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1.1.3 黄土的特性
黄土是最新的地质时期（距今约200万年左右的第四系）形成的土装堆积物，所以其性质比较特殊。黄土具有显著的垂直节理，土质疏松，在干燥时较坚硬，一旦遇水浸泡，通常容易剥落、侵蚀和湿陷。在黄土地区修建各种建（构）筑物时，如果对黄土的特性不了解，往往会给工程带来严重的损伤和破坏，黄土的特性很早就引起了科学工作者和工程技术人员的关注。在长期的实践和研究中，把黄土的主要特征归结为五个方面。 1) 多孔性
由于黄土主要是由极小的粉状颗粒所组成，而在干燥、半干燥的气候条件下，它们相互之间结合得不紧密，一般只要用肉眼就可以看到颗粒间具有各种大小不同和形状不同的孔隙和孔洞，所以通常有人将黄土称为大孔土。一般认为黄土的多孔性与成岩作用、植物根系腐烂和水对黄土的作用等有关，更重要的是与特殊的气候条件有关。典型的黄土孔隙度较高，而黄土状岩石的孔隙度较低。 2) 垂直节理发育
当深厚的黄土层沿垂直节理劈开后，所形成的陡峻而壮观的黄土崖壁是黄土地区特有的景观。垂直节理发育，就是典型黄土和黄土状岩石所具有的普遍而特殊的性质。
关于黄土垂直节理的成因，曾引起了许多学者的兴趣。目前较多的人认为，垂直节理的形成主要是由于黄土在堆积加厚的过程中受到重力的影响，土粒间的上下间距变得愈来愈紧密，而土粒间的左右间距却保持原状不变。这样水和空气即沿着抵抗力最小的上下方向移动，也就是说沿着黄土的垂直管状孔隙不断地作升降运动并反复进行，这就造成了黄土垂直节理发育的倾向。 3) 层理不明显
凡是沉积岩一般都应具有层理，因为无论任何成因的沉积岩的形成都必须经过沉积物逐步堆积的过程。黄土既然也属于沉积岩的范畴，为什么层理却不明显、不清楚呢？
很多学者把黄土无层理、层理不明显，作为黄土风成的标志，而有层理的黄土则认为是水成的依据。如今，有人提出不管黄土是风成的，还是水成的都应具有层理，其层理之所以不明显，主要是由于在观察过程中，人们的注意力主要集中于黄土的孔隙性和垂直节理的显著特征上，忽视了对层理的研究；其次，黄土的组成物质主要物质是尘土质物质，它在渐次堆积过程中，形成非常薄的层理，用肉眼观察是不明显的；另外，黄土崖壁经过不断的雨水淋洗后，常常使表层黄土成泥浆糊状物涂于整个崖壁表面，因此从外观来看，就再也看不清层理了，就像砖砌的墙壁经过泥浆的粉刷再也看不到砖缝
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一样。这种说法是有一定道理的。 4) 透水性较强
一般典型的黄土透水性较强，而黄土状岩石的透水性较弱；未沉陷的黄土透水性较强，沉陷过的黄土透水性较弱。黄土之所以具有透水性，这是和它具有多孔性以及垂直节理发育等结构特点分不开的。黄土的多孔性及垂直节理愈发育，黄土层在垂直方向上的透水性愈高，而在水平方向上的透水性则愈微弱。此外，当黄土层中具有土壤层或黄土结核层时，就会导致黄土层的透水性不良，甚至产生不透水层。 5) 沉陷性
黄土经常具有独特的沉陷性质，这是任何其他岩石较少有的。黄土沉陷的原因多种多样，只有把黄土本身的性质与外在环境的条件结合起来考虑时，才能真正了解黄土沉陷的原因。
粉末性是黄土颗粒组成的最大特征之一。粉末性表明黄土粉末颗粒间的相互结合是不够紧密的，所以每当土层浸湿时或在重力作用的影响下，黄土层本身就失去了它的固结的性能，因而也就常常引起强烈的沉陷和变形。
此外，黄土的多孔性，大气降水和温度的变化以及人为的影响，对黄土中可溶性盐类的溶解和黄土沉陷的数量与速度都有着极大的影响。
黄土的上述五种特性并不是互不相干的，而是相互影响，互为作用的，所以对黄土的特性必须全面综合地加以研究。
1.2 黄土隧道建设历史
1.2.1 铁路黄土隧道的建设历史
