径向压力分布图径向压力分布图(MPa)宝兰二线码头双线隧道双层复合式衬砌试验宝兰二线码头双线隧道双层复合式衬砌试验（隧道跨度（隧道跨度11.9m，面积，面积113m2）压应力时间曲线）压应力时间曲线(MPa)，从图中看出，前，从图中看出，前20天围岩压力变化明显
18、，以天围岩压力变化明显，以后渐趋稳定。后渐趋稳定。三、黄土隧道的围岩压力三、黄土隧道的围岩压力压应力时间曲线压应力时间曲线(MPa)新 庄 岭 公 路新 庄 岭 公 路隧道（开挖面积隧道（开挖面积106m2）压力分布）压力分布图图(MPa)，从图，从图可以看出可以看出,拱腰和拱腰和拱脚的压力大于拱脚的压力大于拱顶压力，与铁拱顶压力，与铁路科研结论一致。路科研结论一致。三、黄土隧道的围岩压力三、黄土隧道的围岩压力新庄岭公路隧道压力分布图新庄岭公路隧道压力分布图(KPa)四、以往黄土隧道的科研、设计、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况施工、坍塌、病害情况 （一）黄土隧道科研、设计、
19、施工简况（一）黄土隧道科研、设计、施工简况 在以往铁路大线中，如宝中线、侯月、神延在以往铁路大线中，如宝中线、侯月、神延线、宝兰线，黄土隧道的设计采用锚喷支护、模线、宝兰线，黄土隧道的设计采用锚喷支护、模筑衬砌或复合式衬砌结构形式，一般双线隧道采筑衬砌或复合式衬砌结构形式，一般双线隧道采用台阶法（拱部留核心土弧形开挖）施工，情况用台阶法（拱部留核心土弧形开挖）施工，情况复杂时采用分部施工方法，如宝兰二线曲儿岔隧复杂时采用分部施工方法，如宝兰二线曲儿岔隧道（双线，面积道（双线，面积120m2）在下穿既有线时采用）在下穿既有线时采用CRD法施工。法施工。四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往
20、黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 1、黄土隧道科研简况、黄土隧道科研简况 在以往各铁路大线中，铁一院自七十年代开始主在以往各铁路大线中，铁一院自七十年代开始主持了部内全部的与黄土有关的科研项目：持了部内全部的与黄土有关的科研项目：1）崾岘河黄土隧道试验崾岘河黄土隧道试验（79年），在崾岘年），在崾岘河隧道（单线）开展的黄土隧道试验研究工作的基河隧道（单线）开展的黄土隧道试验研究工作的基础上，编制了础上，编制了单线电化铁路老黄土隧道衬砌和洞单线电化铁路老黄土隧道衬砌和洞门门（壹隧（壹隧0042）部参考图。）部参考图。2）在宝中线）在宝中线大寨岭隧道开展了新奥法的施工大寨岭
21、隧道开展了新奥法的施工验证试验验证试验（93年），据此，在黄土隧道中采用新年），据此，在黄土隧道中采用新奥法原理进行设计和施工得以推广。奥法原理进行设计和施工得以推广。四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 3）在宝中线老头沟隧道开展了）在宝中线老头沟隧道开展了黄土偏压黄土偏压单线铁路隧道受力特性及设计施工技术单线铁路隧道受力特性及设计施工技术。4）在侯月线百家垣隧道（双线）开展了黄）在侯月线百家垣隧道（双线）开展了黄土隧道试验研究工作，课题名称：土隧道试验研究工作，课题名称：双线铁路老双线铁路老黄土隧道衬砌设计与施工研究试验黄土隧
22、道衬砌设计与施工研究试验，并据此编，并据此编制了制了双线电化铁路老黄土隧道衬砌和洞门双线电化铁路老黄土隧道衬砌和洞门（壹隧（壹隧0053）部参考图。）部参考图。四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 5）在神延线针对本线隧道黄土的特性，开）在神延线针对本线隧道黄土的特性，开展了展了土质隧道衬砌断面优化设计研究土质隧道衬砌断面优化设计研究工程试工程试验项目，并在部分深埋黄土隧道中采用了优化后验项目，并在部分深埋黄土隧道中采用了优化后的衬砌断面。的衬砌断面。6）在神延线宋家坪隧道浅埋偏压新黄土段）在神延线宋家坪隧道浅埋偏压新黄土段开展了
