公路黃土隧道的設(shè)計與施工技術(shù)研究

邢慶龍

（中鐵建大橋工程局集團西北工程有限公司，銀川 750000）

1 引言

隧道的建設(shè)和運營對于加強交通聯(lián)通，促進地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，改善人們生活水平都具有深遠影響。然而，黃土地區(qū)的隧道工程面臨著諸多挑戰(zhàn)，包括復雜多變的地質(zhì)條件、土層不穩(wěn)定、水土流失、排水防水難題等。因此，深入研究公路黃土隧道的設(shè)計與施工技術(shù)，對于確保隧道工程的安全、穩(wěn)定和高效建設(shè)至關(guān)重要。

2 黃土的特性

黃土具有可塑性、膨脹性、抗剪強度等特性，對公路黃土隧道的設(shè)計與施工技術(shù)研究至關(guān)重要。（1）黃土土壤的可塑性是指其在一定含水量條件下，具有較強的變形能力，容易發(fā)生擠壓和流動。在隧道施工過程中，土壤會受到地下水位的影響而發(fā)生變形，因此，需要采取合理的土方開挖和支護設(shè)計防止土壤流失和隧道結(jié)構(gòu)變形，確保隧道在施工期間和運營期間的穩(wěn)定性。（2）膨脹性是指黃土土壤在吸水后會膨脹，而在干燥時則會收縮，這種特性會導致地下結(jié)構(gòu)發(fā)生移位和變形，因此，需要在設(shè)計隧道結(jié)構(gòu)時，采取合適的土工支護和隧道襯砌設(shè)計，確保隧道的穩(wěn)定性。（3）黃土的抗剪強度相對較低，容易受到外力的影響。因此，在施工中需要加固黃土土壤，采用合適的支護結(jié)構(gòu)，定期監(jiān)測土壤和隧道結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，以確保隧道工程的安全和穩(wěn)定。

3 工程概況

張家塬隧道位于吳忠市同心縣張家塬鄉(xiāng)折腰溝村，是一項連接兩個地理區(qū)域的關(guān)鍵工程。張家塬隧道的設(shè)計采用了雙向分離式，進口為挖方，出口與上莊大橋相連，形成一個完整的交通網(wǎng)絡(luò)。隧道的軸線方向為230°，左、右幅進口段分別位于右偏圓曲線上，而洞身及出口段則位于直線上，呈現(xiàn)出復雜的地形和地質(zhì)條件。

隧道的設(shè)計考慮了地形和交通的復雜性，左、右幅線間距由進口段的30 m 漸變至出口段的41 m，以適應不同段落的道路寬度需求。隧道的總長分別為790 m 和792 m，最大埋深約為102 m 和100 m，體現(xiàn)了在不同地形條件下的靈活設(shè)計。此外，在地質(zhì)條件方面，隧道所穿越的黃土層是該地區(qū)的典型地質(zhì)特征。黃土具有較強的可塑性和流變性，因此，在設(shè)計和施工中需要考慮其工程力學性質(zhì)，以避免隧道結(jié)構(gòu)受到地質(zhì)條件的不利影響。

4 公路黃土隧道設(shè)計分析

4.1 工程地質(zhì)勘察

工程地質(zhì)勘察在張家塬隧道設(shè)計與施工技術(shù)研究中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。（1）在地下深處，各種地層和土壤以不同的性質(zhì)、分布和厚度存在。通過詳細的地層分析，工程師能深入了解黃土層的特點和變化規(guī)律。這對于確定隧道的設(shè)計參數(shù)、施工方法和支護方案至關(guān)重要。通過對地層的精確分析，可以避免在施工過程中遇到不可預測的地質(zhì)問題，提高工程的穩(wěn)定性和可靠性。（2）地下水位的深度和波動情況直接影響著隧道工程的施工和運營。地質(zhì)勘察團隊需要詳細了解地下水位的情況，以確定地下水對隧道工程的潛在影響，包括在施工期間需要采取的降水措施，以及隧道運營期間需要的排水系統(tǒng)。水文地質(zhì)研究的數(shù)據(jù)對確保隧道內(nèi)部干燥和穩(wěn)定至關(guān)重要。（3）工程師采集土壤樣品，并對其進行多項測試，包括黏性、可塑性和抗剪強度等方面的試驗，這些數(shù)據(jù)提供了黃土的物理和力學性質(zhì)的詳細信息，工程師可以精確計算土壤的承載能力、變形特性和穩(wěn)定性，為隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計和支護方案提供可靠的依據(jù)。（4）通過對地質(zhì)構(gòu)造的詳細勘察，工程師可以確定存在的地質(zhì)災害風險，如滑坡、地陷或地震。制定相應的風險管理策略，確保隧道在各種地質(zhì)條件下都能夠安全運營。

4.2 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料選擇

在公路黃土隧道的設(shè)計與施工技術(shù)研究中，隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料選擇是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響著隧道的安全、穩(wěn)定性和壽命。

