黄土地区高速铁路隧道设计
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【摘要】随着我国高速铁路隧道设计技术的不断完善，在黄土地区进行隧道的开发的高速铁路也越来越多。本文了黄土隧道设计理念，以郑西客专大断面黄土隧道设计为例，针对性的论述了黄土地区高速铁路隧道设计的支护设计，防排水设计等问题，面对黄土地区高速铁路隧道设计的地质难题，提出了防治措施，具有一定的理论参考意义。
【关键词】黄土地区；高速铁路；隧道设计；
中图分类号：S611文献标识码： A
一、前言
由于黄土地区特殊的地质特点，在黄土地区进行高速铁路隧道设计与别的地质有很大的区别。需要结合黄土地区特有实际地形，采取相应的设计措施，特别是在支护设计和防排水设计上，要严格做好质量控制措施。
二、典型大断面浅埋黄土隧道实例分析
郑西客专大断面黄土隧道设计开挖断面最大达165m2，针对如此大断面黄土隧道群的修建，国内外尚无先例。其中，浅埋黄土隧道由于所处地层多为新黄土，工程力学性能复杂、土体稳定性差，由于开挖断面的大幅提高，隧道的施工难度将急剧增大，对支护结构的要求更为复杂，成为郑西线修建中的重、难点问题，直接影响着郑西线的顺利建设。
巩义隧道全长3368m，全隧道位于黄土地层（具有部分湿陷性），隧道大部分地段埋深为30~38m，为典型的大断面浅埋黄土隧道，也是郑西客用专线上最长的浅埋黄土隧道。该隧道位于河南省巩义市市区，先后下穿310国道、铁路专用线及重型厂房和民用建筑等设施，施工条件极其复杂。因此，合理确定支护设计参数，优化施工方法，才能有效解决下穿铁路等建筑物段的地面沉降控制、快速安全施工、隧道软弱基底处理等问题。本文以该隧道为工程背景，探讨有关大断面浅埋黄土隧道的修建技术问题，以期为今后类似情况的隧道工程建设提供参考。
三、黄土地区高速铁路隧道设计理念
黄土隧道围岩受力特征：衬砌荷载分布不均匀，拱部压力呈现“猫耳朵”分布，拱顶小，拱腰大，拱顶内缘为压应力，拱腰内缘为拉应力；边墙基底压力的大小和边墙混凝土和土体之间的摩擦力有关，摩擦力越大，基底压力越小；边墙的水平荷载均大于拱部竖向荷载；仰拱承受较大荷载，且呈现两边大，中间小的特点[5]。本项目隧道推荐采用受力条件好、断面利用率高的三心圆（曲墙半圆拱）并设置仰拱的形式。复合式衬砌结构具有防水能适应围岩变形和充分发挥围岩自身的承载力、结构安全高的特点，黄土隧道应采用复合式衬砌。
根据初期支护承担施工阶段全部荷载，二次衬砌承担由于初期支护劣化、地层蠕变、环境条件变化等引起的附加荷载以及作为安全储备的设计原则，根据黄土隧道围岩压力的特性和已建成的黄土隧道经验与教训，确定了本项目黄土隧道较大刚度的支护、衬砌参数，隧道均采用有仰拱结构，二次衬砌均采用钢筋混凝土结构，提高支护、衬砌结构的安全、可靠性。
四、黄土地区高速铁路隧道设计要点
1.大断面浅埋黄土隧道支护设计
（一）变形控制及支护原则
大断面浅埋黄土隧道，土体易沿节理方向张开剪断，较难形成承载拱，开挖应力释放后易崩解剥落，处理不当会造成溜坍乃至塌方；拱顶地层易受施工扰动开裂。施工观测表明，洞内变形向地表传递较快，隧道结构荷载主要为松弛压力而非形变压力。新奥法基本原理仍适用于大断面浅埋黄土隧道，同时应采取针对性措施：对于大断面浅埋黄土隧道，充分保护围岩具体要求则为控制围岩变形而不是释放变形，主要措施为采用加强支护抑制开挖松弛变形；支护施作时机不能照搬深埋隧道做法，应及早施作，同时对支护结构进行适当加强。
（二）深、浅埋界定及土体荷载确定
根据黄土特性和大断面隧道特点，《铁路隧道设计规范》规定的深浅埋分界值和围岩压力都明显偏小。根据郑西线黄土隧道研究成果，大断面黄土隧道按埋深薄厚依次可分为极浅埋、浅埋和深埋三种类型，其中：以新黄土厚度为极浅埋分界；深、浅埋分界值可以根据黄土性状和天然含水量在50~60m或（3.5~4.5）B（B—开挖跨度）范围内选取。极浅埋时仍采用全土柱理论公式，浅埋时仍采用规范建议的谢家烋公式，深埋时适当提高地层压力，按埋深50~60m谢家烋理论公式计算荷载值。
2.黄土隧道锚杆设置