23、开展了水平旋喷预支护技术研究水平旋喷预支护技术研究工程试验项工程试验项目。目。四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 7）在宝兰二线码头隧道（双线）双层模筑）在宝兰二线码头隧道（双线）双层模筑复合式衬砌试验，课题名称：复合式衬砌试验，课题名称：双线隧道软弱围双线隧道软弱围岩双层模筑复合式衬砌试验研究岩双层模筑复合式衬砌试验研究。通过现场量。通过现场量测、土工试验及结构分析，以获取双层模筑复合测、土工试验及结构分析，以获取双层模筑复合式衬砌的适用范围、结构设计参数及优缺点，用式衬砌的适用范围、结构设计参数及优缺点，用以指导设计和施工。
24、以指导设计和施工。四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 目前，黄土隧道设计、施工的一些理念、思目前，黄土隧道设计、施工的一些理念、思路，指导原则，施工方法和注意事项均吸收了上路，指导原则，施工方法和注意事项均吸收了上述研究的精华和成果。述研究的精华和成果。2、侯月线百家垣隧道设计、施工情况、侯月线百家垣隧道设计、施工情况 百家垣隧道长百家垣隧道长344.5m,双线，隧道洞身通过双线，隧道洞身通过Q2pl黄土质砂粘土地层黄土质砂粘土地层,最大埋深最大埋深45m。为铁道部科研。为铁道部科研试验工点，目的是研究适应老黄土地层的双线隧试验
25、工点，目的是研究适应老黄土地层的双线隧道衬砌断面以及合理的施工方法。道衬砌断面以及合理的施工方法。四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 围岩级别 初 期 支 护预留变形量二 次衬 砌喷层系统锚杆钢筋网8钢架位置锚杆类型长度 间距位置间距钢架类型间距拱墙仰拱Cm(m)(m)(cm)榀/m(cm)(cm)(cm)甲式15拱墙砂浆31*1拱墙25*25 格栅1204540乙式15砂浆31*125*25 格栅1205550百家垣隧道双线老
26、黄土试验支护参数表百家垣隧道双线老黄土试验支护参数表 隧道施工采用拱部留核心土弧形开挖，正台阶隧道施工采用拱部留核心土弧形开挖，正台阶法施工，施工主要以人工开挖为主。法施工，施工主要以人工开挖为主。四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 百家垣隧道开挖步序百家垣隧道开挖步序 3、宝兰二线码头隧道设计施工情况、宝兰二线码头隧道设计施工情况 宝兰二线双线隧道较多，如码头、东口、平宝兰二线双线隧道较多，如码头、东口、平套、新玉石嘴套、新玉石嘴1、2号、曲儿岔等隧道，均通过了号、曲儿岔等隧道，均通过了黄土地层。码头隧道长黄土地层。码头隧道长
27、429m，最大埋深，最大埋深45m。为。为部科研试验工点，目的是研究适应复杂地层情况部科研试验工点，目的是研究适应复杂地层情况下（第四系粘中黄土、细砂、粉土等）的双线隧下（第四系粘中黄土、细砂、粉土等）的双线隧道采用双层模筑适用性及合理的施工方法。道采用双层模筑适用性及合理的施工方法。四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 双层模筑复合式衬砌试验断面双层模筑复合式衬砌试验断面 设计施工方法对通过砂层段采用双侧臂导坑设计施工方法对通过
28、砂层段采用双侧臂导坑法或法或CD法施工，其它土质地层采用超短台阶法法施工，其它土质地层采用超短台阶法（留核心土）施工。（留核心土）施工。施工采用拱部环形开挖留核心土超短台阶法。施工采用拱部环形开挖留核心土超短台阶法。四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 3、宝兰二线曲儿岔隧道设计施工情况、宝兰二线曲儿岔隧道设计施工情况 曲儿岔隧道出口位于曲儿岔隧道出口位于Q4al3新黄土中，下穿既新黄土中，下穿既有宝兰铁路，覆盖层后有宝兰铁路，覆盖层后8m左右，既有铁路路堤高左右，既有铁路路堤高17m，设计采用复合式衬砌，设计采用复合式衬砌。四、