100多年来，在我国黄土分布地区修建了大量的铁路干线、支线和专用线，比如横贯东西的陇海线、兰新线、京包线京承线、京原线、石太线、邯长线，大秦线、侯月线、；纵横南北的北同浦线、南同浦线、包兰线、西延线、太焦线、宝中线等。铁路穿越黄土塬、梁的边缘，由于下伏基岩的起伏，黄土层厚度不一，铁路隧道有全部洞身断面通过黄土，有仅在隧道上部断面或在进口、出口部分段落穿过黄土。铁路黄土隧道主要集中在河南、山西、陕西甘肃等省的铁路线上。
1950年前黄土隧道施工方法采用单工序作业，先拱后墙法，全部依靠人工开挖、搬运。隧道拱圈衬砌用白灰砂浆筑砌青砖，边墙用石料砌筑。
20世纪50~70年代，黄土隧道的施工采用上导坑法，上下导坑法。开挖以手工工具为主，用铣、镐开挖。支撑主要是木支撑，导坑采用框架式，扩大采用扇形支撑，洞内
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运输主要用人力推轻轨土斗车、架子车、手推车等。黄土隧道没有标准的设计图，而是套用一般土质隧道的衬砌断面，其结构形式不完全适应黄土隧道的特性，衬砌厚度偏大而且不完全合理。
20世纪80年代成功采用新奥法修建了大秦铁路黄土地段的军都山隧道和神朔线黄土地段的蛇口岇隧道。例如，军都山隧道采用了近似圆形的蛋形断面的复合式衬砌结构，采用非爆破大断面长台阶开挖，断面分为上、中、下三个台阶，自上而下开挖，上、中层台阶开挖采用平行作业，下台阶则与上、中台阶开挖采用交替作业。此后修建的黄土隧道基本上是采用以喷锚网为初期支护，模筑混凝土为二次衬砌的施工方法。
20世纪90年代是铁路建设高潮期之一，新的干线铁路及路网建设加快，这一时期在黄土地区修建的铁路有侯月线、宝中线、神朔线、神延线、朔黄线等。我国在早期修建的黄土隧道均为普速铁路单线或者双线隧道，隧道的开挖面积为50~120m2。受经济、技术水平的限制，黄土隧道一般较短，大部分穿越新黄土，埋深较浅。建设过程中为了解决黄土隧道特有的问题，广大隧道工程建设者针对性地开展了大量的试验研究工作。
1.2.2 公路黄土隧道建设历史
根据资料记载，在陕西北部黄土高原修建的第一座隧道是黑山寺隧道，位于咸阳至宋家川公路的子长县黑山寺沟，单车道、青砖衬砌，净空为0.35m+0.35m+0.35m，界限高4m，全长250m。该隧道1958年开始试验性修建，1956年正式建成。
由于大跨径、大断面和扁坦状特点，早期黄土公路隧道的施工方法主要是单侧壁和双侧壁导坑法，进入20世纪90年代后普遍采用环形开挖留核心土法，对于三车道和加宽带一般采用三台阶七步环形开挖发。
随着我国改革开放的不断深入和经济的快速发展，高速公路的建设得到了迅猛的发展，修建了大量的黄土公路隧道。目前，修建的黄土隧道最大跨度为17.66m（西安绕城高速公路南段的马腾空隧道）；最大开挖断面为171m2（陕西榆林—商洛线神木至府谷高速公路的墩梁隧道，开挖高度为12.19m，最大开挖跨度达17.32m）；西北地区第一长黄河隧道是羊泉隧道（长6146m）；我国第一条黄土连拱隧道是离石隧道（青岛至银川国道山西省汾阳—离石高速公路，长180m），隧道开挖宽度达24.4m，开挖高度达10.05m（含仰拱），总开挖面积为224.4m2。
1.3 黄土隧道建设技术问题
黄土隧道，特别是大断面、特大断面的黄土隧道，由于其自身的特点（施工变形量大、地表沉降量大、新黄土湿陷性等）在建设中主要存在以下几个技术问题。
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1.3.1 大断面黄土隧道的工程特性和变形性机理问题
大断面和特大断面黄土隧道的工程特性和变形机理不同于小断面和中断面的黄土隧道。对于黄土的基本特征和小断面黄土隧道的工程特性、变形机理等，过去已有比较深入的研究，取得了很多共识。但实践证明，在大断面或特大断面的条件下，有些成果和共识已不能成立，或需要修正。因此，有必要研究提出大断面和特大断面黄土隧道的工程特性和变形机理，并以此作为建立大断面黄土隧道建设技术的基础。
