西部交通建设科技项目“双洞小净距隧道设计、施工关键技术研究”设计和项目施工关键技术汇报

1、设计和项目施工关键技术汇报 西部交通建设科技项目 双洞小净距隧道设计 施工关键技术研究 汇报提纲 一 项目研究背景 二 项目执行情况 三 研究方法与手段 四 主要研究成果 项目背景 近20年来我国交通事业的发展迅速 公路特别是高速公路逐渐向山区延伸 公路隧道数量和型式越来越多 难度也越来越大 项目背景 规范要求双线隧道净距 项目背景 净距不易达到要求情况 路线沿河傍山 拉开路线间距 对隧道洞外路基 桥梁等方案有较大影响 项目背景 净距不易达到要求情况 桥隧相连 采用分离式隧道方案对洞外桥梁布设和工程规模控制有较大影响 项目背景 净距不易达到要求情况 中短隧道 受路线整体线型技术指标控制 调整隧道间距自由度低 项目背景 为减小路线间距 90年代初期 国内逐步修建了一批连拱隧道 项目背景 连拱隧道存在的问题 施工工序较为复杂防排水质量不易保证易发生开裂渗漏 项目背景 继连拱隧道之后 国内出现了首批的小净距隧道 项目背景 围绕这些项目 在小净距隧道的中岩墙加固 爆破振动和理论数值分析方面 尽管积累了的初步经验 但尚缺乏系统的研究 基本概念 什么是小净距隧道 分类及对应措施 不同的围岩 不同净

2、距对应的设计施工措施是什么 如何确保小净距隧道的施工安全和长期运营安全 监控量测体系及基准值的建立 控制爆破手段与指标的确定等 什么情况下采用小净距隧道 如何应用 适用条件 项目背景 汇报提纲 一 项目研究背景 二 项目执行情况 三 研究方法与手段 四 主要研究成果 2 1研究内容与技术路线 岩柱加固判定标准及方法 支护设计 爆破振动 监控量测基准 施工方法 子课题一 小净距隧道岩柱加固判定标准及方法研究 子课题二 小净距隧道主体结构设计参数研究 子课题三 小净距隧道的合理施工方法研究 子课题四 小净距隧道爆破振动对相邻隧道及围岩稳定性影响研究 子课题五 现场监控量测管理体系 监控基准及安全保证体系研究 2 1研究内容与技术路线 针对 级围岩 对双车道双洞小净距 1B以下 B 隧道开挖宽度 隧道设计 施工关键技术进行系统研究提出可供设计与施工应用的小净距隧道标准断面和标准设计 编制双洞小净距隧道设计与施工指南 规程或工法标准同时 提高西部交通科技水平 培养西部交通科技人才 总体研究目标 2 1研究内容与技术路线 技术路线 2 3项目研究人员与设备 硬件投入 设计组装1 30模型试验台架

3、采购现场试验测试元件若干 2 3项目研究人员与设备 多点位移计 测力锚杆 土压力盒 钢筋应变计 混凝土应变计 速度传感器 2 4主要研究工作量 数值计算内容 分析类型 二 三维弹性 弹塑性 动力分析二维静力分析 计算工况共计252组 其中弹性分析计算168组 弹塑性分析计算84组 二维分析模型 2 4主要研究工作量 三维分析模型 三维静力分析 计算工况共计18组 动力分析 计算工况共计20余组 2 4主要研究工作量 本课题依托紫坪铺隧道小净距段开展现场试验研究 在各净距段布设了9个测试断面 开展了为期1年半 10余项测试项目的研究工作 2 4主要研究工作量 本课题采用了1 30模型试验 共计试验40余组 工况组合如下表 2 5成果报告 1 研究总报告 第一卷 2 数值计算研究报告 第二卷 3 模型试验研究报告 第三卷 4 现场试验研究报告 第四卷 5 依托工程实施总结报告 第五卷 6 双洞小净距隧道设计与施工指南 第六卷 7 双洞小净距隧道设计图集 第七卷 汇报提纲 一 项目研究背景 二 项目执行情况 三 研究方法与手段 四 主要研究成果 3 1资料收集与现场调研 三研究方法与手段 2