1）張家塬隧道作為雙向交通通道，需要具備足夠的寬度和強度，以容納大量的車輛和交通流量。因此，隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須考慮交通需求、道路標準和地質(zhì)條件。在設(shè)計中，需要確定隧道的橫斷面形狀、結(jié)構(gòu)類型（如圓形、方形、馬蹄形等）以及支護結(jié)構(gòu)的布置。此外，還需要考慮通風、照明、排水和緊急疏散等方面的因素，以確保隧道的全面功能。

2）在黃土地區(qū)，特別是面對黃土的特殊性質(zhì)，選擇合適的材料至關(guān)重要。隧道的結(jié)構(gòu)材料需要具備足夠的強度、耐久性和抗腐蝕性。典型的材料包括混凝土、鋼筋、砂漿、支護材料和防水材料等，這些材料必須能在黃土地區(qū)的特殊地質(zhì)環(huán)境下保持穩(wěn)定性，同時滿足隧道的設(shè)計壽命和安全要求。

4.3 排水與防水設(shè)計

在本項目中，為了確保隧道的安全和穩(wěn)定，必須合理規(guī)劃和實施排水與防水措施，以防止地下水的滲透和積水問題的發(fā)生。

通過深入了解隧道周邊地下水位的深度和波動情況，可以確定排水系統(tǒng)的深度和容量需求，有助于確保排水系統(tǒng)能夠有效應對地下水位的變化，防止水位過高導致隧道內(nèi)部積水問題。在隧道內(nèi)部排水方面，采用“V”形排水溝或橫向排水管道能夠有效地將隧道內(nèi)的雨水和地下水排除，確保隧道內(nèi)部不積水，防止積水引發(fā)滑坡或損壞隧道結(jié)構(gòu)。此外，隧道的入口和出口排水同樣重要，在這些區(qū)域，需要設(shè)計雨水口和排水溝，以確保雨水迅速排除，不會對交通造成干擾，有助于保持隧道口的通暢，提高交通的順暢性和安全性[1]。

為了防止水分滲透到隧道內(nèi)部，必須采用高質(zhì)量的防水材料，包括在隧道內(nèi)部的墻壁和頂部應用聚氯乙烯（PVC）防水膜或聚合物改性瀝青等防水材料。在防水設(shè)計中，隧道結(jié)構(gòu)中的接縫是潛在的滲漏點，因此，必須確保其密封良好，可以使用高品質(zhì)的密封材料填充接縫，確保不會發(fā)生滲水。同時，設(shè)置排水疏散管道，以便將隧道內(nèi)部的積水迅速排除，避免積水對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。此外，在隧道周邊采取外部防水措施，以減少地表水滲透的風險，包括設(shè)計排水溝和建立防水層，以使地表水遠離隧道周圍土壤，減小地下水位上升的可能性。

5 公路黃土隧道施工技術(shù)

5.1 土方開挖與處理

由于黃土地區(qū)的特殊性，土方開挖和處理必須謹慎進行，以確保隧道工程的安全和穩(wěn)定。具體需注意以下要點。

1）土方開挖需要充分考慮黃土的可塑性和膨脹性。必須合理確定土方開挖的坡度和高度，采用適當?shù)闹ёo措施，如地錨和噴錨，保持開挖面的穩(wěn)定。此外，應定期對開挖面進行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)和處理任何不穩(wěn)定的問題。

2）土方處理包括挖掘、運輸和傾倒等環(huán)節(jié)。在挖掘過程中，必須確保挖土機械的穩(wěn)定性和工作效率。土方的運輸需要選擇合適的運輸工具和路線，以確保將土方及時、安全、高效地運輸?shù)絻A倒場地。土方的傾倒需要選擇合適的傾倒點，避免對周圍環(huán)境造成污染或不良影響。

3）土方開挖和處理需要合理安排施工進度，確保施工過程順利進行，包括制訂施工計劃、資源調(diào)配和人員管理等方面的工作。在施工過程中，需要密切關(guān)注土方開挖和處理的質(zhì)量和安全，采取必要的措施應對突發(fā)事件和風險[2]。

5.2 土工支護施工

土工支護施工技術(shù)的應用是為了應對黃土地區(qū)特殊的地質(zhì)條件，確保隧道的安全和穩(wěn)定性。

支護結(jié)構(gòu)的選擇：在黃土地區(qū)，常用的土工支護結(jié)構(gòu)包括噴錨錨桿、鋼絲網(wǎng)格和錨噴混凝土。根據(jù)地質(zhì)勘察和土壤力學性質(zhì)測試的結(jié)果，確定適合項目的支護結(jié)構(gòu)類型以及每種結(jié)構(gòu)的具體尺寸和布設(shè)方案。

