分岔隧道设计施工关键技术研究.docx

分岔隧道设计施工关键技术研究报告简本分岔隧道设计施工关键技术研究报告简本1. 项目基本情况沪蓉国道主干线湖北省境内宜昌至恩施段高速公路为我国最早规划的“两纵两横”国道主干线中的最后还未贯通路段。于2004年5月全面开工建设，工程将于2007年底全面建成。由于该工程穿过的区域多为崇山峻岭的山区，地形地质条件极为复杂，在工程建设中遇到了前所未有的难题。为适应多变的地形和地质条件，隧道设计中采用新的结构型式分岔隧道：即一端洞口为四车道大拱，另一端洞口为上下行分离隧道。宜昌至恩施段设置分岔隧道的主要原因是：一方面为了跨越四渡河、支井河等高深峡谷型河流，桥梁单孔跨度均在400米以上，左右幅桥均必须建造为整体型式，另一方面由于桥梁紧接隧道，两者之间缺少足够的过渡路基，因此紧邻桥梁一端的洞口必须设置为连拱隧道甚至四车道大拱，而桥梁两端的隧道又较长，全部隧道设置为连拱隧道又不太经济，在隧道内有必要将左右洞室逐渐分离，这样就形成了分岔隧道。分岔隧道是在复杂地形地质条件下建设高速公路山岭隧道的大胆创新，不仅大大拓宽了山区公路隧道工程的设计理念，而且使公路浅埋大跨隧道的设计与施工的技术得到了较大提升和发展。通过数值模拟、室内物理模型实验和工程现场测试相结合的方法，对分岔式隧道的施工工法、岩柱厚度、衬砌支护时机、支护结构的可靠度以及考虑隧道局部循环风影响的流体动力学以及通风工艺等方面进行深入细致的研究，提出切实可行的工程技术措施和隧道稳定性评价体系保证工程的长期稳定性。同时还编制了分岔隧道的设计施工技术指南，重点依托八字岭、庙垭和漆树槽分岔隧道开展研究，其中八字岭隧道是研究重点，自2004年4月开始至2007年6月止，历时3年。2. 依托工程实施情况八字岭隧道位于宜昌市长阳县恩施土家族苗族自治州的巴东县境内，起讫桩号左线(ZK96+750K100+290)，长3540m，右线YK96+730K100+290，长3560m。隧道平面线型左线为左偏半径R=2500m的圆曲线接直线接右偏半径R=9000m的圆曲线接直线，右线为左偏半径R=2500m的圆曲线接直线接右偏半径R=8000m的圆曲线接直线。左、右线纵坡均为2.4单向上坡。隧道最大埋深约为390m。隧道进出口均为端墙式洞门。图1 八字岭分岔隧道示意图3. 主要研究内容根据分岔隧道设计与施工的特点，本课题结合八字岭隧道，共分成三个专题进行研究，重点具体研究内容如下：专题一：分岔隧道设计关键技术研究通过现场监控量测、模型试验、非线性有限元数值分析等方法，研究四车道大拱隧道、连拱中隔墙、小净距岩柱的最小宽度及围岩的支护参数等关键指标。 专题二：分岔隧道施工关键技术研究通过模型试验、非线性有限元数值分析等方法，研究四车道大拱隧道、连拱隧道、小净距隧道的合理施工方法，通过对现场的监测结果反馈分析和数值分析，提出八字岭隧道的合理工法和控制围岩振动的爆破参数。专题三：近距离双洞隧道洞口空气相互影响研究通过室内模型试验、现场试验和三维数值仿真等方法，研究近距离双洞隧道洞口空气相互影响以及减小近距离隧道通风相互影响的工程技术措施。4. 主要研究成果(1) 提出公路分岔隧道的新型结构型式，丰富和完善了高速公路线形布置方案，为山区高速公路规划提供新的思路，对节约土地资源、节能、工程投资等方面具有显著效益。(2) 通过经验类比和数值计算的方法，提出分岔隧道在不同围岩条件下的最优施工工序。对四车道大拱的级围岩，建议采用留岩柱方案，级和级围岩建议采用上下台阶法或多步开挖方案，级围岩则建议采用全断面一次开挖的方式。对连拱隧道的级围岩，建议采用三导洞法，级围岩采用三导洞法，级围岩采用中导洞全断面法。级围岩，采用中导洞全断面法。