29、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 曲儿岔隧道出口曲儿岔隧道出口四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 曲儿岔隧道支护参数表曲儿岔隧道支护参数表围岩级别 初 期 支 护预留变形量二 次衬 砌喷层系统锚杆钢筋网8钢架位置锚杆类型 长度 间距位置间距钢架类型间距拱墙仰拱cm(m)(m)(cm)榀/m(cm)(cm)(cm)甲式20 拱墙 砂浆31*0。5拱墙 20*20 I1
30、62207011070 施工图设计在下穿既有宝兰铁路采用的施工方法施工图设计在下穿既有宝兰铁路采用的施工方法为台阶法开挖留核心土为台阶法开挖留核心土,拉中槽拉中槽,拱脚设托梁拱脚设托梁,先拱后墙先拱后墙法施工，施工图勘测含水量法施工，施工图勘测含水量W=10%16.8%。隧道开。隧道开挖后实测含水量挖后实测含水量W=21.0%24.1%，比施工图设计值，比施工图设计值大，土质松软，考虑采用台阶法大，土质松软，考虑采用台阶法(环形开挖留核心土环形开挖留核心土)开挖跨度大，初期支护不能及时封闭成环，加上先拱开挖跨度大，初期支护不能及时封闭成环，加上先拱后墙法施工，难以控制地表下沉和拱顶下沉。后墙法
31、施工，难以控制地表下沉和拱顶下沉。四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 为适应地质条件的变化，确保既有线的运营为适应地质条件的变化，确保既有线的运营安全，原设计的台阶法开挖，先拱后墙法施工衬安全，原设计的台阶法开挖，先拱后墙法施工衬砌变更为砌变更为CRD法开挖，仰拱超前，先墙后拱法法开挖，仰拱超前，先墙后拱法施工衬砌，以减小开挖一次的跨度和高度，快速施工衬砌，以减小开挖一次的跨度和高度，快速形成初期支护封闭环，避免先拱后墙法施工可能形成初期支护封闭环，避免先拱后墙法施工可能存在的隐患存在的隐患。四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、
32、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 曲儿岔隧道出口曲儿岔隧道出口CRD工法工法 从上述几个工点情况看，以往在设计中，初从上述几个工点情况看，以往在设计中，初期支护中喷混凝土较弱，仰拱部位较拱墙为弱，期支护中喷混凝土较弱，仰拱部位较拱墙为弱，目前已进行了加强。施工方法上，以拱部弧形开目前已进行了加强。施工方法上，以拱部弧形开挖（留核心土）正台阶法施工为主。挖（留核心土）正台阶法施工为主。四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病
33、害情况坍塌、病害情况 （二）黄土隧道病害分析（二）黄土隧道病害分析 1、陇海线三潼段隧道、陇海线三潼段隧道 陇海线三潼段有双线铁路老黄土隧道陇海线三潼段有双线铁路老黄土隧道13座，座，均采用三心圆曲墙式尖拱衬砌断面，上下导坑木均采用三心圆曲墙式尖拱衬砌断面，上下导坑木支撑先拱后墙法施工。建成后，衬砌开裂严重，支撑先拱后墙法施工。建成后，衬砌开裂严重，危及行车安全，后采用钢筋混凝土套拱加固。危及行车安全，后采用钢筋混凝土套拱加固。四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 采用先拱后墙法施工时，拱和墙的工序作业一采用先拱后墙法施工时，拱和
34、墙的工序作业一般都是相隔般都是相隔12个月，致使拱圈初期单独受力，与个月，致使拱圈初期单独受力，与原衬砌设计拱圈的边墙共同作用情况不同，致使发原衬砌设计拱圈的边墙共同作用情况不同，致使发生裂缝破坏，但在边墙做好后即趋于稳定。生裂缝破坏，但在边墙做好后即趋于稳定。四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 以上说明：土质隧道应优先选用先墙后拱法施以上说明：土质隧道应优先选用先墙后拱法施工。特殊情况须采用先拱后墙法施工时，在上半断工。特殊情况须采用先拱后墙法施工时，在上半断面施工支护完成并进行下部开挖时，拱脚位置应预面施工支护完成并进行下部
