公路黄土隧道的设计与施工技术研究

邢庆龙

（中铁建大桥工程局集团西北工程有限公司，银川 750000）

1 引言

隧道的建设和运营对于加强交通联通，促进地区经济发展，改善人们生活水平都具有深远影响。然而，黄土地区的隧道工程面临着诸多挑战，包括复杂多变的地质条件、土层不稳定、水土流失、排水防水难题等。因此，深入研究公路黄土隧道的设计与施工技术，对于确保隧道工程的安全、稳定和高效建设至关重要。

2 黄土的特性

黄土具有可塑性、膨胀性、抗剪强度等特性，对公路黄土隧道的设计与施工技术研究至关重要。（1）黄土土壤的可塑性是指其在一定含水量条件下，具有较强的变形能力，容易发生挤压和流动。在隧道施工过程中，土壤会受到地下水位的影响而发生变形，因此，需要采取合理的土方开挖和支护设计防止土壤流失和隧道结构变形，确保隧道在施工期间和运营期间的稳定性。（2）膨胀性是指黄土土壤在吸水后会膨胀，而在干燥时则会收缩，这种特性会导致地下结构发生移位和变形，因此，需要在设计隧道结构时，采取合适的土工支护和隧道衬砌设计，确保隧道的稳定性。（3）黄土的抗剪强度相对较低，容易受到外力的影响。因此，在施工中需要加固黄土土壤，采用合适的支护结构，定期监测土壤和隧道结构的状态，以确保隧道工程的安全和稳定。

3 工程概况

张家塬隧道位于吴忠市同心县张家塬乡折腰沟村，是一项连接两个地理区域的关键工程。张家塬隧道的设计采用了双向分离式，进口为挖方，出口与上庄大桥相连，形成一个完整的交通网络。隧道的轴线方向为230°，左、右幅进口段分别位于右偏圆曲线上，而洞身及出口段则位于直线上，呈现出复杂的地形和地质条件。

隧道的设计考虑了地形和交通的复杂性，左、右幅线间距由进口段的30 m 渐变至出口段的41 m，以适应不同段落的道路宽度需求。隧道的总长分别为790 m 和792 m，最大埋深约为102 m 和100 m，体现了在不同地形条件下的灵活设计。此外，在地质条件方面，隧道所穿越的黄土层是该地区的典型地质特征。黄土具有较强的可塑性和流变性，因此，在设计和施工中需要考虑其工程力学性质，以避免隧道结构受到地质条件的不利影响。

4 公路黄土隧道设计分析

4.1 工程地质勘察

工程地质勘察在张家塬隧道设计与施工技术研究中发挥着至关重要的作用。（1）在地下深处，各种地层和土壤以不同的性质、分布和厚度存在。通过详细的地层分析，工程师能深入了解黄土层的特点和变化规律。这对于确定隧道的设计参数、施工方法和支护方案至关重要。通过对地层的精确分析，可以避免在施工过程中遇到不可预测的地质问题，提高工程的稳定性和可靠性。（2）地下水位的深度和波动情况直接影响着隧道工程的施工和运营。地质勘察团队需要详细了解地下水位的情况，以确定地下水对隧道工程的潜在影响，包括在施工期间需要采取的降水措施，以及隧道运营期间需要的排水系统。水文地质研究的数据对确保隧道内部干燥和稳定至关重要。（3）工程师采集土壤样品，并对其进行多项测试，包括黏性、可塑性和抗剪强度等方面的试验，这些数据提供了黄土的物理和力学性质的详细信息，工程师可以精确计算土壤的承载能力、变形特性和稳定性，为隧道的结构设计和支护方案提供可靠的依据。（4）通过对地质构造的详细勘察，工程师可以确定存在的地质灾害风险，如滑坡、地陷或地震。制定相应的风险管理策略，确保隧道在各种地质条件下都能够安全运营。