4、003年12月 完成对福建 浙江等省国内主要小净距项目的现场调研 3 1资料收集与现场调研 宁波招宝山隧道 最小净距2 98米 地层岩性主要为流纹斑岩 为国内目前净距最小的公路隧道 3 1资料收集与现场调研 厦门仙岳山隧道 净距19米 是国内早期建成的小净距隧道之一 3 1资料收集与现场调研 课题组共检索到中文文献85篇 硕博士论文4册 研究报告2册 通过对收集的资料分析和现场调研取得的信息整理 完成调研报告4册 3 2理论分析 采用 等代圆 方法 对净距的影响作了验证性分析 理论分析表明 当净距小于4 5倍洞径时 双洞间应力场存在相互影响 3 2理论分析 提出了中岩墙垂直应力的理论估算公式 3 2理论分析 对中岩墙的加固原理进行了理论上的探讨 采用莫尔库仑强度理论 对预应力锚杆的预应力指标进行了分析论证 并作了相应的参数敏感性分析 3 3模型试验研究 模型试验研究内容和目的 小净距隧道地表 地中 洞周位移特征小净距隧道的破坏方式及过程围岩级别 净距 埋深变化对围岩稳定性的影响不同支护方式的支护效果分析小净距隧道的合理施工工序及施工方法中岩墙加固的判定条件及加固方法 3 3模型试验研究

5、 模型试验设计原理 相似第一定理和相似第二定理模型试验几何相似比 1 30围岩相似材料采用重晶石粉 粉煤灰 河砂 机油 石英砂 松香等材料配制 3 3模型试验研究 支护相似材料采用厚石膏 铁丝 铝丝等模拟 二衬模拟 锚杆模拟 钢架模拟 3 3模型试验研究 模型试验台架 3 4 现场试验研究 依托紫坪铺隧道小净距段开展现场试验研究 在各净距段布设了9个测试断面 开展了为期1年半 10余项的测试项目的研究工作 3 4 现场试验研究 多点位移计 测力锚杆 土压力盒 钢筋应变计 混凝土应变计 速度传感器 3 4 现场试验研究 洞内多点位移计的安装 震动速度采集系统 初支与二衬间土压力盒安装 钢支撑钢筋应变计安装 二衬内混凝土应变计安装 中岩墙内土压力盒安装 3 4 现场试验研究 测试项目与方法 1 地质与支护状态的观察主要是对喷层 锚杆 钢支撑 模筑二次衬砌 掌子面 岩性 地下水等内容进行直接的观察和记录以此作为判断围岩 隧道的稳定性提供地质依据 并根据喷层表面状态及锚杆的工作状态 分析支护结构的安全性通过素描 数码拍照等手段实施 3 4 现场试验研究 测试项目与方法 2 洞口段地表下沉量测目

6、的 了解地表下沉的范围以及下沉量的大小 地表下沉量随先 后行洞掌子面推进的变化规律 地表下沉稳定的时间 3 4 现场试验研究 测试项目与方法 3 地中位移量测 洞内设点和地表设点 目的 了解隧道的径向位移分布和松弛范围 确定围岩塑性区 3 4 现场试验研究 测试项目与方法 4 锚杆轴力量测目的 了解锚杆受力状态及轴向力的大小 为确定合理的锚杆参数提供依据 判断围岩变形的发展趋势 概略判断围岩内强度下降区的界限 评价锚杆的支护效果 掌握岩体内应力重分布的过程 3 4 现场试验研究 测试项目与方法 5 围岩压力量测目的 了解初期支护实际受荷情况 初期支护对围岩的支护效果 3 4 现场试验研究 测试项目与方法 6 钢支撑内力量测目的 了解钢支撑与喷射混凝土对围岩的组合支护效果 钢支撑的实际工作状态 判断初期支护承载能力 3 4 现场试验研究 测试项目与方法 7 初期支护与二衬间的接触压力量测目的 研究二衬的作用与二次衬砌的实际受荷情况 了解初期支护传递给二衬的力的大小 3 4 现场试验研究 测试项目与方法 8 二次衬砌内力量测目的 了解二次衬砌的受力条件 判断支护结构长期使用的可靠性以及安全

7、度 3 4 现场试验研究 测试项目与方法 9 中岩墙压应力量测目的 了解中岩墙的土压力的大小 以及后行洞开挖引起的中岩墙的土压应力的变化 3 4 现场试验研究 测试项目与方法 10 爆破震动监控量测目的 评价后行洞爆破开挖对先行洞的影响 找出震动速度峰值出现区域 总结震动速度的衰减规律 汇报提纲 一 项目研究背景 二 项目执行情况 三 研究方法与手段 四 主要研究成果 1 小净距隧道名词术语 现行 隧规 定义 小净距隧道 小净距隧道指上下行双洞洞壁净距较小 不能按独立双洞考虑的隧道结构 小净距隧道是指隧道间的中间岩柱厚度小于下表建议值的特殊隧道布置形式 1 小净距隧道名词术语 京福高速公路福建段小净距隧道设计施工关键技术研究 课题提出 小净距隧道是指并行双洞公路隧道中夹岩厚度较小 一般小于1 5倍隧道开挖断面宽度的一种特殊隧道结构型式 本课题提出 小净距隧道指在应力场和位移场上存在相互影响的双洞隧道结构 1 小净距隧道名词术语 目前对中岩墙的术语应用上较为混乱 有中间岩柱 中岩柱 中夹岩 中岩墙等多种称谓现行 隧规 采用中间岩柱 但未给出明确定义 柱 一般指断面长度和宽度尺寸相当的结构

