黃土隧道是如何建成的？
黃土隧道
黃土隧道的施工方法與工程實踐
進入21世紀，地下工程建設任重道遠，在我國公路建設中，越嶺長隧道成為不可或缺的組成部分。由於其具有縮短線路、改善線形、保護環境等多種優點，越嶺長隧道在各類運輸方式中有著不可替代的作用。
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隧道工程廣泛應用於鐵路、公路、礦井和水利等工程建設的諸多領域。根據用途，可以將隧道分為鐵路隧道、公路隧道、煤炭和金屬等礦山運輸的巷道和洞室、水工隧道、軍工工程和人民防空用地下通道和洞庫、市政隧道和窯洞等。隧道工程結構由人工襯砌和天然圍岩共同構成，圍岩是主要承載體。由於在地質作用下形成的歷史時期不同，可以將天然圍岩分為岩體圍岩和土體圍岩。在工程建設高速發展的時代，隧道結構工程面臨著重大的機遇和挑戰，岩體圍岩隧道和土體圍岩隧道建設均取得迅猛發展。
氣候環境的變化促使黃土的形成。黃土廣泛分布於中國、美國的中西部和俄羅斯的南部等世界許多地區，總面積約1300萬 km2，占陸地面積的9.3%。我國黃土地區總面積達 63.1 萬km2，主要分布在陝西、山西、河南、河北、山東、內蒙古、遼寧、吉林、新疆、青海、甘肅、寧夏等12個省和自治區，占我國國土面積的 6.6%左右，其中黃土最厚的區域在黃河支流——涇河與洛河流域的中游甘陝地區 。黃土可分為老黃土和新黃土。老黃土由早更新世的午城黃土(Q1)和中更新世的離石黃土(Q2)組成，一般不具有濕陷性。新黃土由晚更新世馬蘭黃土(Q3)和全新世的新近堆積黃土(Q4)組成，都具有濕陷性。隨著我國交通建設的迅速發展和西部大開發的不斷深入，黃土圍岩隧道已經成為土體圍岩隧道的重要組成部分，並廣泛應用於鐵路、公路、城市地下工程、水利、礦山建設、軍事和人防等工程建設之中。
改革開放 40 年來，公路建設迅猛發展，高等級公路的快速發展，更使得公路中隧道的數量與規模迅速增加，施工技術也日益成熟。隨著西部大開發戰略的實施，我國西部地區的公路網路建設初具規模，但與東南地區的交通網路相比仍有較大差距。由於黃土分布的廣泛性和典型的工程特性，想要彌補這一差距，就不得不考慮提高黃土隧道的施工技術。黃土結構較為鬆散，且遇水迅速失去強度，因而受到學術界及工程界的廣泛重視。
我國黃土隧道的修建起步較晚，基本借鑒了鐵路隧道在此方面已有的科研成果，《鐵路工程設計手冊》規定，對黃土區淺埋隧道圍岩壓力採用謝家烋公式進行計算，而深埋隧道採用修正卡柯公式進行計算，並指出對黃土區隧道不宜按計算摩擦角或圍岩類別確定隧道圍岩壓力，應根據實測的黃土物理力學指標進行設計。黃土隧道，特別是大跨徑、大斷面隧道，其防水等級較高，面對黃土強度較低的情況時是否應該在施工時考慮開挖擾動變形大的特點？黃土隧道廣泛採用的兩層襯砌中每個組成部分的荷載特性如何？黃土隧道施工與其結構形式及參數選取有何關聯？現有的設計施工方法合理性及經濟性如何？一系列的問題都值得工程界及學術界研究探討。本書將針對以上亟待解決的問題，介紹作者多年來的相關研究成果及研究思路。
全書共6章，第1章為緒論，介紹國內外研究現狀及隧道斷面的分類；第2章為黃土隧道的施工方法，介紹目前各類斷面下黃土隧道常用的施工方法；第 3 章為中斷面黃土隧道的施工方法，主要對中斷面黃土隧道全斷面開挖法、上下台階法、台階分部開挖法、CD法等施工方法下的地表變形和拱頂下沉、控制點位移、安全係數及施工特點進行分析；第 4 章為大斷面黃土隧道的施工方法，主要對大斷面黃土隧道中台階分部開挖法、單側壁導坑開挖法、CD 開挖法、CRD 開挖法、雙側壁導坑開挖法的地表變形和拱頂下沉、控制點位移等進行分析；第 5 章為特大斷面黃土隧道的施工方法，主要對 CD 法、CRD 法、單側壁導坑法、雙側壁導坑法、三台階七步開挖法等施工方法的圍岩位移及安全係數進行分析；第6章為黃土隧道動態施工實例，主要分析了天平鐵路隧道施工中的黃土隧道，包括牛頭山黃土隧道和方家灣黃土隧道。
正文展示
本書目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 黃土隧道施工方法2
1.3 黃土隧道國內外研究現狀 3
1.3.1 黃土隧道開挖方法的研究現狀 3
1.3.2 黃土隧道地震作用下穩定性的研究現狀 4
1.4 隧道斷面的分類 5
1.5 本書的主要內容 6
參考文獻 6
第2章 黃土隧道的施工方法 8
2.1 概述 8
2.2 全斷面開挖法 10
2.3 台階法 11
2.4 單側壁導坑法 13
2.5 中隔壁法 13
2.6 交叉中隔壁法 15
2.7 雙側壁導坑法 16
2.8 環形開挖預留核心土法 17
2.9 本章小結 19
參考文獻 19
第3章 中斷面黃土隧道的施工方法 21
3.1 概述 21
3.2 基本理論 22
3.2.1 中斷面黃土隧道概述 22
3.2.2 抗剪強度折減法及收斂準則 22
