黄土隧道洞口段坡体稳定性及控制技术研究.docx

黄土隧道洞口段坡体稳定性及控制技术研究.docx

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黄土隧道洞口段坡体稳定性及控制技术研究

黄土隧道洞口段坡体稳定性及控制

技术研究

科技研发项目立项申请

*年月

项目名称：

黄土隧道洞口段坡体稳定性

及控制技术研究

实施单位：

总承包部

负责人：

起止时间：

*年5月-*年12月

公司科技研发项目立项申请

一、项目立项背景

（一）立项背景

黄土是半干旱及干旱气候条件下沉积的一种特殊土类，其组成以粉粒为主。

在这类地层中修建隧道等地下工程往往会因其特殊土性条件给工程建设过程中及运营期间带来很大的安全风险。

黄土垂直节理裂隙发育，存在竖向软弱夹层而在隧道开挖过程中易造成掌子面坍塌、地表出现大沉降，洞内沉降变形大，易发生坍塌造成安全事故；洞口段坡体及陷穴受大气降雨的影响，易发生边仰坡失稳等黄土隧道本身给工程建设带来的难题。

目前，尽管大量的工程建设者在黄土隧道设计及施工技术方面获得了大量非常有价值的研究成果且指导隧道建设施工，但对诸多已建黄土隧道进洞情况的调查可知，多数黄土隧道进洞困难，经常遇到仰坡开裂、滑塌、围岩大变形等问题。

针对上述情况在学习和研究既有研究成果的基础上，有必要对黄土隧道洞口段坡体稳定性及控制技术、关键注意事项等展开研究。

（二）研究目的及意义

近年来，在黄土地区修建的隧道工程日益增多，受工程地质条件、水文地质条件、人为因素等影响，隧道洞口段在施工过程中极易发生边仰坡开裂、坍塌事故，进而严重影响隧道结构整体稳定性，造成严重的安全事故和巨大的工程经济损失，因此很有必要针对黄土地区隧道洞口段坡体稳定性及控制技术开展研究。

本项目依托*项目隧道工程，通过理论分析、现场测试、数值模拟、土工试验等方法，旨在提出黄土隧道开挖进洞前坡面稳定技术及措施；给出有利于黄土隧道洞口段坡体稳定性的施工方法；提出黄土隧道洞口段围岩应力及变形规律，为施工组织和洞口段优化设计提供重要参考；提出隧道洞口段支护优化设计方法和稳定性评价方法，以确保工程建设安全。

研究成果将直接为本项目建设提供技术支撑服务，同时也将进一步完善黄土隧道洞口段设计、施工及安全控制技术，为我国隧道相应规范（或规程）修订提供必要的基础数据和科学依据，经济与社会效益显著。

二、现状和发展趋势

隧道洞口段一般处于受地表水侵蚀严重，风化裂隙发育的斜坡面上，加之洞口段隧道一般埋深较浅，结构上部岩土体难以形成承载拱，洞口段仰坡面容易受拉开裂，地表水入渗，其稳定性难以得到保证[1]。

国内外对隧道洞口段坡体稳定性的研究都相对重视，各国的规范、工程手册、专著中都有针对隧道洞口段设计、施工的专项条文，坡面稳定性分析已具有比较成熟理论和方法。

长期以来，隧道洞口段坡体稳定性分析多采用传统的极限平衡理论。

如《日本土木工程手册·隧道》中规定：

隧道洞口段覆盖土浅时采用库伦土压力公式；深时采用科默累尔（kommerell）公式[2]。

由于隧道洞口段坡体的稳定性与洞门的结构形式、位置、埋深、地层岩性以及洞口段的施工方法等诸多因素有关，传统的极限平衡计算方法对于这些因素的模拟已经显得无能为力，数值模拟法越来越多的被应用于隧道洞口段坡体稳定性研究中。

鉴于黄土土体强度低、垂直节理发育、遇水软化、地表水作用下极易冲蚀等特点，黄土地区隧道洞口段坡体如果处理不当，极易造成隧道洞口坍塌，进而威胁隧道整体稳定性[3-4]。

