（岩土工程专业论文）复杂围岩条件下大跨度隧道施工关键技术研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着我国高等级公路建设的蓬勃发展，对隧道建设也提出了越来 越多新的要求，其中三车道、大跨度隧道就是近年来出现的新型结构 形式。由于发展时间较短，所以大跨度隧道施工中的许多问题还需要 认真研究。本文基于这样的背景，结合作者参与旌工、监测的大连石 门山隧道工程实践，采用理论分析、数值模拟和现场试验、监测等研 究手段，对复杂围岩条件下大跨度隧道施工中的一些关键技术进行了 研究、总结以及实践，认为大跨度隧道以竖向受力为主，其上断面开 挖工序对施工成败具有重要的控制意义，并且在上断面开挖过程中要 重视拱腰部位的受力。同时，本文还针对旌工中的实际问题，总结了 隧道施工超前地质预报的工作原则，设计出针对“上软下硬”围岩的 开挖爆破方案，并且在对常用的辅助施工措施机理进行研究后，提出 了以“超前注浆、环向注浆、正面注浆、补充注浆”四种注浆方式为 核心的注浆加固体系，而且将这些成果在实际工程中进行了应用，取 得了较好的经济效益与社会效益。 【关键词】三车道大跨度隧道施工技术超前地质预报爆破注浆 a b s t i a c t w i t ht h ed c v e l o p m e n to ft h eh i g h w a yc o n s t r u c t i o nw i t hh i g hg f a d e ， m o r ea n dm o r en e wr e q u i r e m e n t so ft h et u n n e lc o n s t m c t i o nh a sb e e np u t f o r w a r d i nr e c e n tv e a r s，t h r e e - l j n e 、 i o n 譬一s p a nt u n n e li st h en e w o c c u r r e n c es t m c t u f a ls t y l e d u et ot h es h o r tp e r i o do fd e v e l o p m e n t ，m e r e a r em a n yp r o b l e m ss h o u l db es t u d j e de a m e s t l yf o ri o n g s p a nt u n n e l c o n s t r u c t i o n ht h i sp a p e r b a s i n go na b o v eb a c k g r o u n d ，c o m b i n i n g e n g i n e e r i n gp r a c t i c eo fs h i m c nm o u n t “nt u n n c li nd a l i a na n da d o p t i n g r e s e a r c hm a n n e r si n c l u d i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i s 、n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 、 f i e l dt e s t 、m o n i t o r i n g ，s o m ep i v o t a lt e c l l n j q u e so fl o n g - s p 锄h i g h w a y t u n n e lc o n s t r u c t i o ni nc o m p l i c a t e ds u r r o u n d i n z r o c ka r es t u d j e d 、 g e n e r a l i z e da n dp r a c t i c e d t h er e s u l t s ：l o n g - s p a nt u n n e lm a i n l vb e a r s v e r t j c a lf o r c e ；e x c a v a t i o no r d e ro fu p p e rc m s s s e c t i o np l a y sa ni m p