黄土隧道工程论文

摘要：郑西客专黄土隧道基础的工后沉降是本线的重大技术问题之一，通过对黄土隧道的沉降问题进行分析，提出客运专线隧道工程的沉降控制参考标准，并对黄土隧道基础处理原则及处理措施进行了探讨。对郑西客运专线黄土隧道及类似工程设计具有指导意义。下面是小编精心推荐的《黄土隧道工程论文(精选3篇)》，仅供参考，希望能够帮助到大家。

黄土隧道工程论文 篇1：

浅谈黄土隧道常见的工程地质灾害及其防治措施

摘要：黄土是第四纪干旱半干旱特定地区形成的具有特定物质组成和微观结构的特殊土，其强度偏低，承载力低，部分还具有湿陷性。塌方与湿陷作为黄土隧道最常见的地质灾害，受到围岩类别，隧道埋深，地质环境、施工方法、衬砌等综合因素的影响。总之，黄土隧道对水异常敏感，围岩含水量增高后其强度显著降低，湿陷现象表现突出，此外集中降雨还可以形成洪流、冲刷地表，带走大量黄土，改变盖层地形地貌，形成冲沟、塌穴等积水坑洞，引起渗水塌方、河谷下切，从而威胁洞身安全。因此必须采取有效措施防治黄土隧道工程中的地质灾害。

关键字 黄土隧道；湿陷；塌方；灾害防治

1 黄土的工程特性对隧道工程的影响

1.1 黄土的湿陷性

湿陷黄土【1】在自重压力或外力荷载压力不变时，受水浸湿后结构迅速破坏，产生急骤显著附加下沉，从而引起地面的变形和建筑物破坏；湿陷性由湿陷系数、自重湿陷量、总湿陷量等指标【2】表征，宏观表现为浸水后沉降量显著增大。我国湿陷性黄土的分布面积约占全国黄土分布面积的60%左右，大部分分布在黄河中游地区的关中、陕北、宁夏、豫西、陇东及陇中的黄土高原地区，面积达27万km2。黄土的疏松多孔结构，尤其是结构性孔隙是黄土湿陷性的必要条件；黄土中的不抗水粒间胶结是黄土湿陷性的充分条件；遇水浸泡后黄土胶结削弱强度降低，并且其削弱程度随水量的大小成比例变化，极易产生湿陷、呈饱和流塑状态，从而减弱甚至丧失承载和自稳能力。这是黄土湿陷性的本质。

1.2 黄土的击实性

黄土击实性是指黄土在一定外力冲击作用下密度、含水量、强度等物理力学性质随冲击强度而变化的特性。一般冲击强度大时密度增大、含水量降低、强度提高。改变击实功，最优含水量和最大干密度也发生变化，击实功大能客服更大的摩擦阻力，所以最大干容重增大而最优含水量降低。

黄土的孔隙率在50%左右，按照孔隙的大小、形状、数量以及连通性等方面，黄土中的孔隙被分为微孔隙、小孔隙、中孔隙和大孔隙【3】。其中，微孔隙形成于胶结物中，杂乱分布，连通性差，透水性弱，主要是胶结物孔隙；小孔隙均为粒间孔隙，小孔隙由骨架颗粒相互穿插，紧密排列组成，又称为镶嵌孔隙，含少量胶结物孔隙；小孔隙和微孔隙在黄土沉积时形成，由骨架颗粒群形成的架空孔隙，数量较多，对骨架颗粒的稳定起着主要作用；中孔隙由骨架颗粒相互支架构成，数量多，为颗粒的变位提供了空间，连通性好，透水性强，是黄土产生震陷的主要原因，又称为支架孔隙；而大孔隙主要在黄土沉积后成岩过程中由生物作用形成，呈管状或不规则状，数量少，主要是黄土中次生的根洞、虫孔、鼠穴、节理【4】和裂隙以及溶蚀孔洞。