1.3.2 适用于黄土隧道的支护结构问题
目前，黄土隧道的支护结构构成基本上与一般围岩隧道的支护结构构成相同，但从大断面和特大断面黄土隧道施工的实际看，系统锚杆的效果存在疑虑，格栅钢架和型钢钢架何者为宜？如何理解二次衬砌的安全储备？二次衬砌是否承载？以及控制支护脚部下沉的技术等一系列问题都与支护结构有关。
可见，加深对各种支护措施的作用的机理研究，选择经济合理的黄土隧道的支护结构是一个值得研究的重要问题。
1.3.3 黄土隧道地表沉降控制和地表裂缝技术问题
黄土隧道一般深埋较浅，个别隧道下穿既有建(构）筑物，施工过程中，易产生地表裂缝，如何让控制地表的沉降和裂缝，是黄土隧道需要解决的重要技术问题。
当前研究成果表明，浅埋黄土隧道的地表沉降和开裂一般具有以下规律：在隧道开挖后，即发生沉降，地表出现纵向和横向裂缝，裂缝一般超前掌子面。因此，应控制隧道的施工变形，减少黄土隧道施工地表裂缝，确保黄土隧道结构的稳定和运营的安全。
1.3.4 黄土隧道拱脚稳定性问题
考虑到施工工序的影响，黄土隧道拱脚部位受力比较复杂，一般拱脚围岩的承载力不足，容易发生屈服形成塑性区，拱脚沉降和收敛变形大，易因拱脚变形过大导致隧道整体下沉及失稳。
由监控量测结果表明，拱脚变形较大地段，其地表沉降和拱顶下沉也较大，两者完全对应，并且两者发生突变时间同步，变化的幅度也同步。可见如何采取有效控制拱脚变形的措施，以有利于控制拱顶沉降和地表下沉，是需要深化研究解决的问题。
1.3.5 湿陷性黄土隧道地基处理技术问题
我国已在黄土地区修建大量的铁路隧道，由于列车运行速度低，对工后地基沉降控制要求不高，除将位于湿陷性黄土地层的洞门或者洞身基础进行换填处理外，一般情况下没有对基础做特殊处理。
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隧道开挖方法的选择
在当前的施工实践中，从施工造价及施工速度考虑，施工方法选择顺序为：全断面法→台阶法→环形开挖留核心土法→中隔壁法（CD法)→交叉中壁法（CRD法）→双侧壁导坑法；从施工安全角度考虑，其选择顺序应反过来。如何正确选择，应根据实际情况综合考虑，但必须符合安全、快速、质量和环保的要求，达到规避风险、加快进度和节约投资的目的。
1.4.1 全断面开挖法
1) 概念
全断面开挖法就是按照设计轮廓一次爆破成形，然后修建衬砌的施工方法。
2) 适用条件：
I~IV级围岩，在用于Ⅳ级围岩时，围岩应具备从全断面开挖到初期支护前这段时间内，保持其自身稳定的条件。
有钻孔台车或自制作业台架及高效率装运机械设备。
隧道长度或施工区段长度不宜太短，根据经验一般不应小于lkm，否则采用大型机械化施工，其经济性较差。
3) 全断面法施工特点
① 开挖断面与作业空间大、干扰小； ② 有条件充分使用机械，减少人力；
③ 工序少，便于施工组织与管理，改善劳动条件； ④ 开挖一次成形，对围岩扰动少，有利于围岩稳定。
1.4.2 台阶法施工
1) 概念
台阶法是先开挖上半断面，待开挖至一定长度后同时开挖下半断面，上、下半断面同时并进的施工方法；按台阶长短有长台阶、短台阶和超短台阶三种。近年来由于大断面隧道的设计，又有三台阶临时仰拱法，甚至多台阶法。至于施工中究竟应采用何种台阶法，要根据以下两个条件来决定：
初期支护形成闭合断面的时间要求，围岩越差，闭合时间要求越短； 上断面施工所用的开挖、支护、出碴等机械设备施工场地大小的要求。
在软弱围岩中应以前一条为主，兼顾后者，确保施工安全。在围岩条件较好时，主要是考虑如何更好的发挥机械效率，保证施工的经济性，故只要考虑后一条件。台阶开
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