o r t a n t p a r to nt h es u c c e s s f a i lo fc o n s t r u c t i o n ；d u r i n ge x c a v a t i o no fu p p e r c r o s s s e c t i o n ，w es h o u l da t t a c hi m p o r t a n tt o 血es t r e s so fh a n c e a tt h e s a m et i m e ，f o rp h y s i c a lp r o b l e m si nc o n s t r i l c t i o n ，a d v a n c eg e o l o 百c a l f b r e c a s t i n gp r i n c i p l e s o ft u n n e lo o n s t m c t i o na r e g e n e r a l i z e d ，b l a s t i n g m e t h o df o rs u r r o u n d i n g r o c kw i t h “s o f tu p p e ra i l dh a r dl o w e r ，i sd e s i g n e d a n da f t e rs t u d y i n gm e c h a n i c so fu s u a la u x i l i a r yc o n s t 兀l c t i o nm e a s u r e s ， p o u r i n gr e i n f o r c e ds y s t e mm a i n l yb a s e so nf o u rp o u r i n gm 蛐e r st h a t “p i - p o u r j n g ”、“r a d i a lp o u r j n g ”、“f 而n t a lp o u r j n g ”、“a d d j t j o n a lp o u d n g ” i sp u tf o n v a r d a f t e ri n t r o d u c i n gt h e s ea c h i e v e m e n t st ot h ep r a c t i c e e n g i n e e r i n p b e t t e re c o n o m ya n ds o c i e t ve f f i c i e n c vh a sb e e na t t a i n e d k e yw o r d s ：t l l r e e l i n e l o n g s p a nt u n n e l n s c r 【l c t i o nt e c l u l i q u e a d v a n c eg e o l o g i c a lf o r e c a s t i n g b l a s t i n gp o u r i n g 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景与意义 中国地域辽阔，南北长约4 0 0 0 k m ，东西长约4 5 0 0 k m ，地势海拔高差 达5 0 0 0 m 左右，地表起伏很大，峡谷、丘陵、高山遍布在2 3 国土上，平 面投影面积达9 6 0 万k m 2 ，立体面积超过2 0 0 0 万k m 2 ，居住着5 6 个民族，近 1 3 亿人口。所以，铁路、公路一直是我国人民出行的主要交通方式。 随着人们生活节奏的加快和科学技术的进步，要求安全、舒适、 快速、方便、经济的运输方式就显得越来越重要。交通运输尤其是公 路更加满足不了乘客的需求。过去多用盘山绕行、挖深路堑等方法修 建公路，不仅增加了里程，降低了行车速度，增加了耗油量，破坏了环 境，而且行车很不安全，给汽车本身也带来了很大机械损耗。赶上冬季 线路多在冰冻线以上，因山高、路滑、坡陡而翻车、封路的事件屡屡 发生。深挖路堑形成高边坡，不仅损失了许多土地，也破坏了自然环境 常常发生大的滑坡、坍方等病害。所以，为贯彻落实科学发展观，有 高等级公路建设就应运而生，开始了迅猛发展。而作为公路配套建设 的公路隧道，在这种机遇与挑战面前，也必然要不断发展，因而使得 长大公路隧道也开始f | 渐兴起 到2 0 0 3 年底，我国公路隧道已有1 6 8 4 座，总长达6 2 8 k m 。