8、构件 墙 一般指断面长度比宽度大得多的构件本课题提出 中岩墙定义为 指左洞右侧拱腰到边墙脚处与右洞左侧拱腰到边墙脚处之间的岩体 小净距隧道的净距是指中岩墙最小水平厚度 4 2小净距隧道分类 分类依据按 等代圆 法理论分析结果表明 当净距小于4 5B时 双洞间应力场存在相互影响中岩墙垂直应力计算结果表明 当净距大于1 5B后中岩墙垂直应力趋于常数 4 2小净距隧道分类 单洞塑性区理论分析结果表明 V级围岩双洞塑性区大小将是13 76m 即净距小于该值 约大于1B 时 塑性区可能贯通中岩墙IV级围岩双洞塑性区大小将是5 64m 即净距小于该值 略小于0 5B 时 塑性区可能贯通中岩墙 4 2小净距隧道分类 净距 9 净距 12 净距 18 20 30 50 数值分析结果表明 级围岩 净距为9m 0 75B 时 塑性区全部处于贯通 在净距为12m 1B 时 仅在50m埋深时塑性区贯通 在净距大于12m 1B 后 各种埋深条件下塑性区均处于分离状态 4 2小净距隧道分类 净距 3 净距 6 20 30 50 数值分析结果表明 IV级围岩 净距为3m 0 25B 时 塑性区在中岩墙位置全部处于贯

9、通状态 在净距大于6m 0 5B 时 5 30m埋深情况下塑性区均处于分离状态 4 2小净距隧道分类 动力数值计算结果表明 当隧道净距小于6m 0 5B 时 随着净距的减小爆破震动影响显著增加 当隧道净距大于12m 1 0B 后 爆破振动影响增幅变缓 4 2小净距隧道分类 模型试验现象揭示 级围岩 当净距为3m 0 25B 时 除5m埋深外 埋深15m 30m 50m 80m时 中岩墙均出现坍塌破坏 当净距大于6m 双洞毛洞基本能自稳 级围岩 30m埋深 6m 0 5B 净距时 中岩墙出现坍塌破坏 整个围岩坍塌至地表 当净距为9 0 75B 时 中岩墙未出现贯通坍塌 4 2小净距隧道分类 4 3中岩墙加固判定与方法 中岩墙的加固原理 提高岩体的物性指标 如注浆加固中岩墙 4 3中岩墙加固判定与方法 中岩墙的加固原理 增加壁压 改变中岩墙为双向受力状态 4 3中岩墙加固判定与方法 数值分析结果表明 弹性分析时 中岩墙垂直应力呈 马鞍型 分布 弹塑性分析时 中岩墙垂直应力呈 单驼峰型 分布 3m净距弹性分析结果 3m净距弹塑性分析结果 4 3中岩墙加固判定与方法 中岩墙承载范围假定 计算简

10、图 中岩墙垂直应力计算假定 假定上覆岩体均质 隧道以自重应力为主 中岩墙垂直应力呈均匀分布 4 3中岩墙加固判定与方法 推导出中岩墙垂直应力的理论估算公式 中岩墙垂直应力随净距的增大而减小 并逐步趋向于一常数 公式实质上是对通常浅埋隧道压力 在小净距条件下的修正和补充 公式对中岩墙稳定性和加固效果评价具有重要的理论价值 4 3中岩墙加固判定与方法 中岩墙加固的两个途径 1 提高中岩墙岩体的强度指标 如注浆加固 2 改善中岩墙的受力状态 如预应力锚杆 预应力锚杆的加固原理 某一埋深条件下中岩墙承受垂直应力时 预应力锚杆通过垫板对岩壁以某一压力扩散角施加壁压 根据莫尔库仑强度理论 通过摩尔圆可看出 增大中岩墙壁压 中岩墙受力状态从单向受压调整为双向受压状态 进而提高了中岩墙承载能力和稳定性 4 3中岩墙加固判定与方法 预应力锚杆的极限抗拉力 一般 22 25 32锚杆 杆体材料强度可承受的预应力值约在100 210kN之间 预应力指标的测算方法 4 3中岩墙加固判定与方法 中岩墙加固原则 中岩墙加固措施宜尽量简化 一般以注浆或锚固为主 其加固措施不宜超过二种一般说来 注浆能改变塑性范围 其

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