2黄土隧道地质灾害的主要类型

黄土隧道工程地质灾害的两个基本类型是自然导致的灾害和人为作用导致的灾害。自然致灾主要是黄土的工程特性和地质环境引起；人为致灾主要是施工方法和支护衬砌导致的。

2.1塌方

由于黄土是垂直节理【4】发育的，彼此在水平方向的连接力较弱。在干燥时，黄土的强度较高，衬砌受力较小；遇水后黄土强度随之降低，这时极易引起衬砌的受力不均匀，并且由于隧道表层黄土厚度分布多不均匀，从而在黄土梁去隧道易成偏心压力，成为偏压隧道，造成塌方等地质灾害。由于各种因素，神延铁路隧道发生过24次大塌方，小塌方不计其数【5】。

另外，黄土隧道坍落时从围岩开始变形，一般会经历弹性变形、塑形变形、松动、坍落等过程。在隧道开挖和支护时，由多种因素的影响，围岩整体的力学性质和稳定状态发生变化，隧道塌方也就随之而来。

2.2湿陷

研究表明粘粒含量及赋存状态是影响黄土湿陷性的主要因素，在一定压力作用下黄土受水浸湿后模量降低，由此导致明显附加沉降，隧道覆盖层产生湿陷引起土体局部不稳、应力集中。

离石黄土一般不具湿陷性，原因主要是离石黄土湿度较大，含水量较高；粘粒含量增多，因此黄土隧道湿陷性的危害集中在浅埋地段和洞口段。已有工程表明马兰黄土具轻微自重湿陷，湿陷深度仅在数米之内，故除了洞口段和特浅埋地段外，黄土隧道可不考虑湿陷性。如神延线的二郎山隧道最浅处只有4m，两侧均是黄土梁，构成集水区，湿陷后形成陷室、盲沟，若不采取措施，长期作用会切穿“浅层”，最后导致塌方冒顶。

3黄土隧道工程地质灾害的防治措施

3.1加强防排水工作

黄土隧道在施工过程中水的危害是极大的。隧道塌方、表覆层滑塌等地质灾害的发生均不同程度地受到水的作用。由此可见，黄土隧道防治的首要对象就是水。

隧道开挖后，加强洞内防排水工作，如果水量较大可在初期支护背后布设软式透水管【6】将水集中排出，避免围岩受水浸泡，而使变形加剧。隧道洞内，顺坡排水时，采用仰拱超前的方法，同时完成洞内排水沟，形成排水系统；逆坡排水时，下部开挖设集水井，疏通周围汇水通道，用水泵排出洞外。隧道出现大面积淋水或者成股状水流涌出时，采用引流管，直接引入集水井。洞顶覆盖层的渗水是洞内集水的主要途径，可适当改变表层地貌形状，以利于雨水的疏散；夯填陷穴等天然集水坑，疏导地表水，减小其渗流量。

3.2及时合理的衬砌

黄土隧道衬砌支护尤显重要，这是由黄土自身的特殊性所决定的。

黄土隧道开挖后，围岩几乎不经历弹性阶段而直接进入塑形阶段，围岩力学指标随塑性区的形成和发展而不断降低；另一方面黄土隧道侧压力较大且遇水增长，因此喷锚支护应及时合理阻止塑性区的进一步扩大，即允许有一定的塑形变形。衬砌时尽量避免使用型钢钢架等刚度大的支护体系，而使用钢筋格栅、添加钢纤维或使用改性混凝土等柔性较大的支护结构体系，以避免过分地约束变形发展，造成围岩稳定的假象。

对松软或含水量较高的地层地段，可设置超前锚杆、小导管、灌注浆【6】等方法预加固围岩。利用小导管注浆形成超前支护，作为隧道穿越软弱地层的一种辅助工法，已有不少成功实例。而将小导管注浆法用于穿越塌体可以说是一种带有尝试性的先例。应该说，两者的基本思路是一致的----都是通过小导管注浆加固地层，形成伞状的承载拱，保护隧道的掘进。值得注意的是，一般情况下塌体比未扰动的软弱地层松动过程度大，施工的风险性也大，所以施工人员需要特别谨慎，作业时需要特别认真。