其中，有半 横向通风自动化程度最高的深圳梧桐山隧道、板樟山隧道等一批城市 公路隧道；有广州白云山双向六车道、大跨度、扁平率为o 6 左右的 隧道；有福州四连拱的象山隧道( 宽3 5 4 m ，高8 9 m ) ；有近距离四连 拱宽4 5 6 m 的科苑立交隧道：有大跨度( 3 2 3 5 m ) 、双连拱、具有代表 性的京珠高速公路五龙岭隧道；有首次采用竖井和纵向射流运营通风 北京交通大学硕士学位论文 技术的中梁山隧道；有逆光照明不在洞口设光过渡段的猫狸岭隧道； 有处于3 8 0 0 m 高海拔、高寒( 最冷月平均气温在一7 ，最低达一3 5 ) 地 区的青海大板山隧道；有处于高地应力区的川藏公路二郎山隧道；有 穿越高浓度瓦斯、高压力煤层的华蓥山隧道( 长4 7 0 5 m ) ，以及目国内最 长的1 8 。4 l ( m 的终南山隧道和长度大于6 k m 以上的鹧鸪山隧道、泥巴山 隧道、雪峰山隧道等。总之，随着技术的不断发展和运营的需要，公路 隧道的单洞长度越来越长，跨度日渐增大，修建技术与营运技术也同 趋复杂。 目前，随着国家“西部大开发”、“振兴东北老工业基地”以及 “实现中部崛起”等一系列大的战略构想逐步实施，高速公路和高等 级公路建设又进入了一个新的高潮期。国家制定的中长期战略规划中 明确提出，到2 0 2 0 年，我国的高速公路要在全国范围内形成路网，建 设里程要达到8 5 万k m ，而截止2 0 0 5 年，我国高速公路仅有3 5 万k m ， 任务非常繁重。而且随着公路等级的提高和公路交通量的剧增，过去 常用的双向四车道隧道已逐渐不能满足需要，必须开始大量地修建六 车道、甚至八车道的大断面公路隧道，否则隧道建设就会成为制约公 路发展的瓶颈，这对我们隧道工作者来说，既是动力，也是压力。 我国在三车道等大断面隧道公路隧道建设方面的起步虽然较晚， 但是由于我国经济实力的提高和各部门的努力，目前也取得了一定的 成绩，如北京八达岭潭峪沟隧道、重庆铁山坪隧道和真武山隧道、广 东韶关靠椅山隧道、宝林由隧道、深圳大梅沙隧道等一批三车道大断 面公路隧道业已相继建成通车。尽管如此，我们还必须清醒地认识到， 同国外一些经济发达国家( 尤其是北欧国家和日本) 相比较，我国在三 车道大断面公路隧道设计、施工及其关键技术、围岩稳定性研究等诸 多方面还不够，还存在着较大的差距。面对即将来临的大断面公路隧 2 第一章绪论 道修建的高潮，我们必须立即开始这方面的研究，以满足实际工作的 需要。 1 2 国内外研究现状 三车道及其以上的公路隧道因其具有扁坦状的独特结构而常常 采用非单一、非常规的施工方法。例如：1 9 8 1 年德国在慕尼黑地铁 施工中，首创了c d 工法，并成功应用了双侧壁工法、眼睛工法等先进 施工方法。1 9 8 4 年日本成功地将德国人首创的c d 施工方法用于大跨度 扁坦状的真米公路隧道施工，之后在岩土工程界迅速推广。2 0 世纪8 0 年代末期，日本在改扩建东( 京) 名( 古屋) 高速公路静冈县御殿场至神 奈川县大井松田段期间，应用了双侧壁导坑法、上下短台阶法、上半 断面一次封闭法、中壁工法、c r d 工法等多种旋工方法，修建了总长 5 2 6 8 m 的9 座三车道公路隧道，即所领第一隧道( 长21 5 m ) 、所领第二隧 道( 长1 1 3 m ) 、高尾隧道( 长5 7 8 m ) 、樱平隧道( 长4 7 2 m ) 、北佃隧道( 长 3 2 8 m ) 、太郎步尾隧道( 长7 0 7 m ) 、鸟手山隧道( 长8 4 2 m ) 、新都夫良野 隧道( 长1 7 1 5 m ) 以及新吾妻山隧道( 长2 9 8 m ) 。三车道和紧急停车带( 四 车道) 开挖面积分别达到1 3 3 酽、1 7 0 m 2 ，开挖断面的宽、高为1 4 5 3 0 m 8 4 6 4 m ，高跨比达到0 6 4 。l9 9 5 年7 月2 6 日开挖面积达2 6 5 m 2 的德国最大 高速公路三车道隧道一恩格贝格山底公路隧道开始采用拱部、台阶和 仰拱三层七部暗挖一复合衬砌技术施工。表1 1 列举了部分大跨度扁 坦隧道的施工事例。 从表1 1 中可以看出，虽然同为大断面公路隧道，但是其设计参 数、开挖工法等都不尽相同，这在很大程度上是由于大跨隧道是近些 年来才逐渐发展起来的，对其特点还不是十分清楚造成的。