土工支護結(jié)構(gòu)的布設(shè)需要精確控制，以確保其與地下土體緊密結(jié)合，增強支護效果。噴錨錨桿通常以一定的間距嵌入土體深處，形成一種堅固的支護框架。鋼絲網(wǎng)格則被固定在噴錨錨桿之間，增強了土體的穩(wěn)定性。支護結(jié)構(gòu)的密度和布設(shè)間距需根據(jù)具體情況調(diào)整，以滿足工程需求。

為了進一步鞏固支護結(jié)構(gòu)，在施工中采用了錨噴混凝土技術(shù)，是將混凝土噴射到支護結(jié)構(gòu)上，形成堅固的保護層。混凝土的配比和噴射壓力需要精確控制，以確保混凝土的質(zhì)量和均勻性。此外，混凝土的早期強度也需得到關(guān)注，以確保支護結(jié)構(gòu)在施工期間能夠承受地下土體的壓力。

土工支護施工期間需要進行質(zhì)量控制和監(jiān)測，以確保施工符合設(shè)計要求，包括對支護結(jié)構(gòu)的布設(shè)和混凝土的噴射過程進行實時監(jiān)測，以及對支護結(jié)構(gòu)的質(zhì)量進行定期檢查和測試。

5.3 隧道襯砌與防水

5.3.1 隧道襯砌施工

隧道襯砌施工是公路黃土隧道建設(shè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其質(zhì)量和穩(wěn)定性直接關(guān)系到隧道的安全和使用壽命。在本項目中，采用了混凝土噴射作為隧道襯砌的主要施工方法。隧道襯砌施工前需要進行充分的準備工作。施工人員必須仔細檢查隧道內(nèi)部，確保沒有殘留的雜物、碎石或其他障礙物。這是為了確保混凝土襯砌能均勻地覆蓋在隧道內(nèi)壁上，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。接下來是混凝土的準備和配制。混凝土是隧道襯砌的主要構(gòu)造材料，其質(zhì)量和均勻性至關(guān)重要。施工團隊必須根據(jù)設(shè)計要求準確配制混凝土，并嚴格控制水灰比等參數(shù)，以確保混凝土具有足夠的強度和耐久性。在混凝土準備就緒后，施工人員將啟動混凝土噴射施工過程。混凝土噴射機是將混凝土均勻噴射到隧道內(nèi)壁的關(guān)鍵設(shè)備。操作噴射機時，施工人員需要確保混凝土均勻地覆蓋整個隧道內(nèi)壁，以避免出現(xiàn)空洞或不均勻的襯砌層。此外，施工速度需要控制得當，以確保混凝土的凝固時間與養(yǎng)護時間相匹配。隧道襯砌施工完成后，需要對新施工的混凝土進行適當?shù)酿B(yǎng)護。養(yǎng)護的目的是確保混凝土能夠在逐漸硬化的過程中獲得足夠的強度。通常，養(yǎng)護包括維持適當?shù)臐穸群蜏囟葪l件，以促進混凝土的硬化，這一階段的質(zhì)量控制非常關(guān)鍵，因為混凝土的強度和耐久性將直接影響隧道的安全和穩(wěn)定性。

5.3.2 防水施工

防水施工在黃土隧道設(shè)計與建設(shè)中具有重要作用，它可以有效防止地下水進入隧道內(nèi)部，保障隧道的安全和使用壽命。

防水施工的前提是對隧道內(nèi)壁進行表面處理，這一步驟非常關(guān)鍵，因為隧道表面的平滑和無裂縫是確保防水層附著牢固的基礎(chǔ)。任何潛在的漏水點都必須在施工前識別和修復，以確保隧道的結(jié)構(gòu)完整性。在防水材料的選擇方面，通常采用聚合物改性瀝青防水涂料或類似的高效防水材料，這些材料具有出色的附著性和耐候性，能夠有效抵御地下水的滲透，確保隧道內(nèi)部干燥。材料的選擇必須根據(jù)工程設(shè)計要求，考慮到黃土地區(qū)的特殊地質(zhì)條件和地下水位較高的情況。涂覆防水層的施工過程中，施工人員需要確保防水材料均勻覆蓋整個隧道內(nèi)壁，以避免漏水點和滲漏問題。涂層的厚度和均勻性是關(guān)鍵因素，需要仔細控制和監(jiān)測，以確保施工達到設(shè)計要求。

6 結(jié)語

綜上所述，黃土地區(qū)的公路隧道設(shè)計與施工是一項復雜而具有挑戰(zhàn)性的工程任務，需要綜合考慮地質(zhì)特性、 地下水位、材料選擇、排水與防水設(shè)計，以及施工技術(shù)等多個因素。本文基于實際項目，全面剖析了黃土隧道工程中的關(guān)鍵問題，并提供了解決方案和建議，希望能為今后類似工程提供有益的經(jīng)驗和指導，確保黃土地區(qū)的公路隧道工程安全、穩(wěn)定、可持續(xù)運營，為地區(qū)發(fā)展和人們出行提供便利。