国内就黄土隧道洞口段坡体稳定性作了大量研究，主要集中在四个方面：

（1）黄土隧道围岩应力及变形规律的研究；

（2）黄土隧道洞口段支护结构的力学特性研究；（3）加固技术在黄土隧道洞口段加固中的应用研究；（4）黄土隧道洞口段边仰坡稳定性分析。

在黄土隧道围岩应力及变形规律的研究方面，乔春生等[5]通过土工试验、隧道收敛和围岩的内部位移现场监测、隧道变形的三维有限元仿真技术等手段，对新松树湾黄土隧道的变形规律进行了系统的研究，获得了大量的试验数据，研究成果对黄土隧道的施工组织和支护参数的确定起到了重要作用；陈建勋等[6]以国道主干线青岛-银川陕西境吴堡至子洲段*N12标-N16标的7座黄土隧道为依托，对黄土隧道的变形规律进行了现场监控量测，采用有限元软件（MIDAS/GTS）对黄土隧道的施工过程进行了有限元分析，研究了浅埋偏压黄土隧道和深埋黄土隧道在开挖后的变形发展规律;扈世明等[7]以兰渝铁路大断面黄土隧道为依托，采用三维数值模拟结合现场试验，对台阶法施工中围岩深部变形特性进行了分析；乔雄等[8]以陕西境内吴子*刘家坪2号黄土隧道右线为工程依托，采用现场监控量测的方法，对洞口段的净空收敛、围岩内部位移及拱部下沉进行测试，得出施工中应以控制拱部下沉为主，新黄土地层位移的时间效应较空间效应显著等结论，为黄土隧道洞口段的设计与施工提供了理论依据。

在黄土隧道洞口段支护结构力学特性研究方面，陈建勋等[9]通过对刘家坪2#隧道洞口段的围岩压力、钢架应力、纵向连接筋应力、锚杆轴力及拱部下沉等施工监测和对支护结构的有限元法计算分析，较为系统地阐述了浅埋偏压黄土隧道洞口段支护结构的受力状况，建议取消黄土隧道洞口段系统锚杆的设置；张翾[10]结合在建铁路黄土隧道，对管棚预支护力学特性，初期支护，二次衬砌受力特性，围岩—初支和初支—二衬相互作用关系等进行了系统深入的研究；陈建勋等[11]采用监控量测方法对黄土隧道浅埋偏压洞口段套拱结构的受力状况进行分析，得出了套拱结构受力变形的原因及特点；王新野[12]针对黄土围岩差、断面大、埋深浅等特点，依托王城高速西河口隧道，重点研究了初期支护和围岩之间压力、系统锚杆轴力、初期支护和二次衬砌之间压力以及二次衬砌混凝土应变-时间变化规律，并采用MIDAS/GTS大型有限元软件对隧道施工过程进行三维数值模拟，得出隧道在双侧壁导坑开挖过程中围岩应力分布、支护结构受力性状以及地表沉降情况等；赖金星等[13]为研究软弱黄土隧道支护结构的受力特性，优化黄土隧道设计理论，以西宁过境*某隧道为依托，选取杂填土段、深埋段和浅埋段进行了大规模的现场测试，从支护受力的空间分布、时间分布、计算方法以及对比验证等方面，对围岩与支护接触压力及二衬和仰拱混凝土的应变进行了系统研究；李树忱等[14]为研究膨胀性黄土围岩与支护结构作用机制，解决膨胀力作用下的隧道支护难题，利用弹性薄壳理论建立了联合支护的力学分析模型，对黄土隧道初期支护进行了分析，提出了适用于膨胀性黄土隧道的“格栅拱架+钢拱架+喷射混凝土”联合支护方式。

加固技术在黄土隧道洞口段加固中的应用研究方面，吉东风等[15]结合函谷关黄土隧道，通过三维有限元模拟计算，分析了不同管棚长度下隧道围岩的变形和应力，以及不同长度管棚对洞口段加固效果的影响；李银榜[16]以弓家沟隧道为依托，利用现场监测、数值模拟等手段对桩承式复合套拱结构在黄土隧道洞口段加固中的加固效果进行了全面评价，认为该结构特别适用于黄土隧道洞口段出现浅埋、偏压等情况。