黄土隧道中的系统锚杆锚固效果是一个有争议的问题。郑西线开展的测试表明：锚杆受力均呈拱部小而边墙较大的分布特征；深埋隧道锚杆轴力较浅埋大，老黄土较新黄土大；拱部锚杆受力很小难以发挥作用，边墙锚杆能提供一定拉应力。因此浅埋黄土隧道减少拱部锚杆是可行的。
3.黄土隧道锚喷施工支护的施工工序，应按开挖、初喷、挂网或架立钢架、复喷的步骤进行。在第一次开挖完成后，隧道断面位移速度最大，应及时施做施工支护，约束围岩早期变形，防止隧道产生坍塌。洞内施工时应加强施工支护，进行小导管短管棚超前支护。
4.衬砌支护结构的计算分析
（一）初期支护理论计算：根据共同变形理论，按地层-结构模式进行计算，计算采用ANSYS有限元软件模拟了CRD法、双侧壁导坑法、CD法、弧形导坑法的开挖、施做初期支护的全过程。计算工况按埋深分别为50m的弧形导坑法，埋深30m的CD法，埋深30m CRD法，埋深15m的双侧壁导坑法。从理论计算结果可知：初期支护安全系数最小值均不小于1.0，初期支护变形值也均小于《铁路隧道设计规范》中关于双线隧道初期支护的极限位移的要求，从而可以判定设计所采用的初期支护和临时支护参数能够满足施工过程的围岩稳定性和安全性要求。
（二）二次衬砌结构计算：隧道衬砌结构计算采用以破损阶段设计法，对衬砌截面安全度、裂缝宽度进行计算和验算。隧道衬砌结构按平面受力进行分析计算，采用荷载—结构模型平面杆系有限单元法。计算程序采用ANSYS软件。作用在衬砌结构上的主要荷载有结构自重、黄土垂直压力、地层侧向水平压力和弹性抗力等，二次衬砌按承受围岩压力的60％进行计算。经理论计算，结构的承载性能及裂缝控制均能够满足规范要求。
5.隧道防排水设计
针对我国已经正常使用的铁路隧道在总体上来讲都是正常的，但是运行时间一长就会在不同程度上出现渗水的情况，根据调查发现其主要有三点原因：一是针对我们以前设计防水方面标准普遍偏低，二是在整个施工质量方面也存在一定问题，三是在前期施工管理方面不够彻底。
面对今后的隧道设计方面，我们应当重视初期对于支护的防水施工，在防水方面应当使用混凝土自防水为主体，利用施工的山体缝隙为防水重点，其后需要注浆和防水层加强防水，满足整体防水结构。今后在设计中应当要了解地下水的面积，在处理过程中应当就地取材，避免影响周围环境和居住人群。在处理措施方面要强调全面彻底解除渗水，这样才能保证隧道在今后的使用过程中安全运营。
在隧道防水设计中，需要以勘探资料为主，进行全面的设计防水要求，其主要内容应该为： (1)防水标准和设防要求；(2)防水混凝土抗渗等级和其他技术指标；(3)防水层选用的材料及其技术指标；(4)工程部构造的防水措施,选用的材料及其技术指标；(5)工程结构防水系统,各种洞口工程防排水系统；洞身局部地段地表水堵、截、排系统。
五、黄土隧道不良地质处治措施
黄土由于其特殊的工程地质特性决定了冲沟、陷穴及落水洞等发育，勘察设计阶段要有效地查明黄土隧道洞顶陷穴、冲沟和落水洞等的位置，分析对隧道施工及运营的影响，并提出处治范围和处治措施。下面简要介绍下洞顶陷穴、冲沟、落水洞的处理方法：
(1)冲沟采用碎石土回填，从上到下分层夯实，顶层采用浆砌片石铺砌，并设置地表水引排措施，防止地表水对隧道围岩的切割和冲刷。
(2)陷穴采用老黄土回填，从下向上分层夯实，顶层采用C15混凝土封口。
(3)落水洞，又称“黄土喀斯特”，是Q3地层的典型特征之一。处理前首先找到进、出口并进行封堵，浅层落水洞采用开挖回填法，深层落水洞采用灌砂法或水泥注浆法。
六、结束语
综上所述，通过对郑西客运专线大断面黄土高速铁路隧道修建技术的分析，我们对我国黄土工程特性的有了再认识与深化，填补了现行铁路隧道设计规范关于黄土隧道设计参数的空白。这些都有利于我国铁路隧道设计朝着更全面的空间发展。
参考文献： [1] 康军.黄土公路隧道工程[M].北京：人民交通出版社.2011.07
[2]白石夯,蔡建营.郑西客运专线隧道施工中的常见问题及解决[J].福建建材, 2010,(04). [3]管鸿浩.大断面隧道设计施工有关技术问题探讨——浙赣铁路电化提速改造隧道工程施工现场调研[J].铁道勘测与设计,2011,(04).
[4] 王晓州，朱永全，等．大断面黄土隧道修建技术．北京：中国铁道出版社．2009．
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