对小间距隧道的级围岩，建议采用上下台阶与正向侧壁导坑组合法，级围岩采用上下台阶与正向侧壁导坑组合法。级围岩采用上下台阶法，级围岩采用全断面爆破法。并将上述工法直接应用到八字岭、庙垭和漆树槽分岔隧道的开挖实践中。图2 八字岭分岔隧道三维计算模型 图3 大拱连拱过渡段连拱段中导洞开挖后围岩最大主应力分布（MPa） 图4 大拱连拱过渡段连拱段中导洞开挖后围岩最小主应力分布（MPa）图 5 小间距和连拱过渡段岩柱塑性区分布图根据经验类比法提出的不同围岩级别下的大拱、连拱和小间距隧道的施工工法。(3) 通过对大拱、连拱、小间距隧道以及大拱和连拱过渡段与连拱和小间距过渡段的三维数值计算，大拱段隧洞开挖后的围岩应力状态较好，顶拱处围岩仅出现微小的拉应力区，隧洞底板围岩在开挖结束时有较大的拉应力，因此建议开挖仰拱后施作仰拱衬砌；隧洞围岩产生的位移也不大，顶拱处位移最大时不到3mm；施作的中隔墙和二次衬砌应力水平并不高，中隔墙本身未出现塑性区，建议设计采用无中隔墙方案；该方案在八字岭工程隧道大拱中应用。根据小间距段岩柱间塑性区贯通的情况锚杆可采用对穿预应力锚杆，以增强此围岩区域的应力水平，抵抗围岩过大变形，级围岩建议最小岩柱厚度为2.5m，级围岩的最小岩柱宽度可以考虑为4.0m。(4) 根据八字岭分岔隧道的现场顶拱下沉、收敛、锚杆轴力和多点位移计以及衬砌和围岩的监测结果，采用基于损伤力学的裂隙岩体本构模型，能更真实地反映工程中的裂隙岩体的力学行为。该模型可以较好地反应节理裂隙岩体的材料性能劣化、刚度退化及损伤累积过程等。并采用等效损伤力学效应的方法，对相应的裂隙岩体的受力变形过程进行了数值模拟，还将混合型模拟退火算法嵌入BP神经网络中，使得这种改进BP网络，不仅具有强大的非线性逼近能力，同时具有可观的全局寻优的能力，并利用它对分岔隧道围岩参数进行反演分析。计算结果表明：八字岭分岔隧道围岩小间距段的围岩力学特性要弱于大拱段，反演分析的计算结果和工程现场的监测结果比较吻合。图6 现场监控量测图7 八字岭分岔隧道ZK100+190断面拱顶沉降时程曲线(5) 在爆破作用下，连拱段中隔墙及上部岩体和隧道两侧拱角及边墙是主要危险区。连拱段在台阶法开挖过程中，下台阶的底板眼爆破时，爆破震动最大，这与计算结果相吻合。台阶法施工新建隧道时，下台阶开挖爆破震动对既有隧道稳定性的影响比上台阶大。连拱段爆破时，建议级围岩上台阶开挖爆破最大单段装药量为4.0kg，下台阶为6.0kg；建议级围岩上台阶开挖爆破最大单段装药量为4.8kg，下台阶为7.0kg。(6) 小间距段爆破开挖时，既有隧道衬砌在爆破产生的地震波作用下，应力值将会产生很大改变。迎爆侧应力状态比背爆侧高。对于迎爆侧来说，衬砌内侧与外侧的应力值也会有差别，由计算结果可知，迎爆侧衬砌内侧的主应力比衬砌外侧大。随着小间距的增大，两隧道远侧边墙底部的压应力集中逐渐减小，而中央岩柱底部的压应力集中值不断增大。建议小间距段级围岩不采用全断面开挖施工方法，级围岩在全断面开挖的情况下，最小间距为2.5m。(7) 对爆破震动监测数据进行了回归分析，监测结果与级围岩数值计算结果相吻合，因此这两个公式今后可用于指导级围岩的施工。垂直向 水平向 (8) 设计分岔隧道三维模型试验架，研究分岔隧道大拱与连拱过渡段、连拱与小间距隧道过渡段的围岩力学特性，模型试验结果表明：分岔段隧道开挖对掌子面前方的扰动影响大约为35倍的洞径范围，影响程度沿开挖方向向前逐渐减弱。同时由于开挖掌子面的空间约束效应, 掌子面对其后方已开挖隧洞的洞周变形具有约束作用，约束效应沿远离掌子面的后方方向逐渐减弱，因此施工中，应充分利用这一特点，为增加围岩稳定，在隧道开挖后，及时对围岩进行初期喷锚网支护。