3.2.3 一致邊界條件 24
3.2.4 屈服條件和破壞準則 26
3.2.5 彈性常數對地震動安全係數的影響 27
3.3 計算模型及參數 29
3.3.1 計算模型 29
3.3.2 計算參數 29
3.4 模擬過程及結果分析 30
3.4.1 全斷面開挖法 30
3.4.2 上下台階法 32
3.4.3 台階分部開挖法 37
3.4.4 CD法 44
3.5 安全係數 56
3.5.1 全斷面開挖法 56
3.5.2 上下台階法 58
3.5.3 台階分部開挖法 60
3.5.4 CD法 63
3.6 結果比較 65
3.7 本章小結 66
參考文獻66
第4章 大斷面黃土隧道的施工方法 68
4.1 概述 68
4.1.1 分析模型 68
4.1.2 計算採用的準則 69
4.1.3 計算參數 69
4.1.4 計算步驟和控制點 69
4.2 台階分部開挖法的動態數值模擬 70
4.2.1 上部弧形導坑開挖計算結果及分析 70
4.2.2 核心土開挖後計算結果及分析 73
4.2.3 下部台階開挖後計算結果及分析 75
4.2.4 開挖結束後控制點位移 77
4.3 單側壁導坑開挖法的動態數值模擬 78
4.3.1 先行導坑上部開挖計算結果及分析 78
4.3.2 先行導坑下部開挖計算結果及分析 81
4.3.3 後行洞上部開挖計算結果及分析 83
4.3.4 後行洞下部開挖計算結果及分析 85
4.3.5 臨時支撐拆除後開挖計算結果及分析 87
4.3.6 開挖結束後控制點位移 90
4.4 CD開挖法的動態數值模擬 90
4.4.1 先行導坑上部開挖計算結果及分析 91
4.4.2 先行導坑下部開挖計算結果及分析 93
4.4.3 後行洞上部開挖計算結果及分析 95
4.4.4 後行洞下部開挖計算結果及分析 97
4.4.5 臨時鋼支撐拆除後計算結果及分析 100
4.4.6 開挖結束後控制點位移 102
4.5 CRD開挖法的動態數值模擬 102
4.5.1 先行導坑上部開挖計算結果及分析 103
4.5.2 先行導坑下部開挖計算結果及分析 105
4.5.3 後行洞上部開挖計算結果及分析 107
4.5.4 後行洞下部開挖計算結果及分析 109
4.5.5 臨時鋼支撐拆除後計算結果及分析 112
4.5.6 開挖結束後控制點位移 114
4.6 雙側壁導坑開挖法的動態數值模擬 114
4.6.1 先行導坑開挖後計算結果及分析 114
4.6.2 後行導坑開挖後計算結果及分析 117
4.6.3 中部上半斷面開挖後計算結果及分析 119
4.6.4 中部下半斷面開挖後計算結果及分析 121
4.6.5 臨時鋼支撐拆除後計算結果及分析 124
4.6.6 開挖結束後控制點位移 126
4.7 本章小結 126
參考文獻 127
第5章 特大斷面黃土隧道的施工方法 128
5.1 概述 128
5.2 計算模型的建立 128
5.2.1 計算模型 128
5.2.2 單元選擇 129
5.2.3 網格劃分 129
5.2.4 計算參數 130
5.2.5 載入與求解 130
5.3 計算結果及結果分析 132
5.3.1 CD法 132
5.3.2 CRD法 149
5.3.3 單側壁導坑法 166
5.3.4 雙側壁導坑法 179
5.3.5 三台階七步開挖(預留核心土)法 202
5.3.6 三台階七步開挖(預挖核心土)法 221
5.4 安全係數 240
5.4.1 CD法 240
5.4.2 CRD法 241
5.4.3 單側壁導坑法 243
5.4.4 雙側壁導坑法 244
5.4.5 三台階七步開挖(預留核心土)法 245
5.4.6 三台階七步開挖(預挖核心土)法 246
5.4.7 安全係數 248
5.4.8 開挖結束後控制點位移 248
5.5 本章小結 248
參考文獻 249
第6章 黃土隧道動態施工實例 250
6.1 概述 250
6.2 牛頭山黃土隧道動態施工數值模擬 251
6.2.1 分析模型 251
6.2.2 計算參數 251
6.2.3 模擬過程及結果分析 251
6.2.4 安全係數 257
6.3 方家灣黃土隧道動態施工數值模擬 259
6.3.1 分析模型 259
6.3.2 計算參數 260
6.3.3 模擬過程及結果分析 260
6.3.4 施工結束後控制點位移 278
6.3.5 安全係數 278
6.4 本章小結 279
參考文獻 280
本文摘選自程選生著《黃土隧道的施工方法與工程實踐》一書。內容有刪節，標題為編者所加。
《黃土隧道的施工方法與工程實踐》
程選生 著
北京：科學出版社, 2019.6
ISBN 978-7-03-060018-9
責任編輯: 張瑞濤
出版圖書，獲取贈書，聯繫張瑞濤編輯
（本期編輯：王芳）
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