并且由于 结构受力复杂，所以在施工时，尤其是在地质条件不良的情况下施工， 北京交通大学硕士学位论文 其施工难度都大大增加。 表1 1 国外部分大断面公路隧道工程事例表 隧道名称工程概况 施工方法备注 地层为新生代第四纪洪积世关东垆坶层、 真米公路隧 大矢部沙砾和粉质砂。地面平均坡度3 0该隧道是日本首次 日本7 0 1 度，覆盖层厚1 0 1 5 m ，偏压明显开挖面应用c d 中壁法修建 道号公路 积达1 2 0 咀2 ，宽度为1 3 6 m ，高度为1 0 5 m ，成功的公路隧道。 全长仅1 0 。i 丑。 穿过未加固地层砂砾层，地面有街道、中 学等构筑物，覆盖层厚1 1 5 0 m 。三车道和 停车带开挖面积为1 4 8 ，3 3 蝎6 5 l 2 ，开 日本神 舞子隧道 挖断面的宽度高度分别为1 6 3 8 2 m x 四( 六) 部中壁n a t m 户鸣门 1 1 3 7 3 m 和1 9 0 4 8 m 1 2 3 6 9 m ，高跨比则 法和t 删、s d 工法 线 分别为0 6 9 4 和0 6 4 9 围岩主要为下三叠统石膏、软粉砂、断层上台阶两侧导洞一 赫撕拉奇i i 带，地下水多。覆土厚1 2 、2 5 m ，全长9 8 0 m ，一核心顶部一一核 德国b 1 4 号公路隧道 三车道区段长1 2 0 m ，开挖断面宽度为心下部一一下台阶 号公路 1 5 5 7 m ，高度为1 2 0 5 ，高跨比为0 7 6 5 及仰拱一次开挖法 地层属第三纪足柄层群，以泥岩和厚层砂 对裂隙发育地段采 l j 本东 鸟手山公路 岩互层为主，局部有砾岩，风化深度达 用二部中壁n a 删机 名高速 2 0 、3 0 m ，裂隙多，覆土最厚达7 0 m 。械式施工，而对较坚 隧道公路改 硬岩层，采用上部短 造工程 台阶钻爆法施 _ ： 该路段地质属于第三纪足柄层群，基岩为 砾岩、砂岩、泥岩互层。覆盖其上的是第 日本东 东名线改建 删纪未同结火山喷出物和泥石流堆积物 名高速 等，分布杂山顶和山脊附近。风化作用一采用中壁施工法 的3 车道隧道公路改 直延续到基层较深部位。标准断面的净空 造工程 面积为1 1 5 2 ，宽度为1 4 5 m ，高度为 9 2 8 m ，高跨比为o 6 4 为第四层洪积世的相模层群最下位的长 沼层，东半部分主要是黄灰色的细砂层， d d ( d o u b l e 日本横 港南隧道 西半部分是硬质粉砂层。覆盖层为5 2 4 m ， d i a p h r a g m ) 新奥浊， 滨市二 开挖面积为1 4 3m 2 ，宽度为1 4 4 5 6 ，高 各开挖断面采用侧 环路 导坑施工法 度为l o 5 8 m 和l o 8 4 m 。 三车道大跨度隧道的断面开挖面积一般都会超过1 0 0 m 2 ，并且由于 跨度较大，结构将承受较大的围岩压力、受力条件复杂，再加上施工期 间诸多工序的相互影响、围岩的多次扰动以及支护衬砌相互之间的非 同步施工等诸多因素，极易发生围岩失稳和隧道衬砌结构开裂与破坏 d 第一章绪论 现象。再考虑到复杂的工程地质条件、断面几何特性、施工条件、防 排水、工程措施与围岩稳定性要求以及工程建设成本、工期等一系列 因素，可以说大跨度隧道施工的难度、风险都大大增加，因此对大跨 度隧道施工方法与辅助工程措施的选择就尤为重要。 日本、德国等一些发达国家在这方面的探索和研究起步较早。早 在上世纪8 0 年代就开始在实际中应用c d 、双侧壁等工法，并且取得了 较为丰富的经验。而我国在这方面的研究起步较晚，直到上世纪9 0 年 代的中后期才陆续兴建起一些三车道大断面隧道。近年来，通过引进 国外先进施工工艺，也有了一些成功的范例，如表1 1 中所列。 但由于对工法的原理不清楚，以及一些传统施工习惯的影响，目 前国内在很多大断面隧道施工中，要么采用传统的台阶法“冒险”， 存在很大的施工风险；要么就机械的照搬其他工程方案，不论是否与 自己工程的实际情况相适合，存在很大的盲目性，也会导致施工风险 的出现。 因此对各种工法开挖下，如何对围岩作用，围岩应力场如何变化， 可以采取哪些措施去改变这些应力场，哪些措施能更有效地改变这些 应力场，这些措施在什么情况下才能充分发挥其作用，并且如何根据 实际的地质状况，尤其是不良的地质条件，选择合理的施工方法，这 一系列问题，都需要我们通过种种技术手段进行充分、认真的研究。 