4.2 隧道结构设计与材料选择

在公路黄土隧道的设计与施工技术研究中，隧道结构设计与材料选择是关键环节，直接影响着隧道的安全、稳定性和寿命。

1）张家塬隧道作为双向交通通道，需要具备足够的宽度和强度，以容纳大量的车辆和交通流量。因此，隧道的结构设计必须考虑交通需求、道路标准和地质条件。在设计中，需要确定隧道的横断面形状、结构类型（如圆形、方形、马蹄形等）以及支护结构的布置。此外，还需要考虑通风、照明、排水和紧急疏散等方面的因素，以确保隧道的全面功能。

2）在黄土地区，特别是面对黄土的特殊性质，选择合适的材料至关重要。隧道的结构材料需要具备足够的强度、耐久性和抗腐蚀性。典型的材料包括混凝土、钢筋、砂浆、支护材料和防水材料等，这些材料必须能在黄土地区的特殊地质环境下保持稳定性，同时满足隧道的设计寿命和安全要求。

4.3 排水与防水设计

在本项目中，为了确保隧道的安全和稳定，必须合理规划和实施排水与防水措施，以防止地下水的渗透和积水问题的发生。

通过深入了解隧道周边地下水位的深度和波动情况，可以确定排水系统的深度和容量需求，有助于确保排水系统能够有效应对地下水位的变化，防止水位过高导致隧道内部积水问题。在隧道内部排水方面，采用“V”形排水沟或横向排水管道能够有效地将隧道内的雨水和地下水排除，确保隧道内部不积水，防止积水引发滑坡或损坏隧道结构。此外，隧道的入口和出口排水同样重要，在这些区域，需要设计雨水口和排水沟，以确保雨水迅速排除，不会对交通造成干扰，有助于保持隧道口的通畅，提高交通的顺畅性和安全性[1]。

为了防止水分渗透到隧道内部，必须采用高质量的防水材料，包括在隧道内部的墙壁和顶部应用聚氯乙烯（PVC）防水膜或聚合物改性沥青等防水材料。在防水设计中，隧道结构中的接缝是潜在的渗漏点，因此，必须确保其密封良好，可以使用高品质的密封材料填充接缝，确保不会发生渗水。同时，设置排水疏散管道，以便将隧道内部的积水迅速排除，避免积水对结构产生不利影响。此外，在隧道周边采取外部防水措施，以减少地表水渗透的风险，包括设计排水沟和建立防水层，以使地表水远离隧道周围土壤，减小地下水位上升的可能性。

5 公路黄土隧道施工技术

5.1 土方开挖与处理

由于黄土地区的特殊性，土方开挖和处理必须谨慎进行，以确保隧道工程的安全和稳定。具体需注意以下要点。

1）土方开挖需要充分考虑黄土的可塑性和膨胀性。必须合理确定土方开挖的坡度和高度，采用适当的支护措施，如地锚和喷锚，保持开挖面的稳定。此外，应定期对开挖面进行监测，及时发现和处理任何不稳定的问题。

2）土方处理包括挖掘、运输和倾倒等环节。在挖掘过程中，必须确保挖土机械的稳定性和工作效率。土方的运输需要选择合适的运输工具和路线，以确保将土方及时、安全、高效地运输到倾倒场地。土方的倾倒需要选择合适的倾倒点，避免对周围环境造成污染或不良影响。

3）土方开挖和处理需要合理安排施工进度，确保施工过程顺利进行，包括制订施工计划、资源调配和人员管理等方面的工作。在施工过程中，需要密切关注土方开挖和处理的质量和安全，采取必要的措施应对突发事件和风险[2]。

5.2 土工支护施工

土工支护施工技术的应用是为了应对黄土地区特殊的地质条件，确保隧道的安全和稳定性。

支护结构的选择：在黄土地区，常用的土工支护结构包括喷锚锚杆、钢丝网格和锚喷混凝土。根据地质勘察和土壤力学性质测试的结果，确定适合项目的支护结构类型以及每种结构的具体尺寸和布设方案。