图8三维模型试验架图9 大拱-连拱过渡段模型图 图10 洞周光纤光栅应变传感器埋设 图11 高速静态电阻应变仪测量系统(9) 通过室内三维模型试验和数值计算，研究不同隧道间距、不同进排风速度隧道的混风过程的三维数值模拟，得到循环风的强弱取决于排风隧道风速、进风隧道风速和相邻隧道的间距。其定量关系可以用下式表示：式中：Q近距离隧道通风相互影响程度，D隧道间距； 、 进、排风风速。在进风风速一定时加大排风风速，混入进风隧道的污风将迅速减少，反之在排风风速一定时加大进风风速则会使混入进风隧道的污风迅速增加，而进、排风速同时改变时只要进排风速比不发生变化，混风的比例就不会改变。混入进风隧道的风量占排风隧道排出污风的比例是随着隧道间距的加大而减少的，在隧道间距大于10m时这一比例已经不足5%。对八字岭分岔隧道若不修筑横洞，其污风吸入量将达16%。图12污风混入比例与进排风速比曲线图（间距0.6m）图13 进、排风速度同为5m/s，隧道间距0.6m，洞口流场速度云图图14 三维隧道通风模型试验图15隧道间距2.5m时混风量与（V进/V排）关系图图16 漆树槽隧道循环风试验图 17 无挡墙时通风相互影响理论值、模型试验值与现场实测值对比图(10) 提出减少循环风相互影响的三大技术措施：一为错开隧道口，而为在隧道口外修筑中隔墙，三维提前修筑通风横洞排放污风流。三维数值计算和模型试验的成果均表明：隧道错开出洞口的方式效果最好。错开隧道出口段对于减少近距离隧道通风相互影响是十分有效的，隧道间距0.6m的情况下错开段大于10m时循环风的现象已经基本消失，但是对于修建在崇山峻岭中的近距离隧道来说，某些情况下可能缺少足够空间修筑隔墙。 图18 错开隧道口三维数值计算模型图19 加筑中隔墙后的三维数值计算模型(11) 编制了分岔隧道设计施工指南。部分成果已经被纳入即将出版的隧道设计细则，研究成果为修编公路隧道设计规范提供技术依据。5. 经济效益分析（1）本项研究成果成功地解决了西部特殊地形和地质条件下桥隧相连地区隧道工程设计与施工中的关键技术难题，丰富了高速公路线形布置形式，丰富了隧道结构型式。（2）根据近距离隧道通风相互影响的研究成果，提出的优化隧道的通风方案和减小循环风相互影响的工程措施，可以有效地降低隧道循环风的影响，并对隧道通风方案进行变更，确保了隧道施工技术方案的安全性、经济性和合理性。（3）通过现场监测、室内试验、理论分析，优化并取消了八字岭隧道原有的三次衬砌，减小了施工周期和工程的投资；优化小间距段岩柱厚度，及时修改相关设计参数，为分岔隧道设计和施工中的关键技术难点，提供了进度和质量双重保证。（4）形成的浅埋大跨公路隧道和小间距隧道稳定性评价方法，既丰富和完善岩土力学的计算理论和方法，又可直接为国内外同类工程借鉴，具备了良好的应用前景，为我国西部交通事业可持续发展、交通学科发展和人才培养方面产生显著的经济效益。三次衬砌的曲线，一方面可以节约工程成本，还节约施工周期。（5）研究成果在依托工程的建设中取得了显著的经济效益和社会效益。不仅节省了总体工程投资，还保护了周边生态环境，提高了衔接桥梁结构的稳定性。（6）累计产生经济效益1亿6千万元。5. 已发表的论文和依托工程获奖课题组为认真落实通过西部科技建设项目加强人才培养的有关指示精神，努力为项目的相关科技人员提供良好的科研条件，鼓励和激励研究人员充分发挥各自的特长和创新能力，创造良好的成才环境。课题组资助参加了国内外大型学术交流活动近20人次，交流分岔隧道课题的研究成果，推动了西部交通科技人才的培养，取得了良好的效果，国内外发表学术论文21篇。通过本课题的研究，已经培养博士2名，硕士4名，目前在读博士2人。2人由副高职称晋升为正高级，3人由中级职称晋升为高级职称。