在黄土隧道洞口段边仰坡坍塌机理研究方面，张翾等[17]结合某黄土隧道洞口段边坡坍塌实例，从地质因素、施工因素及降水作用单个方面分析了边坡坍塌产生的机制，并通过有限元数值计算软件模拟了滑坍面形态及特征，得出湿陷性黄土层特殊的地质条件和较差的物理力学性质是坍塌发生的内在因素，而施工扰动、降水入渗和冻融循环是坍塌发生的诱发因素；曹玉鑫[18]以固西公路炸山嘴黄土隧道为例，对不同工况、部位等发生的边仰坡失稳情况展开了理论研究，分析了边仰坡失稳原因、进行了边仰坡优化设计研究和边仰坡失稳病害处理技术研究，得出边仰坡失稳与地形地貌、地应力、黄土特性、地质构造、地下水以及坡型设计、施工扰动和自然条件等多方面因素相关。

综上所述，目前对黄土隧道洞口段坡体稳定性的研究缺乏针对性、系统性、全面性，仍需进一步研究。

比如：

①不同进洞工法对洞口段坡体稳定性的影响。

（大断面）黄土隧道进洞工法有很多，如双侧壁导坑法、CRD（CD）法、三台阶临时仰拱法等。

鉴于黄土隧道自身稳定性差，这就要求洞口段设计、施工应选择合理的进洞开挖方式，采用合理的施工工序，以尽可能保持洞口段原状土体的稳定。

②进洞前坡面稳定技术。

工程实践表明：

多数黄土隧道进洞时，虽然严格按照设计实施了相应的支护措施，如长大管棚超前支护等，但仍发生仰坡开裂、导向墙下沉（最大达0.8m[19]）等安全风险事故。

所以针对前述现象仍需进一步讨论，提出相应的进洞前坡面稳定技术。

③排水防渗问题。

水是诱发黄土隧道地质灾害的一个重要原因，如何对隧道上方冲沟、落水洞、地裂缝等处理；如何确定黄土陷穴、暗穴的具体位置；如何对黄土陷穴、暗穴进行处理并保证处理效果，对于评判设计方案的合理性、改进施工处理技术及保证施工安全十分重要。

④施工工序的合理性及优化设计等。

研究表明，黄土隧道洞口处仰坡附近岩土体受开挖影响，竖向沉降最为明显，合理的支护时间十分重要。

参考文献：

[1]张庆飞.黄土地区隧道洞口段边坡稳定性研究[D].四川:

西南交通大学硕士学位论文，2005

[2]滨建介等.日本土木工程手册·隧道[S].叶家俊译，中国铁道出版社，1984

[3]王增利，何包，李秋生.黄土地区隧道洞口仰坡稳定性分析[J].公路交通技术，*,31

（1）:

82-87

[4]中交第一公路工程局有限公司.JTG/TF60--2009公路隧道施工技术细则[S].北京：

人民交通出版社，2009

[5]乔春生，管振祥，滕文彦.饱水黄土隧道变形规律研究[J].岩土力学，2003,24（增刊）:

225-230

[6]陈建勋，王梦恕，轩俊杰等.两车道公路黄土隧道变形规律[J].交通运输工程学报，2012,12（3）:

13-22

[7]扈世明，张顶立，郭峰等.大断面黄土隧道变形特性分析[J].铁道学报，2012,34（8）:

117-122

[8]乔雄，陈建勋，王梦恕.黄土公路隧道洞口段变形规律测试研究[J].岩石力学与工程学报，2013,23（增2）：

3553-3556

[9]陈建勋，姜久纯，罗彦斌等.黄土隧道洞口段支护结构的力学特性分析[J].中国公路学报，2008,21（5）:

75-80

[10]张翾.大断面黄土隧道支护结构力学特性研究[D].北京交通大学，2010

[11]陈建勋，乔雄.黄土隧道浅埋偏压洞口段套拱结构受力监测与分析[J].建筑科学与工程学报，2011,28

（1）:

100-104

[12]王新野.浅埋大断面黄土隧道支护结构受力性状研究[D].*大学，2013

[13]赖金星，王开运，来宏鹏等.软弱黄土隧道支护结构力学特性测试[J].交通运输工程学报，2015,（3）:

41-51

[14]李树忱，宴勤，谢璨等.膨胀性黄土隧道钢拱架-格栅联合支护力学特性研究[J].岩石力学与工程学报，*,36

（2）:

