公路黃土隧道的設計與施工技術研究

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

隧道的建設和運營對于加強交通聯通，促進地區經濟發展，改善人們生活水平都具有深遠影響。然而，黃土地區的隧道工程面臨著諸多挑戰，包括復雜多變的地質條件、土層不穩定、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計與施工技術，對于確保隧道工程的安全、穩定和高效建設至關重要。

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計與施工技術研究至關重要。（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生變形，因此，需要采取合理的土方開挖和支護設計防止土壤流失和隧道結構變形，確保隧道在施工期間和運營期間的穩定性。（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構發生移位和變形，因此，需要在設計隧道結構時，采取合適的土工支護和隧道襯砌設計，確保隧道的穩定性。（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，采用合適的支護結構，定期監測土壤和隧道結構的狀態，以確保隧道工程的安全和穩定。

3 工程概況

張家塬隧道位于吳忠市同心縣張家塬鄉折腰溝村，是一項連接兩個地理區域的關鍵工程。張家塬隧道的設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絡。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，呈現出復雜的地形和地質條件。

隧道的設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，體現了在不同地形條件下的靈活設計。此外，在地質條件方面，隧道所穿越的黃土層是該地區的典型地質特征。黃土具有較強的可塑性和流變性，因此，在設計和施工中需要考慮其工程力學性質，以避免隧道結構受到地質條件的不利影響。

4 公路黃土隧道設計分析

4.1 工程地質勘察

工程地質勘察在張家塬隧道設計與施工技術研究中發揮著至關重要的作用。（1）在地下深處，各種地層和土壤以不同的性質、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律。這對于確定隧道的設計參數、施工方法和支護方案至關重要。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問題，提高工程的穩定性和可靠性。（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。水文地質研究的數據對確保隧道內部干燥和穩定至關重要。（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，這些數據提供了黃土的物理和力學性質的詳細信息，工程師可以精確計算土壤的承載能力、變形特性和穩定性，為隧道的結構設計和支護方案提供可靠的依據。（4）通過對地質構造的詳細勘察，工程師可以確定存在的地質災害風險，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條件下都能夠安全運營。

4.2 隧道結構設計與材料選擇

在公路黃土隧道的設計與施工技術研究中，隧道結構設計與材料選擇是關鍵環節，直接影響著隧道的安全、穩定性和壽命。

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，隧道的結構設計必須考慮交通需求、道路標準和地質條件。在設計中，需要確定隧道的橫斷面形狀、結構類型（如圓形、方形、馬蹄形等）以及支護結構的布置。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，特別是面對黃土的特殊性質，選擇合適的材料至關重要。隧道的結構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的特殊地質環境下保持穩定性，同時滿足隧道的設計壽命和安全要求。

4.3 排水與防水設計

在本項目中，為了確保隧道的安全和穩定，必須合理規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，可以確定排水系統的深度和容量需求，有助于確保排水系統能夠有效應對地下水位的變化，防止水位過高導致隧道內部積水問題。在隧道內部排水方面，采用“V”形排水溝或橫向排水管道能夠有效地將隧道內的雨水和地下水排除，確保隧道內部不積水，防止積水引發滑坡或損壞隧道結構。此外，隧道的入口和出口排水同樣重要，在這些區域，需要設計雨水口和排水溝，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部，必須采用高質量的防水材料，包括在隧道內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。在防水設計中，隧道結構中的接縫是潛在的滲漏點，因此，必須確保其密封良好，可以使用高品質的密封材料填充接縫，確保不會發生滲水。同時，設置排水疏散管道，以便將隧道內部的積水迅速排除，避免積水對結構產生不利影響。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

5.1 土方開挖與處理

由于黃土地區的特殊性，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，采用適當的支護措施，如地錨和噴錨，保持開挖面的穩定。此外，應定期對開挖面進行監測，及時發現和處理任何不穩定的問題。

2）土方處理包括挖掘、運輸和傾倒等環節。在挖掘過程中，必須確保挖土機械的穩定性和工作效率。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、高效地運輸到傾倒場地。土方的傾倒需要選擇合適的傾倒點，避免對周圍環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、資源調配和人員管理等方面的工作。在施工過程中，需要密切關注土方開挖和處理的質量和安全，采取必要的措施應對突發事件和風險[2]。

5.2 土工支護施工

土工支護施工技術的應用是為了應對黃土地區特殊的地質條件，確保隧道的安全和穩定性。

支護結構的選擇：在黃土地區，常用的土工支護結構包括噴錨錨桿、鋼絲網格和錨噴混凝土。根據地質勘察和土壤力學性質測試的結果，確定適合項目的支護結構類型以及每種結構的具體尺寸和布設方案。

土工支護結構的布設需要精確控制，以確保其與地下土體緊密結合，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。鋼絲網格則被固定在噴錨錨桿之間，增強了土體的穩定性。支護結構的密度和布設間距需根據具體情況調整，以滿足工程需求。

為了進一步鞏固支護結構，在施工中采用了錨噴混凝土技術，是將混凝土噴射到支護結構上，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，以確保混凝土的質量和均勻性。此外，混凝土的早期強度也需得到關注，以確保支護結構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量控制和監測，以確保施工符合設計要求，包括對支護結構的布設和混凝土的噴射過程進行實時監測，以及對支護結構的質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中的關鍵環節，其質量和穩定性直接關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壁上，保證結構的穩定性。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造材料，其質量和均勻性至關重要。施工團隊必須根據設計要求準確配制混凝土，并嚴格控制水灰比等參數，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壁的關鍵設備。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壁，以避免出現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的養護。養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，養護包括維持適當的濕度和溫度條件，以促進混凝土的硬化，這一階段的質量控制非常關鍵，因為混凝土的強度和耐久性將直接影響隧道的安全和穩定性。

5.3.2 防水施工

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

防水施工的前提是對隧道內壁進行表面處理，這一步驟非常關鍵，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。任何潛在的漏水點都必須在施工前識別和修復，以確保隧道的結構完整性。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，確保隧道內部干燥。材料的選擇必須根據工程設計要求，考慮到黃土地區的特殊地質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壁，以避免漏水點和滲漏問題。涂層的厚度和均勻性是關鍵因素，需要仔細控制和監測，以確保施工達到設計要求。

6 結語

綜上所述，黃土地區的公路隧道設計與施工是一項復雜而具有挑戰性的工程任務，需要綜合考慮地質特性、 地下水位、材料選擇、排水與防水設計，以及施工技術等多個因素。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驗和指導，確保黃土地區的公路隧道工程安全、穩定、可持續運營，為地區發展和人們出行提供便利。