黄土公路隧洞施工过程数值仿真分析

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1、黄土公路隧洞施工过程数值仿真分析第一章绪论1.1研究背景及研究意义最近几年时间里，不断有黄土公路隧道在甘肃、山西、陕西、四川等省份陆续建成并投入运营，比如亚洲第二长的宝（鸡）天（水）高速公路的麦积山隧道、宝鸡至牛背山的韩家山公路隧道、天水经鄒口至柳河的近十座公路黄土隧道、秦岭终南山隧道（世界第二长，亚洲最长)、铜川经黄陵至延安的多座高速黄土公路隧道、祁县至临纷的高速公路常家山隧道、四川省境内的川藏公路二郎山隧道等，获得了大量的隧道工程施工经验，黄土隧道的设计和施工技术在我国已经取得了突破性的进展⑴。不过因为此前的黄土区域铁路隧道工程多数是单线而少数双线的，并且由于黄土工程特征因地区而

2、异的特点对隧道工程的影响，关于大断面黄土隧道的设计及施工方法探究还需要不断进行。黄土隧道施工尤其是市政公路隧道工程施工受到多方面因素的限制。黄土形成于干旱条件和半干旱条件下，属第四季大陆堆积物。与其他堆积物相比，它的内部物质组成和外部特点有着明显不同，比如天然含水量通常较低，孔隙较大，有管状孔道和柱状的垂直节理，遇水时显现出明显的湿陷性等。导致在大量黄土隧道施工过程中黄土围岩稳定性、强度和变形等问题的原因在于黄土复杂的结构特点和不同地区的差异性，比如隧道开挖时地表的沉降、隧道底部形变、隧道开挖后拱顶的下沉、周边收敛等等，这些难题引起严重经济损失的同时还威胁着工作人员的人身安全。市政工

3、程隧道线路许多要穿过已有的建筑物，例如铁路线、居民建筑、桥梁墩台等，为了确保已有建筑物的安全，施工过程中对围岩变形、支护衬砌特性和方式都有更加严格的要求，而且由于受到施工现场环境条件的约束，施工的方法以及施工的过程都要受到很大限制，这就使设计和建设公路隧道的要求变得更高。所以关于在黄土地质条件下进行隧道施工时围岩变形、衬砌设计类型和施工细节的研究对工程顺利进行具有十分重要的意义，这方面的内容还有待进行更加深入的探索[2]。.1.2黄土的分布及特征黄土是第四系干旱、半干旱条件下，经过陆相沉积作用产生的一种特殊土，颜色由黄至红黄，疏松多孔，富含碳酸韩，粉砂质，层理不明显，质地均一。它的内

4、部物质组成和外部形态特征都不同于其它同时期的沉积物。原生黄土是指没有层理结构的黄土，次生黄土是指经过流水搬运、冲刷、并且重新沉积的次生黄土，次生黄土的成分除了占主要部分的粉粒外，还有一定量的粘粒和砂粒。黄土还含有大量可溶性盐类，通常具有肉眼可见的孔隙，孔隙比一般在1.0-1.1之间变化。黄土表层通常具有湿陷性，湿陷性黄土有非自重湿陷性黄土和自重湿陷性黄土两种类型。自重湿陷性黄土为在上覆土层的自重应力作用下受水湿陷的黄土；在大于上覆土层重力作用下受水侵烛导致的湿陷为非湿陷性黄土。黄土在世界范围内分布很广，其总面积达到了陆地总面积的9.3%，约为1300平方公里，主要分布在温带和干旱的沙

5、漠地带。我国是黄土分布范围最广，并且厚度最大的国家，地层发育完整，西北地区和黄河中游地区为其主要分布区域，多分布于陕西、甘肃、青海、宁夏地区，山西、河南也有分布，其它如黑龙江、辽宁、新疆、山东、河北、内蒙等地区也有零星分布。在西北地区形成了著名的黄土高原，全国黄土覆盖分布面积达到64万平方公里[3]。.第二章隧道的开挖、支护方法2.1隧道开挖方法隧道的工程性质、周围环境、涌水情况、断面形状、隧道长度、施工工期都会对隧道的施工方法产生影响。在洞口浅埋段、断层破碎带等不稳定围岩施工过程中，由于其地质条件比较差，围岩较破碎，地表及地下水丰富，造成施工难度大。因此，在设计和施工前应充分调查，

6、有针对性地对施工方法和施工工序进行安排。根据以往施工类比法经验，对黄土隧道的施工釆取缩短开挖尺寸、分割掌子面分部开挖和辅助工法等。黄土隧道施工常采用以下三种。台阶法是先掘进上半断面，至上断面掘进至某一距离后立即掘进下半断面，上、下半断面一同掘进的施工技术，施工顺序如图2-1。台阶法由于台阶的长短可以分成超短台阶、短台阶和长台阶三个种类。随着大断面隧道的不断出现，各种新的施工方法例如三台阶临时仰拱法和多台阶法也不断出现。施工中台阶法的选择要根据下面两点来确定：（1)初期支护完成断面闭合的时间限制，围岩条件越差闭合时间要求越短。（2)上断面掘进所需各类工程机械对施工场地大小的要求。2.2

7、隧道的支护措施衬砌是用钢筋混凝土等建筑材料修筑于隧道洞身周围的永久性支撑结构，其主要功能是保证围岩的稳定，防止围岩松动。隧道开挖以后，通常需要进行支护(衬碎])来保持围岩的自身稳定。围岩的级别和施工方法决定了隧道衬砌的结构类型，隧道支护类型确定的依据为围岩的地质条件、施工条件和隧道的使用要求。因支护时间的不同软岩燧道的支护分为超前支护、临时支护、永久支护等支护类型：超前小导管，是隧道工程开挖中使用的一种工艺方法，主要用于自稳时间短的浅埋段、砂卵石段、砂层段