土工支护结构的布设需要精确控制，以确保其与地下土体紧密结合，增强支护效果。喷锚锚杆通常以一定的间距嵌入土体深处，形成一种坚固的支护框架。钢丝网格则被固定在喷锚锚杆之间，增强了土体的稳定性。支护结构的密度和布设间距需根据具体情况调整，以满足工程需求。

为了进一步巩固支护结构，在施工中采用了锚喷混凝土技术，是将混凝土喷射到支护结构上，形成坚固的保护层。混凝土的配比和喷射压力需要精确控制，以确保混凝土的质量和均匀性。此外，混凝土的早期强度也需得到关注，以确保支护结构在施工期间能够承受地下土体的压力。

土工支护施工期间需要进行质量控制和监测，以确保施工符合设计要求，包括对支护结构的布设和混凝土的喷射过程进行实时监测，以及对支护结构的质量进行定期检查和测试。

5.3 隧道衬砌与防水

5.3.1 隧道衬砌施工

隧道衬砌施工是公路黄土隧道建设中的关键环节，其质量和稳定性直接关系到隧道的安全和使用寿命。在本项目中，采用了混凝土喷射作为隧道衬砌的主要施工方法。隧道衬砌施工前需要进行充分的准备工作。施工人员必须仔细检查隧道内部，确保没有残留的杂物、碎石或其他障碍物。这是为了确保混凝土衬砌能均匀地覆盖在隧道内壁上，保证结构的稳定性。接下来是混凝土的准备和配制。混凝土是隧道衬砌的主要构造材料，其质量和均匀性至关重要。施工团队必须根据设计要求准确配制混凝土，并严格控制水灰比等参数，以确保混凝土具有足够的强度和耐久性。在混凝土准备就绪后，施工人员将启动混凝土喷射施工过程。混凝土喷射机是将混凝土均匀喷射到隧道内壁的关键设备。操作喷射机时，施工人员需要确保混凝土均匀地覆盖整个隧道内壁，以避免出现空洞或不均匀的衬砌层。此外，施工速度需要控制得当，以确保混凝土的凝固时间与养护时间相匹配。隧道衬砌施工完成后，需要对新施工的混凝土进行适当的养护。养护的目的是确保混凝土能够在逐渐硬化的过程中获得足够的强度。通常，养护包括维持适当的湿度和温度条件，以促进混凝土的硬化，这一阶段的质量控制非常关键，因为混凝土的强度和耐久性将直接影响隧道的安全和稳定性。

5.3.2 防水施工

防水施工在黄土隧道设计与建设中具有重要作用，它可以有效防止地下水进入隧道内部，保障隧道的安全和使用寿命。

防水施工的前提是对隧道内壁进行表面处理，这一步骤非常关键，因为隧道表面的平滑和无裂缝是确保防水层附着牢固的基础。任何潜在的漏水点都必须在施工前识别和修复，以确保隧道的结构完整性。在防水材料的选择方面，通常采用聚合物改性沥青防水涂料或类似的高效防水材料，这些材料具有出色的附着性和耐候性，能够有效抵御地下水的渗透，确保隧道内部干燥。材料的选择必须根据工程设计要求，考虑到黄土地区的特殊地质条件和地下水位较高的情况。涂覆防水层的施工过程中，施工人员需要确保防水材料均匀覆盖整个隧道内壁，以避免漏水点和渗漏问题。涂层的厚度和均匀性是关键因素，需要仔细控制和监测，以确保施工达到设计要求。

6 结语

综上所述，黄土地区的公路隧道设计与施工是一项复杂而具有挑战性的工程任务，需要综合考虑地质特性、 地下水位、材料选择、排水与防水设计，以及施工技术等多个因素。本文基于实际项目，全面剖析了黄土隧道工程中的关键问题，并提供了解决方案和建议，希望能为今后类似工程提供有益的经验和指导，确保黄土地区的公路隧道工程安全、稳定、可持续运营，为地区发展和人们出行提供便利。