35、开挖时，拱脚位置应预先采取加固措施，打锁脚锚杆或注浆锚管，防止由先采取加固措施，打锁脚锚杆或注浆锚管，防止由于下部开挖拱脚失稳，引起隧道塌坍。于下部开挖拱脚失稳，引起隧道塌坍。四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 2、侯月线王家庄等隧道、侯月线王家庄等隧道 以往对老黄土隧道一般采用铁一院编制的以往对老黄土隧道一般采用铁一院编制的单线电化铁路老黄土隧道衬砌和洞门单线电化铁路老黄土隧道衬砌和洞门(壹隧壹隧0042)，该图的适用条件为：老黄土天然容重，该图的适用条件为：老黄土天然容重=1.61.7g/cm3，粘聚力，粘聚力C=6080K
36、pa，内摩擦，内摩擦角角24。侯月线燕家庄隧道老黄土的物理力学指标满侯月线燕家庄隧道老黄土的物理力学指标满足了该参考图的使用条件，设计使用了该图，施足了该参考图的使用条件，设计使用了该图，施工及运营中结构是稳定的。故在侯月复线设计时工及运营中结构是稳定的。故在侯月复线设计时燕家庄燕家庄2号隧道也采用了该图。号隧道也采用了该图。四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 而侯月线另一座老黄土隧道而侯月线另一座老黄土隧道王家庄隧道，王家庄隧道，其物理力学指标中粘聚力其物理力学指标中粘聚力C2240KPa，与该参考，与该参考图使用条件相差较大
37、，使用了该参考图后，发生了图使用条件相差较大，使用了该参考图后，发生了衬砌开裂现象，受影响段长度达衬砌开裂现象，受影响段长度达70m，并进行了病害，并进行了病害整治。整治。以上说明：壹隧以上说明：壹隧0042图的适用条件应严格遵守图的适用条件应严格遵守。四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 3、宝中线大寨岭等隧道、宝中线大寨岭等隧道 大寨岭隧道全长大寨岭隧道全长3136m。洞身穿越地层主要为。洞身穿越地层主要为Q1砂粘土层，含砂姜石，结构紧密，土质较均匀，砂粘土层，含砂姜石，结构紧密，土质较均匀，节理发育，其含水率为节理发育，其含
38、水率为1626。采用新奥法原理。采用新奥法原理设计，初期支护采用锚喷网支护，喷混凝土厚设计，初期支护采用锚喷网支护，喷混凝土厚15cm，二衬采用曲墙带仰拱复合式衬砌结构。，二衬采用曲墙带仰拱复合式衬砌结构。四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 在施工过程中，隧道进口段衬砌出现开裂，裂缝在施工过程中，隧道进口段衬砌出现开裂，裂缝宽宽0.20.5mm，深，深90130mm，局部有错台现象。，局部有错台现象。裂缝产生后，现场进行了贴灰饼观测。并对裂缝产生后，现场进行了贴灰饼观测。并对支护措施支护措施进行了调整进行了调整，对衬砌混凝土裂缝
39、进行了修补。，对衬砌混凝土裂缝进行了修补。本隧道出现变形和二次衬砌开裂多在埋深较大本隧道出现变形和二次衬砌开裂多在埋深较大（120169m）地段和天然含水量）地段和天然含水量20左右、围岩强左右、围岩强度较低的地层。由于工期紧，施工进度快，度较低的地层。由于工期紧，施工进度快，二次衬砌二次衬砌在变形尚未收敛的情况下施做，拆模时间早等原因造在变形尚未收敛的情况下施做，拆模时间早等原因造成衬砌开裂。成衬砌开裂。四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍
40、塌、病害情况 四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 以上说明：采用新奥法原理设计施工的隧道，二次衬以上说明：采用新奥法原理设计施工的隧道，二次衬砌的施做时间应严格按监控量测数据分析结果确定，施工砌的施做时间应严格按监控量测数据分析结果确定，施工过程中过程中及时调整支护措施，控制好拆模时间及时调整支护措施，控制好拆模时间，以防衬砌开，以防衬砌开裂，并应设置可靠的防排水措施。裂，并应设置可靠的防排水措施。4、神延线翅膀沟隧道、神延线翅膀沟隧道 隧道全长隧道全长1721m。隧道穿越黄土梁峁，最大埋。隧道穿越黄土梁峁，最大埋深深146m。
41、该段地形起伏，自然坡度。该段地形起伏，自然坡度4070，山，山坡高陡，局部成陡壁，植被稀少，黄土陷穴及冲沟坡高陡，局部成陡壁，植被稀少，黄土陷穴及冲沟发育。发育。采用新奥法原理设计，初期支护采用锚喷网支采用新奥法原理设计，初期支护采用锚喷网支护，喷混凝土厚护，喷混凝土厚1015cm，二衬采用曲墙带仰拱复，二衬采用曲墙带仰拱复合式衬砌结构。合式衬砌结构。四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 在施工过程中，于在施工过程中，于1999年年10月月8日发现隧道衬砌日发现隧道衬砌开裂，开裂，1999年年11月月23日发现地表裂缝。随着隧道开
42、日发现地表裂缝。随着隧道开挖掘进，洞内衬砌裂缝和地表裂缝不断延伸和加宽。挖掘进，洞内衬砌裂缝和地表裂缝不断延伸和加宽。衬砌裂缝宽度还由最初的细纹局部发展成衬砌裂缝宽度还由最初的细纹局部发展成45mm宽宽,局部地段还伴有少量斜向、横向裂缝及局部地段还伴有少量斜向、横向裂缝及12mm的小错台。地表发现三条裂缝的小错台。地表发现三条裂缝,最长约最长约150m,宽约宽约115mm不等不等,均为张拉裂缝。施工期间共发现五均为张拉裂缝。施工期间共发现五条地面裂缝条地面裂缝,与隧道中线基本平行。与隧道中线基本平行。四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病
43、害情况 裂缝产生后，现场多次组织会勘，及时变更设裂缝产生后，现场多次组织会勘，及时变更设计措施，调整施工工序。我院于计措施，调整施工工序。我院于1999年年12月成立了月成立了翅膀沟隧道监控量测组，对洞内及地表变形进行监翅膀沟隧道监控量测组，对洞内及地表变形进行监测。测。2000年年3月与月与2001年年3月先后两次召开翅膀沟隧月先后两次召开翅膀沟隧道病害段专家论证会，对翅膀沟隧道产生病害的原道病害段专家论证会，对翅膀沟隧道产生病害的原因进行了分析和总结。因进行了分析和总结。四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 与会专家一致认为：
44、翅膀沟隧道出口段，勘测与会专家一致认为：翅膀沟隧道出口段，勘测时认为隧道洞身通过的主要地层为第三系红粘土。时认为隧道洞身通过的主要地层为第三系红粘土。施工揭示却发现该段洞身位于第三系红粘土与第四施工揭示却发现该段洞身位于第三系红粘土与第四系中更新统老黄土接触带系中更新统老黄土接触带,受第三系红粘土隔水作受第三系红粘土隔水作用影响用影响,两种地层接触带土的含水量较高两种地层接触带土的含水量较高,软塑至接软塑至接近软塑状近软塑状,而且夹一层含水量较高的姜石层，厚而且夹一层含水量较高的姜石层，厚1.0m左右，并随红粘土层面一直延伸。左右，并随红粘土层面一直延伸。四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四
45、、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 隧道开挖后造成姜石层的扰动隧道开挖后造成姜石层的扰动,使围岩土体松弛使围岩土体松弛,产生较大应力调整产生较大应力调整,对隧道造成挤压变形、衬砌开对隧道造成挤压变形、衬砌开裂。并在线路靠山侧地表沿老黄土的北西向构造裂裂。并在线路靠山侧地表沿老黄土的北西向构造裂隙发生羽状张拉隙发生羽状张拉,造成地面开裂。并据此确定了二造成地面开裂。并据此确定了二次衬砌凿槽嵌入全封闭钢架、衬砌背后回填压注水次衬砌凿槽嵌入全封闭钢架、衬砌背后回填压注水泥砂浆、长、短锚杆注浆加固围岩、衬砌裂缝凿槽泥砂浆、长、短锚杆注浆加固围岩、衬砌裂缝凿槽嵌补、洞外地表陷