同时由于目前国内施工现状，绝大多数的隧道旌工单位在具体进 行施工的项目部或指挥部中，都没有施工地质这道工序，大多数施工 单位都处于“盲目施工”状态，施工主要是靠侥幸，碰运气，因而导 致各种塌方、突水、突泥等地质灾害时有发生，对施工的安全、经济 等方面都带来难以挽回的重大损失。 虽然目前各级工程管理部门，以及个别施工单位已经认识到了隧 北京交通大学硕上学位论文 道旌工过程中的地质判别、预测工作的重要性，开始在国内隧道旌工 中开始逐渐采用地质超前预报工作，但由于技术上和管理上的不完 善，致使许多准确的地质预报结果不能及时指导施工，对旆工起到应 有的作用。因此如何改善这种局面，也值得我们认真思考。 1 3 本文研究内容与研究方法 本文拟针对上述问题，结合大连市政府委托北京交通大学开展的 “新建石门山隧道技术咨询及施工安全风险管理”项目，对以下内容 进行研究： ( 1 ) 大跨隧道施工方法的选择 利用数值模拟手段对大跨隧道施工常用的几种工法进行分析、对 比，掌握施工过程中围岩变形特点与塑性演化规律，确定各种工法施 工过程中的重点关注工序以及主要受力特点与受力部位，把握支护结 构在旌工中的受力转换规律，减少施工盲目性，增加施工安全性。然 后在施工中，再结合监测结果最终确定合理的施工方法。 ( 2 ) 大跨隧道施工超前地质预报技术 由于大跨隧道受力结构复杂，所以对不良地质条件更加敏感，稍 有不慎，就可能出现问题。本文在对地质预报技术进行对比后，结合 实际工程特点，确定了石门l h 隧道施工超前地质预报工作的原则，建 立其地质预报管理体系，使地质预报工作更好的服务与施工。 ( 3 ) 复杂围岩条件下大跨隧道开挖爆破技术 隧道开挖爆破技术的好坏直接影响到施工质量与施工进度，由于 大跨隧道断面大、工序多，因此爆破技术就成为施工过程中的重要控 制因素。本文结合石门山隧道“上软下硬”的围岩特点，研究了相应 的爆破开挖技术，以保证特殊地质条件下隧道的安全施工。同时对坚 第一章绪论 硬岩石中的大断面光爆技术和施工中常见的光爆质量事故予以了研 究和说明。 ( 4 ) 注浆加固体系研究 针对实际施工过程中，现场施工人员对隧道辅助施工措施的一些 错误认识，从机理上予以探讨，同时结合隧道脱空产生病害的原因， 将这些辅助施工措施以及病害处理措旋归纳为四种注浆方式，并以这 四种注浆方式为核心建立注浆加固体系，然后在工程实践中对其进行 应用，取得了较好的效果。 北京交通大学硕士学位论文 第二章大跨度隧道施工方法选择研究 2 1 引言 大跨度隧道开挖断面面积一般都会超过1 0 0 m 2 ，并且由于跨度较大 结构将承受较大的围岩压力，再加上施工期间诸多工序的相互影响、 围岩的多次扰动以及支护、衬砌相互之间的非同步施工等诸多因素， 极易发生围岩失稳和隧道衬砌结构开裂与破坏现象。再考虑到复杂地 质条件、断面几何特性、施工条件、防排水、工程措施与围岩稳定性 要求以及工程建设成本、工期等一系列因素，可以说大跨度隧道施工 的难度、风险都大大增加，因此对大跨公路隧道施工方法的选择就尤 为重要。 目前，钻爆法是目前国内所采用的主要开挖方法。其中应用较多 的开挖方法主要有全断面法、c d 或者c r d 法、台阶法、双侧壁法等。 这几种工法各有利弊，具体采用何种，需结合隧道尺寸、进度、经济 以及具体围岩状况等多方面因素综合考虑。 本章将以大连石门山隧道为工程背景，利用数值模拟与现场实测 相结合的手段，对大跨隧道的施工方法选择进行研究。 2 2 工程背景 2 2 1 工程概况 石门山隧道为新建大连市西部通道的重点控制工程，位于大连市 周水子国际机场附近。线路等级为城市主干路i 级，路线采用分幅式 路基穿越石门山，东、西线隧道平面设计线距离：北口约为3 6 m ，南 口约为2 0 5 m ，中间最大线间距约为4 9 m 。纵坡+ 1 3 6 、1 6 3 ，最 第二章大跨隧道施工方法选择研究 大埋深约1 4 2 m 。 隧道设计为双向六车道，采用半径6 0 0 m 和7 5 0 m 、净宽1 3 8 0 m 、 净高7 8 8 m 三心圆曲墙式断面。开挖断面为1 5 8 6 m 1 0 5 0 m ，开挖 断面面积为1 4 9 3 ，属于典型的扁平状大跨隧道。东线全长1 5 3 1 5 m ， 西线全长为1 5 5 3 5 m 。 2 2 2 工程地质概况 据地质调绘及钻探揭露，隧址区地层主要为震旦系中统长岭子组 ( z 2 c ) 板岩、桥头组( z 2 q ) 石英岩夹板岩、板岩以及晚侏罗世侵入的 辉绿岩( b 。