446-456

[15]吉东风，姚哨峰，郝伯瑾等.管棚注浆技术在黄土隧道洞口段加固中的研究[J].山西建筑，2014,40（16）:

211-212

[16]李银榜.桩承式符合套拱在黄土隧道洞口段加固中的应用[J].公路交通科技（应用技术版），2015,4:

136-139

[17]张翾，汪成兵，周宁等.某黄土隧道洞口段边坡坍塌机理分析[J].地下空间与工程学报，2015,11（增刊1）:

307-311

[18]曹玉鑫.沟谷黄土隧洞洞口深路堑边仰坡失稳分析与处治技术[J].铁道建筑技术，2016,

（2）:

46-48

[19]史赵鹏.朔州隧道塌陷下沉侵限段支护处治施工技术[J].铁道标准设计，2014,58（6）:

120-123

三、预期科研目标

（一）技术攻关目标

1.主要研究内容

（1）进洞前坡面稳定技术研究

进洞前坡面稳定技术是保证洞口段坡体稳定性的必要条件。

研究隧道设计方案并调查洞口段围岩条件，针对洞口开槽用以施作导向墙而破坏坡体整体受力状况，确定两翼坡脚加固方案；针对隧道埋深、采用的开挖工法等确定合理、可靠的洞口段预留沉降量；针对黄土隧道“早封闭”的工艺要求，提出能真正达到“早封闭”要求的改进工法。

（2）不同施工方法（进洞）对洞口段坡体稳定性的影响研究

隧道开挖进洞采用不同的施工方法，对洞口段坡体稳定性的影响亦不同，施工工法不当极易造成坡面开裂、滑塌。

结合实际工程条件，采用有限元软件建立边仰坡隧道分部开挖模型，分析不同施工方法作用下隧道开挖过程中各阶段上部岩土体变形情况，给出洞口段坡体稳定性的评价方法，优化施工工序，确定适用于*项目中黄土隧道开挖进洞的合理方法与坡面稳定性控制技术。

（3）开挖引起的黄土隧道洞口段围岩应力及变形规律研究

黄土隧道的开挖过程，是围岩逐渐被扰动、变形发展的过程。

通过土工试验、现场监控量测、数值分析等方法，研究围岩应力及变形随施工步骤改变的变化规律，给出开挖引起的黄土隧道洞口段围岩力学响应及变形规律，为隧道支护结构设计及支护参数设计提供重要依据，优化施工组织，提出适用于*项目中黄土隧道的支护结构体系及变形控制措施。

（4）支护结构力学特性研究及支护参数优化

隧道开挖过程中，隧道结构整体稳定性的关键问题是结构的受力特性分析及支护结构参数的设计及确定。

通过数值分析、室内模型试验、现场测试等方法，研究隧道开挖过程中支护结构受力变化规律，优化支护结构参数设计；分析隧道衬砌结构应力及安全系数的变化规律，评价*项目中黄土隧道开挖施工时衬砌结构的整体稳定性。

（二）拟解决的关键技术问题、难点

1.进洞前坡面稳定技术研究；

2.不同施工方法对洞口段坡体稳定性的影响及控制研究；

3.黄土隧道洞口段支护结构优化设计及稳定性研究。

（三）主要创新点

本研究项目主要创新点有：

①研究了黄土隧道进洞前坡面稳定技术，如洞口开槽稳定措施、洞口段预留沉降量确定、实现“早封闭”工艺要求的改进施工工法；②隧道洞口段支护优化设计方法及稳定性评价方法。

（四）项目完成时需达到的技术指标和水平及考核指标

1.本项目系统地、具有针对性地对确保黄土隧道洞口段坡体稳定性的进洞前坡面稳定技术、施工工法、隧道洞口段支护优化设计方法及稳定性评价方法进行深入研究，其达到的主要技术指标有：