4结语

黄土是西北地区所特有的土体，其表现出的特殊工程特性，对工程结构物危害大，特别是在黄土隧道修建过程中，塌方和湿陷是两种最常见的地质灾害。黄土地层中的水对隧道的影响举足轻重，围岩中水的作用是黄土隧道设计、施工时的重点研究内容和关注对象。因此，加强防排水以及及时合理衬砌是黄土隧道施工过程中预防地质灾害的有效措施。

参考文献

【1】关文章.湿陷性黄土的工程性能新篇【M】.西安：西安交通大学出版社。1992

【2】蒋明镜，沈珠江，赵魁芝等.结构性黄土湿陷性指标室内测定方法的探讨【J】.水利水运科学研究。1999，（1）：65～70

【3】白铭学，张苏民.高烈度地震时黄土地层的液化移动【J】.工程勘察。1990（6）：

作者：裴春红

黄土隧道工程论文 篇2：

郑西客专黄土隧道基础沉降问题研究

摘 要：郑西客专黄土隧道基础的工后沉降是本线的重大技术问题之一，通过对黄土隧道的沉降问题进行分析，提出客运专线隧道工程的沉降控制参考标准，并对黄土隧道基础处理原则及处理措施进行了探讨。对郑西客运专线黄土隧道及类似工程设计具有指导意义。

关键词 郑西客专 黄土隧道基础 沉降研究

客运专线不同于普通铁路的一个最大的特征之一，在于线路的高度平顺性及对线下工程严格的工后沉降要求，故站前专业的设计重点之一在于，如何把各种构筑物的工后沉降控制在允许范围之内。郑西客专位于我国黄土分布的核心范围，全线总延长77 km隧道，其中五十公里为开挖面积约163 m2的Q3、Q2新老黄土隧道（已建黄土隧道最大开挖断面不到140 m2，而且修建较少）。与以往黄土地区修建的铁路隧道相比，本线黄土隧道具有断面大、穿黄土段落长、地质复杂的特点。郑西客专黄土隧道从工程地质上分具体有以下三个难点：函谷关隧道全长7851 m，为国内最长的黄土隧道，该隧道位于黄土台塬及其斜坡地带，最大埋深220 m，隧道洞身大部分为砂质黄土，土体稳定性差[1]，以该隧道为代表的长大砂质黄土隧道修建技术；张茅隧道全长8483 m，出口3km范围黄土隧道位于地下水位线以下，土体含水量超过以往的富水黄土隧道，达饱和含水量[1]，施工極其困难，以张茅隧道为代表的长大富水黄土隧道修建技术；阌乡隧道全长770 m，埋深30 m，进出口较长段落均位于湿陷性黄土范围，而且湿陷性土层厚度达25 m[1]，以该隧道为代表的湿陷性黄土隧道基础处理，是郑西客专黄土隧道修建的又一技术难题。郑西客专黄土隧道的大规模修建，无疑是我国黄土隧道建设的一个新台阶。我国学者对黄土隧道进行过大量研究工作：铁路部门：上世纪60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：随着近些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105 m2）做过较多的研究。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”。按《客运专线无碴轨道铁路设计指南》（以下简称《指南》），路基工后沉降不应大于15 mm，长度大于20 m的路基，允许的最大工后沉降量为30 mm；桥梁墩台均匀沉降量不大于20 mm；涵洞的地基为压缩性土地层时，其工后沉降量不应大于30 mm。而该《指南》对隧道只要求底部加仰拱，对沉降并未做明确规定[2]。主要由于隧道是深埋于地下的封闭结构，土体处于三轴压缩状态，工后沉降量一般很小。黄土隧道同样有沉降问题，隧道结构不同于桥涵、路基，隧道的沉降要求有其自身的特点。据我国学者对黄土的研究，在一定压应力作用下，黄土变形大体有四种形式：弹性变形、压密变形、塑性变形和蠕变变形。黄土是一种天然状态下结构比较强的土质，常处于欠压密状态，主要为压密变形，而压密变形又表现为压缩变形和湿陷变形[3]。故当隧道基底为非湿陷性黄土时，隧道底部黄土变形主要为压缩变形；当隧道基底为湿陷性黄土时，必须考虑消除黄土的湿陷性。