5 ) 组成，部分山坡段披盖第四系晚更新世坡积粉质粘土混 碎石、碎石层( q 3 d 1 ) 。 根据区域地质资料、物探成果以及地表观察，隧址区内与倒转背 斜伴生的有3 条高角度走向逆断层，由北向南依次编号为f 1 、f 2 、 f 3 。上述3 条逆断层均未见有近期活动迹象，故认为其为非发震断裂。 由于受多期构造作用所致，隧址区岩石中节理发育，近地表处如南北 洞口附近发育强烈，深部次之。 隧道纵断面如图2 1 所示。隧道北洞口端k 0 + 4 7 5 k 0 + 6 2 5 段为 浅埋段，该段覆土厚度较小，最薄处仅为2 5 m ，若开挖不当极易造成 地表塌落。上覆围岩地质条件复杂，以第四系粉质粘土混碎石层与泥 质板岩层为主，围岩强度较低，自稳性较差，遇水易滑塌。尤其是在 k 0 + 5 4 0 k o + 5 8 5 段，沿隧道纵向，呈漏斗状粉质粘土混碎石层侵入隧 道开挖断面，能否顺利通过该区段，是整个工程顺利与否的关键增加 了施工难度。 由于北洞口浅埋段的重要性，因此本章对工法的模拟就针对该地 质条件进行。模拟的工法为台阶法、台阶侧壁法、双侧壁等三种。 北京交通大学硕士学位论文 一豆 - - j ，- i 。 ”h i h 。 e li ! ： 王 _ h f k l “ ti f v “ fi+ 一矗= # = 一 ；= _ - * t - l h 吾 h “ “ _ l _。 一 一 蚕 ， 。j j h l = 2 耙= ： j l 一r ”； ：l ： 兰 一 口 担f 芒 i 匡 盟h ； ：l 图2 1 石门山隧道纵断面图 1 0 第二章大跨隧道施工方法选择研究 2 3 开挖工法的数值模拟 2 3 1 数值模拟软件简介 计算模拟采用r 本软脑株式会社研制的具有模拟分步丌挖和支 护能力的2 d s i g m a 软件进行模拟分析。模型的基本假定为：假定围岩 是各项同性连续介质，计算时选用弹塑性物理模型和m h o r _ c o u l u m 屈 服准则。施工阶段采用平面应变有限元进行分析，纵向厚度取1 m 。 隧道开挖施工过程主要包括( 岩) 土体分步开挖及支护结构的分 部设置等。每一施工步序均引起应力重分布，应力释放率为开挖释放 7 0 或6 0 ，支护释放3 0 或4 0 。用以模拟不同施工阶段力学性态的有 限元方程为： ( 】+ 憾 ) 刚= 峨) + 峨 f 昌1 ，m ) ( 2 _ 1 ) 其中：m 为施工阶段总数； k 为开挖前( 岩) 土体等的初始总 刚度矩阵；【k 为施工过程中岩土体和支护结构刚度的增量或减量， 其值为挖去岩土体单元及设置或拆除支护结构单元的刚度； ) 为 由开挖释放产生的边界增量结点力列阵，初始应力状态由土体自重、 地下水、地面超载等确定，其后各开挖步由当前应力状态决定； a 巴) 为施工过程中增加的结点荷载列阵； 4 ) 为任一施工阶段产 生的结点增量位移列阵。 2 3 2 模拟工法及支护状况说明 2 3 2 1 模拟工法说明 所模拟的三种工法分别如下所示： ( 1 ) 工法一( 台阶法) ： 北京交通大学硕上学位论文 一秽羧二拶絮 ( a ) 上台阶开挖、支护 、 ? j ，劳毕。尝弋越0 一、，| ， ：、，7 一、y ，j 形 、_ 、io ( ， 誓厂jl j 、旺一 鲁! # = 二ii = “、。一一一一j 一7 “ ( c ) 下台阶左侧开挖、支护 ( b ) 下台阶右侧开挖、支护 弋- 喾坐蝇，i 、弋专垆、。、， ：；o ： 谢鼹 二二j ， 1j 二 刍l 7 i 巨 l 、= | 、一| 一，二j ，一 ( d ) 仰拱开挖、支护 蹦型终 ( e ) 施作二衬 图2 2 台阶法开挖工序 ( 2 ) 工法二( 台阶侧壁法) ： 开挖顺序为：右上导洞开挖、支护一下台阶右侧开挖、支护一左 上导洞开挖、支护一下台阶右侧开挖、支护一拆除中隔壁及下台阶剩 第二章大跨隧道施工方法选择研究 余开挖一施作仰拱及仰拱填充混凝土一施作剩余二衬，如图2 3 所示。 、 分 t |，、，7 、j f* 一， 广k 二一 j 巴二 ! 、一一一上一。7 一 ( c ) 左上导洞开挖、支护 f j， 一虿乌j | z i 、二尹 j 。! ， 1 j1 ，7 。， ，一j ；、矿， 耋 、飞专 1 。