46、穴、裂缝全部夯填处理等病害整嵌补、洞外地表陷穴、裂缝全部夯填处理等病害整治主要工程措施。治主要工程措施。四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 以上说明：隧道洞身通过两种不同土层的接触以上说明：隧道洞身通过两种不同土层的接触带时，由于两种土层的物理力学特性不同，往往造带时，由于两种土层的物理力学特性不同，往往造成接触带土的工程性质较差，隧道开挖后产生较大成接触带土的工程性质较差，隧道开挖后产生较大应力调整，对施工支护和衬砌结构造成挤压变形，应力调整，对施工支护和衬砌结构造成挤压变形，为确保施工及结构安全，对此类土质隧道的施工支为确保
47、施工及结构安全，对此类土质隧道的施工支护和衬砌结构应加强。护和衬砌结构应加强。四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 （三）黄土隧道塌方分析（三）黄土隧道塌方分析 开挖扰动、支护缺陷、陷穴，施工用水管理不开挖扰动、支护缺陷、陷穴，施工用水管理不当，会促成塌方。根据对宝中线、神延线、宝兰二当，会促成塌方。根据对宝中线、神延线、宝兰二线等铁路线路和近年公路隧道的现场经验，目前已线等铁路线路和近年公路隧道的现场经验，目前已施工过的黄土隧道较一般隧道塌方频率高施工过的黄土隧道较一般隧道塌方频率高。四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往
48、黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 1、神朔线蛇口峁隧道（双线，、神朔线蛇口峁隧道（双线，L=5804m）隧道出口段隧道出口段120m地段拱脚及以上部分位于新黄地段拱脚及以上部分位于新黄土地层，埋深土地层，埋深1540m。施工采用长台阶法开挖，锚。施工采用长台阶法开挖，锚喷支护，设钢架加强，先拱后墙法衬砌。在拱部衬喷支护，设钢架加强，先拱后墙法衬砌。在拱部衬砌已通过百余米，进行下部马口开挖时，发生了大砌已通过百余米，进行下部马口开挖时，发生了大塌方。掉拱塌方。掉拱38m，清理土方达十多万方，耗时半年多。，清理土方达十多万方，耗时半年多。四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、
49、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况坍塌、病害情况 塌方原因：下部马口开挖后，暴露时间较长，塌方原因：下部马口开挖后，暴露时间较长，未及时进行支护。马口开挖后，拱脚由于开挖前的未及时进行支护。马口开挖后，拱脚由于开挖前的应力集中和土体受挤压转为应力松弛和土体受破坏。应力集中和土体受挤压转为应力松弛和土体受破坏。在这种情况下，虽然拱部已衬砌，但马口开挖后，在这种情况下，虽然拱部已衬砌，但马口开挖后，拱脚悬空拱脚悬空，自稳时间短，再加上支护不及时，造成，自稳时间短，再加上支护不及时，造成塌方。塌方。四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、四、以往黄土隧道的科研、设计、施工、坍塌、病害情况
50、坍塌、病害情况 五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见五、大跨黄土隧道设计、施工方案意见 2、宝中线庙台子隧道、宝中线庙台子隧道 1991年年8月月10日，宝中线庙台子隧道在新老黄土日，宝中线庙台子隧道在新老黄土交界处发生了伤亡严重的塌方事故。设计采用锚喷交界处发生了伤亡严重的塌方事故。设计采用锚喷施工支护，钢架加强，模筑衬砌，施工则采用构件施工支护，钢架加强，模筑衬砌，施工则采用构件支撑。过去有人认为，锚喷支护对黄土地层作用不支撑。过去有人认为，锚喷支护对黄土地层作用不大，而事实上，多次试验和施工检验证明，锚喷支大，而事实上，多次试验和施工检验证明，锚喷支护对黄土隧道不仅非常有效，而且对安全快速