1 已建铁路、公路黄土隧道基础处理情况

2 郑西客专黄土隧道沉降计算

采用大型有限差分软件对地基处理的工后沉降进行计算。造成工后沉降的荷载取为列车荷载与钢轨荷载，按ZK标准活荷载图示考虑，并考虑列车的振动造成的动力效应。

2.1 荷载计算

2.2 隧道沉降计算

2.2.1 计算方法及模型描述

本计算选取富村二号隧道的Ⅴ级黄土加强段，埋深为10 m，根据实际地形建模，先生成初始应力场，施做二次衬砌并且进行隧底填充（模型上未建道板及轨道），然后追加道板及轨道的荷载，最后位移置0，追加列车荷载。沿横截面方向左右各取70 m，约5倍洞径左右；隧底以下取45 m；为简化计算隧道纵向长度方向取10 m。

2.2.2 施做道板及轨道后的沉降

3 黄土隧道基础沉降现场量测情况

4 郑西客专黄土隧道工后沉降分析

由于《指南》对隧道工后沉降没有明确的规定，但是通过理论分析或有限元计算均表明，各种地层的隧道均有工后变形问题，只是大小不一样。隧道是一个埋藏于山体内的连续及封闭的刚性结构物，特别在土石分界或新老黄土分界处，如果有即使很微小的不均匀沉降，则结构很可能产生开裂病害。而桥涵（连续刚构除外）、路基是开放体系，若基础发生沉降，则只对线型有影响，一般结构部分没问题。

客运专线建设大家更关心的是路基和桥涵的工后沉降问题，对隧道工程的沉降关注不多。过去我们修普速铁路对这个问题研究的不是很深，对于岩石隧道若洞口有土层，往往对土质隧道基础进行特殊处理，土石分界处设沉降缝的方法，其目的主要是防止衬砌开裂，而较少考虑隧道的下沉量问题，认为即使隧道下沉可以通过预留沉落量、调整道碴高度等措施解决。而对于整个隧道位于土层中，则一般不考虑基础处理，认为隧道即使有沉降也是均匀沉降，结构不会有问题。基础承载力、结构下沉及衬砌开裂三个概念在隧道设计中应该澄清一下，基础承载力不够并不能理解为结构一定会下沉（土体比较密实的情况）。而基础承载力不够对隧道结构本身不利，因为基底会发生应力重分布现象，如果结构刚度不够，可能就要发生开裂。

《指南》对隧道工程没有明确规定工后沉降量，关于隧道的工后沉降，笔者认为：应当首先以不超过路基工后沉降，并且应满足隧道在发生微小沉降时，结构不致破坏为

原则。

5 郑西客专黄土隧道基础处理方案

对于郑西客专黄土隧道基础处理，由于隧道工程和路基、桥涵工程不一样，衬砌施工后背后土体始终处于三轴压缩状态，限制了土体的变形，土体体积如果结构没有破坏，则体积也不会有变化，微小的工后沉降以黄土的压缩变形为主，一般洞身地段老黄土可压缩性很小。目前有种观点认为：隧道基础以下土体已经承受了几百万年的上覆土体的重量，这个重量远大于围岩压力+隧道自重+列车荷载。

（1）关于湿陷性黄土基础处理

对于隧道洞口及浅埋段，往往为新黄土，形成年代较近，结构疏松，力学性质差及一般均有一定的湿陷性，处理措施主要目的在于消除黄土的湿陷性。

《湿陷性黄土地区建筑规范》（以下简称《黄土规范》）强制规定：甲类建筑应消除地基的全部湿陷量或采用桩基础穿透全部湿陷性黄土层，或将基础设置在非湿陷性黄土层上[4]。无疑客运专线应属甲类建筑。因此按照《黄土规范》：湿陷性黄土隧道基础处理应穿透基底以下全部湿陷性黄土层。而该规范编制时针对的多是湿陷厚度小于二十米的楼房建筑，基于全部处理湿陷性土层后投资增加不大的情况。郑西线部分黄土隧道洞口湿陷层厚度达三十米，是否有必要全部处理，要结合隧道工程荷载及地下水的特征，是值得深入研究的问题。