等_ 二 ：f 一一一j 一7 7 一 ( b ) 下台阶右侧开挖、支护 、 耵 刍17 ( d ) 下台阶左侧开挖、支护 、j ，澎鲤毁? ，j ：蓼警冬l ， 婺一二蔓拦挲一一。一。灌 j 3 _v彳挣鍪蠹， 一 ) 、 a 、 一 ( ，|一 北京交通大学硕士学位论文 _ _ 釜冀 誊滏 j 漕絮衩| | 羹戮。：善 罐 。t 一。：蓥二叠。：。；二j 中上部开挖、支护 、蹲始 # +一、? i 麓， ，一 1 jh = _ 一 ( e ) 拆除侧壁支撑 ( d ) 左下导洞开挖、支护 、j i 也选j f o 专。爹乏： 彰谴虱f ”l茬 2 性。一：l 墨婆= ；二二：二步 、j 出j o 喾i 瓷， 毒：j 活 哉j。l e ( f ) 施作二衬 图2 4 双侧壁法开挖工序及计算模犁 1 4 第二章大跨隧道施工方法选择研究 阶开挖支护一中部下台阶开挖、支护一拆除侧壁支撑一旌作二衬，工 序示意见图2 4 。 2 3 2 2 支护状况说明 如上图所示，在各工法都采用超前支护的情况下，对每种工法再 分别按照以下三种支护状况进行模拟，分别为： ( 1 ) 初期支护无锚杆及注浆： ( 2 ) 初期支护打锚杆、周边不注浆； ( 3 ) 初期支护打锚杆、周边注浆； 2 3 3 计算模型及计算参数 建立模型时，所取的围岩影响范围为：隧道两侧约3 倍洞径，隧 道底部以下约5 倍洞径。因此根据隧道实际尺寸，最终确定模型大小 为1 5 0 m 7 0 m ，且依实际情况，右线隧道埋深略浅。 计算模型如图2 5 所示，其中单元数为2 5 9 4 ，节点数为7 9 0 0 。 酬2 5 计算模型 第二章大跨隧道施工方法选择研究 了围岩变形过大，后继工序难以控制的现象。 ( 2 ) 由图2 7 及图2 8 中可以看出，采用台阶侧壁法或双侧壁法 开挖时，不同的支护状况下，围岩最终的拉应力区范围有比较明显的 不同。 拉应力区范围最大的是无锚杆及注浆的支护状态；当初期支护打 设锚杆，周边不注浆时，拉应力范围有一定的缩小；而当采取既打锚 杆，又在周边注浆的支护形式时，拉应力范围有明显的减小，这种现 象在双侧壁法开挖下尤为明显。这种现象，方面表明双侧壁法是软 弱围岩中进行大跨隧道开挖比较合适的工法，另一方面，也说明注浆 对改善隧道周边软弱围岩的应力场具有明显的作用。 ( 3 ) ) 对比图2 6 图2 8 中的图( c ) 可以看出，采用台阶侧壁 法与双侧壁法开挖，隧道周边拉应力区范围较为接近，而采用台阶法 开挖，拉应力区范围相对就要大的多。这进步证实，在软弱围岩中 进行大跨隧道开挖，对围岩产生较大扰动的工序主要是来自上断面开 挖，只要采取措施对此工序的开挖扰动进行控制，比如将其分块开挖， 就可以较好的控制围岩应力变化。 ( 4 ) 对比图2 6 ( c ) 、2 7 ( c ) 、2 8 ( c ) 还可以发现，当两隧道 最终开挖完成后，右隧道外侧( 即远离左隧道一侧) 拱腰附近的支护 结构上出现明显增大的拉应力区域，相较隧道内其他区域支护，拉应 力值最大增幅为7 0 。双侧壁法、台阶侧壁法、台阶法对应的最大拉 应力依次为o 1 6 5 m p a 、o 1 4 8 m p a 、o 1 2 8 m p a 。 结合本隧道开挖顺序，从中可以分析出以下三点： 从整体上看，当两隧道并行施工时，后开挖隧道( 以下简称 后洞) 施工对先开挖隧道( 以下简称前洞) 结构受力有一定的影响。 1 9 浆枣楚疆衰宝雏主学位论文 婆二兰 三 l i j ；i ；i ；i 董妄当享_ _ 0 _ o | ；_ | l 一_ 0 0 0 要? | i 薯0 一雩一| = i _ _ 一_ 0 ； _ 1 。；0 0 j 0 0 皇j _ ； i f ；? 毫一1 | ；1 0 j1 0 l 0 0 - | _ 1 to i - 冷薹孝0 i 。 一? | | | | 一荽| | | | ：曩? x 第二章大跨隧道施工方法选择研究 下面在打设锚杆、及周边注浆这种支护状况下，对各种工法开挖 完成后的隧道变形进行进一步的对比、分析。 2 3 4 2 隧道变形分析 ( 1 ) 开挖变形网格图 图2 1 0 台阶法开挖完成后网格变形图 图2 1 1 台阶侧壁法开挖完成后网格变形图 。