（1）提出适用于*项目中黄土隧道开挖进洞前的坡面稳定技术及相应措施，避免施工中发生仰坡开裂、坡体滑塌、导向墙大幅度下沉等安全事故；

（2）提出适用于*项目中黄土隧道洞口段开挖进洞的施工方法及坡面稳定性控制技术措施，为优化施工组织、隧道洞口段支护体系设计提供重要理论依据和数据参考；

（3）提出黄土隧道洞口段支护优化设计方法，丰富隧道结构稳定性的评价体系，不断优化黄土隧道洞口段设计、施工技术水平。

2.完成考核指标

（1）提供课题技术研究报告一份；

（2）在国内外核心期刊发表（或录用）3～5篇论文；

（3）形成国家专利1～3项；

（4）培养高级工程师等技术人员2名

（五）科研成果目标

1.预期成果：

（1）提出进洞前坡面稳定技术；

（2）提出不同施工方法对洞口段坡体稳定性影响规律及变形控制措施；

（3）提出适用于黄土隧道的支护结构体系；

（4）建立黄土隧道洞口段支护优化设计方法及稳定性评价方法。

上述项目预期成果一方面可直接为本项目建设提供技术支撑服务，另一方面可以优化黄土隧道洞口段设计与施工技术水平，丰富黄土隧道结构稳定性评价体系，具有实质的经济意义和深远的社会意义。

具体介绍项目研发拟取得的成果目标，包括成果类型、级别及数量，成果类型包括但不限于规范标准、工法、科技奖、专利、论文及技术总结，成果级别如工法对应级别包括但不限于国家级、省部级、行业级、企业级。

四、项目实施方案

（一）技术路线

本项目以*项目中某黄土隧道为依托工程，拟通过理论分析、土工试验、现场测试、数值分析等方法，对确保黄土隧道洞口段坡体稳定性的进洞前坡面稳定技术、施工工法、隧道结构支护体系优化设计方法及稳定性分析方法进行深入研究，采取的技术路线如下图所示。

（二）研发方式

合作研发。

（三）研发进度

1.*年度

（1）*年3月—*年7月计划研究内容：

进洞前坡面稳定技术研究研究隧道设计方案并调查洞口段围岩条件，针对洞口开槽用以施作导向墙而破坏坡体整体受力状况，确定两翼坡脚加固方案；针对隧道埋深、采用的开挖工法等确定合理、可靠的洞口段预留沉降量；针对黄土隧道“早封闭”的工艺要求，提出能真正达到“早封闭”要求的改进工法。

阶段成果：

提出适用于*项目中黄土隧道开挖进洞前的坡面稳定技术

（2）*年8月—*年1月

研究内容：

不同施工方法（进洞）对洞口段坡体稳定性的影响研究

采用有限元软件建立边仰坡隧道分部开挖模型，分析不同施工方法作用下隧道开挖过程中各阶段上部岩土体变形情况，给出洞口段坡体稳定性的评价方法，优化施工工序，确定适用于*项目中黄土隧道开挖进洞的合理施工方法。

阶段成果：

提出适用于*项目中黄土隧道开挖进洞的合理施工方法。

2.*年度

（1）*年2月—*年6月

研究内容：

开挖引起的黄土隧道洞口段围岩应力及变形规律研究

通过土工试验、现场监控量测、数值分析等方法，研究围岩应力及变形随施工步骤改变的变化规律，给出开挖引起的黄土隧道洞口段围岩力学响应及变形规律，为隧道支护结构设计及支护参数设计提供重要依据，优化施工组织，提出适用于*项目中黄土隧道的支护结构体系及变形控制措施。

阶段成果：

明确适用于*项目中黄土隧道的支护结构体系及变形控制措施。

（2）*年7月—*年12月

研究内容：

支护结构力学特性研究及支护参数优化

通过数值分析、室内模型试验、现场测试等方法，研究隧道开挖过程中支护结构受力变化规律，优化支护结构参数设计；分析隧道衬砌结构应力及安全系数的变化规律，评价*项目中黄土隧道开挖施工时衬砌结构的整体稳定性。

阶段成果：

提出黄土隧道洞口段支护结构优化设计方法。

（四）研发组织

项目组研究人员信息表

序号

姓名

年龄

学历

现从事专业

职称

所在单位

在本项目中承担工作

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

（五）经费预算（万）

详细预算书

科目

预算数

公司专项经费

项目

自筹款

合计

预算合计

一、人员费

二、设备费

三、材料费

四、测试化验加工费

五、燃料动力费

六、差旅费

七、会议费

八、国际合作与交流费

九、出版/文献、信息传播、知识产权事务

十、专家咨询费

十一、管理费