我国黄土地区基础处理方面用的较多的方法，主要有灰土垫层法、水泥土挤密桩法、桩基础、高压旋喷注浆等。郑西客专黄土隧道采用水泥土挤密桩法，该方法由于采用横向挤压成孔，使得桩间土得以充分挤压，和水泥土桩形成复合地基，这种方法工程量小，效果较好，但隧道内空间有限，特别两边墙脚处不易施工，应有配套的施工机具，同时挤密桩施工对初期支护有一定的扰动影响。郑西客专已经施工了隧道内水泥土挤密桩的情况来看，达到了消除隧底黄土湿陷性的

目的。

（2）施工過程中避免对基础的扰动

6 结语

通过以上分析得出以下几点结论：

（1）隧道工程的沉降控制标准：应当以不超过路基工后沉降，并且应满足隧道在发生微小沉降时，结构不破坏的原则作为客运专线隧道工后沉降设计控制值有一定的参考价值；（2）计算结果说明郑西客专黄土隧道沉降量满足无碴轨道工后沉降要求；（3）郑西客运专线黄土隧道基础处理应以消除洞口新黄土湿陷性为目的，水泥土挤密桩法可以作为隧道内消除黄土湿陷性的工程措施；（4）黄土隧道基础施工过程中的关键工序为：清楚干净基底虚土，防止水浸泡。（5）无碴轨道铺设应在隧道基础沉降稳定后，并对隧道基础沉降作系统的评估，确认其工后沉降符合设计要求后方能实施。

参考文献

[1] 中铁二院工程集团有限责任公司[J].成都：郑西客专隧道施工图，2006（3）.

[2] 铁建设函[2005]754号.客运专线无碴轨道铁路设计指南[J].铁道科学研究院，2005（10）.

[3] 刘祖典.黄土力学与工程[J].西安理工大学，1996（19）.

[4] GB50025-2004.湿馅性黄土地区建筑规范[M].北京：中国计划出版社，1992.

作者：樊东

黄土隧道工程论文 篇3：

黄土地铁暗挖隧道浸水湿陷变形工程特性分析

【摘要】黄土隧道围岩发生湿陷变形时，将会引起衬砌结构不均匀沉降，从而威胁隧道的安全运行。针对典型地铁地层结构建立数值模型和现场试验，得到饱和状态下的土性参数。然后，模拟隧道围岩及支护结构，分析了隧道黄土围岩不同浸水条件下黄土地基湿陷压缩应力条件的变化规律。

【关键词】黄土隧道；湿陷压缩应力；地表水入渗；地下水位抬升

1、引言

湿陷性黄土具有大孔隙、结构性、湿陷性和水敏性等性质，天然低湿度下具有明显高强度和低压缩性的黄土，一旦浸水或增湿时会发生强度骤降和变形突增的特性。它们在定量上的不可忽视性和在定性上的急速发展性，是黄土变形影响其上建筑物稳定性的突出问题[1]。

湿陷性黄土隧道是指衬砌结构位于湿陷性黄土地层的隧道，在黄土地区公路、铁路和城市地铁工程中比较普遍。在含有地下水的黄土层中修建隧道，由于黄土在干燥时很坚固，承压力也较高，施工可顺利进好。当其受水浸湿后，呈不同程度的湿陷性，会突然发生下沉现象，使开挖后的围岩迅速丧失自稳能力，如果支护措施满足不了变化后的情况，极容易造成坍塌[2]。本文针对地铁湿陷性黄土隧道工程，从地表积水入渗及地下水位抬升两种情况出发，主要分析黄土隧道浸水后其对衬砌结构的影响，为湿陷性黄土隧道地基的加固治理提供指导[3]。

2、暗挖区间隧道黄土湿陷性数值模拟分析

2.1数值模拟湿陷性黄土的难点

岩土界常用的本构模型包括摩尔一库仑模型、剑桥模型、邓肯一张模型等。这些模型大都适用于粘土或者是砂性土的计算，不能反映湿陷性黄土湿陷变形的特点。考虑到上述各种常用计算模型的优点与不足，本文采用董晓明博士提出的“密模修正法”进行湿陷性黄土的数值模拟[4]。

“密模修正法”从分析土体强度三大指标开始考虑：①对变形模量E0、粘聚力c，摩擦角φ同时进行修正；②单独对变形模量E0进行修正：③同时对粘聚力c，摩擦角φ进行修正[4-5]。其中方法二考虑黄土湿陷后的大变形特点，变形模量对变形影响最大，对变形模量E进行折减。其中围岩采用平面应变单元，初支、二衬采用梁单元，锚杆采用杆单元。方法三对其中的两个指标进行折减，故又称“折减法”，“折减法”一般应用于基坑稳定分析、边坡稳定分析中：本文采用方法一，因其涉及三个强度指标，在操作过程中需要对黄土浸水湿陷后的所有指标进行试验量测，故精确度相对比较高。

2.2数值模型

本文通过对两种工况进行分析，第一种工况即自上而下浸水（地表积水入渗）型，未浸水（Ⅰ0）、杂填土浸水（Ⅰ1）、黄土状土1浸水（Ⅰ2）、黄土状土2浸水（Ⅰ3）。由于隧道下伏地基的均匀湿陷会引起隧道衬砌结构产生较大的沉降变形量，属于大变形有限元分析问题，这种基于工程原型建立的模型的大变形往往会导致有限元计算结果不易收敛。

对于第二种工况即自下而上浸水（地下水位抬升）型，未浸水（Ⅱ0）、黄土状土2浸水（Ⅱ1）、黄土状土1浸水（Ⅱ2）、杂填土浸水（Ⅱ3），采取二维网格模型进行计算。两种模型均采用映射网格划分，以下工况模型均用符号代替。重力加速度为离心加速度，方向沿Y轴方向竖直向下。

图2.2-图2.3为两种模型八种工况二衬轴力图，从图中对比发现：二次衬砌轴力均为负值，表现为压力。最大轴力均出现在拱肩偏下靠近拱腰位置处，模型Ⅰ，拱腰Ⅰ0、Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3最大值分别为-440.4kN、-440.9 kN、-439.8 kN、-277.3 kN；最小轴力出现在隧道拱顶处，Ⅰ0、Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3最小值分别为-182.7kN、-182.7 kN、-182.2kN、-115.3kN。模型Ⅱ拱腰Ⅱ0、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3最大值分别为-435.0kN、-440.9kN、-440.0kN、-438.2kN；最小轴力出现在隧道拱顶处，Ⅱ0、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3最小值分别为-183.0 kN、-186.2kN、-185.7kN、-185.7 kN。由此分析出，地表水对二衬轴力影响不大，地下水位上升对二衬轴力影响比较大，所以，在施工过程中应将地下水位控制在黄土层以下。

图2.4～图2.5为两种模型八种工况二衬弯矩图，从图中对比发现：二次衬砌轴力大部分为负值，表现为压力。二次衬砌弯矩沿洞周左右分布对称；模型Ⅰ，二次衬砌最大负弯矩值出现在左、右拱脚处；最大负弯矩值为-150.7kN；最大正弯矩均出现在拱底处，最大正弯矩值为213.7kN；浸水对二衬弯矩基本没有影响。模型Ⅱ，浸水对Ⅱ0、Ⅱ1影响不大，Ⅱ2浸水后变化比较明显。浸水之后Ⅱ2、Ⅱ3相对变化不大。由此分析出，地表積水入渗对二衬轴力影响不大，地下水位上升对二衬轴力影响比较大，所以，在黄河汛期施工时，应采取降水措施，将地下水位控制在黄土层以下。

结论：

1）地表水对二衬轴力影响不大，地下水位上升对二衬轴力影响比较大，所以，在施工过程中应将地下水位控制在黄土层以下。

2）地表积水入渗对二衬轴力影响不大，地下水位上升对二衬轴力影响比较大。

3）在黄河汛期施工时，应采取降水措施，将地下水位控制在黄土层以下。

作者：李彩凤