一粤t 2 、h 心 仁一妤 ，4 _ -j f ：t 斗l l ：二= = - 二= 多二f 一 图2 1 2 双侧壁法开挖完成后图2 1 3 台阶法测点示意 网格变形图 ( 2 ) 拱顶下沉、拱腰收敛、边墙水平变形、地表下沉曲线 各工法开挖过程中监测测点均在右洞中选取，测点位置如图 2 l 第二犟丈踌驻道施王蠢法选择研究 值由大到小依次为：1 6 0 1 n h n 、1 3 2 7 、1 2 0 8 嘞，数值相差并不大。 ( 2 ) 在控制地表流降沉方面，双侧壁法效果壤好，其次为螽跨 侧壁法，最簸为台除法。累计缝表沉降值依次为：7 0 3 聊、8 5 9 黼、 1 9 0 5 m m ，以双侧壁法时的地表沉降假为基准，台阶侧壁法地表沉降 值增加了2 2 ，台蹬法地裘沉降基瓒热了l ? l 强； ( 3 ) 南良上两项数德对篦可知，在控制沉降方西，台阶侧麓法 与双侧壁法效果接近，都可以基本满照要求。而台阶法在这两方顾两 者都较差。 而且螽阶法开挖还裔个异常现象，鼯琏表下沉大于拱顶下沉。 结合前面殿力分析，可以认为其拱顶下沉较小是由于超前支护的保护 嚣造成的。缀然台除法开挖对露岩应力场改变攫大，毽在超蔻支护终 用下，一部分释放的应力被其阻隔、作粥被减缓，飘而体现在拱顼沉 降上，就是开挖后的沉降值较小，因而造成台阶法与其他工法在拱顶 抗终上豹茇爨不疆显。 但由于螽阶法开挖毕竟对围岩应力场造成了较大的变化，匿然在 超前支护保护下，拱顶沉降上体现不明显，但地表沉降却对此予以了 ，所以有时也称“垂直剖面法”。检波器和炮点埋 入到隧道侧壁岩体中115m，有效的避免了面波和隧道柱波的干扰， 提高了信噪比，研究和应用结蚴燃黔i辇强掣誊吲捌褂暨#澍鲤由此 到鄹=0转爨氢娶髓熬爵碧疆囊爵羹管二暮强舔。嬲疆询耋；|氢蓉莲蟹鬈嚣舞霉黧 x 第二章夫跨疆婵甚寺矩溉磊黎要妻 霍黎媸氅蛩骺畿熟蟛强强烈濉型朝二至翘鬟划剥简番f 弱刺裁i 碴萎鋈 知型毫崩蟊打豇箱去+ 葆延喱? 晕魁妇婴蝥葫黼缢输鞯徉糕揖绸掣踌 甲： i 刚叫蒂窿竹餐隧道碴占牿，轺“饕霪严酸剥= 瞩 静啪嘲温 疆二囊剪型懑幂壤嘎萼；砖氅理毕去世幂；蚝菩罪锚萑蚕篇糙， 嚣质信息谮科i 包括区域性地j 真资料隧道勘测j 疆毯瓤瓤削卜 蹲 埘鬟龆动鼹靳鄹卿。隧 道施工过程 中，利用各种地质超前预报技术，结合掌子面地质素描，不断地直接 或间接获取地质信息，根据分析结果提出施工建议，然后将分析结果 与施工建议及时通报相关部门，以保证“有险早发现、无险早澄清”， 确保施工作业安全、顺利进行。把地质超前预报工作纳入施工管理的 较高层次，使地质预报部门对施工部门能够具有一定的监管能力，以 健全的制度管理来保障预报结果能及时服务于实际工作。 3 4 地质风险管理应用实例 依据上述地质风险过程管理体系，我们对石门山隧道全过程施 工，尤其是对各不良地质段的旌工过程进行了认真的管理，其中既有 经验，也有教训，下面举两个比较典型的工程实例进行说明，希望能 对今后类似工程提供借鉴作用和指导意义。 3 4 1 实例一 第二章太籍隧莲蓬王方法选择骚究 洞内初期支护出现细小裂纹。这预示糟管棚支护作用也丌始接近极限 状态。 ( a ) 仰坡开裂情况 ( b ) 明、暗洞连接位置环向裂缝 翻2 2 4 台阶法开挖时隧道开裂情况 签予情溅危急，试骏歼挖立鄯停正。经专家谲套、分耩，与藏工、 设计等各方研究后，决定先沿隧道纵向架立钢支撑( 如图2 2 5 所示) ， 并且对洞口仰坡加密注浆镪杼，以稳定该处隧道及撼表变形，然艨雀 后续开禳中，结合实际工程情凝，采糟台阶侧壁法邂行开箍。 图2 ，2 5 架立钢支撑稳定隧道变形 采爝鸯黔铡壁法开擦爱，隧遘各磺蕊滔指标逐澎浚复正豢，蘩诗 拱顶下沉最大值一般均在l o m m 左右，地表沉降曲线平缓，最大沉降 北京交通大学硕士学位论文 均在1 5 硼左右。 对洞口仰坡及明、暗洞连接处出现的裂缝进行连续观测，裂缝也 无发展现象。 因此结合之前对三种工法的数值模拟计算、分析，可以看出，在 软弱围岩中进行大跨隧道旌工，台阶侧壁法无疑也是一种可行的施工 方法。 2 5 本章小结 本章采用数值模拟及现场实践的方式，对适合大跨隧道开挖的台 阶法、双侧壁法，以及台阶法与单侧壁法组合而成的台阶侧壁法进行 了计算、对比、以及试验，得出了以下结论： ( 1 ) 大跨隧道开挖过程中，对围岩最终应力场影响最大的工序 是上断面的开挖。上断面一次开挖面积过大，对围岩应力场的扰动很 大，会导致围岩应力释放过多，且后期难于恢复。因此进行大跨隧道 丌挖，尤其是在软弱、破碎等不良地质条件下进行大跨隧道的开挖， 必须控制上断面一次开挖断面，应当施具体情况，采用分块开挖。 ( 2 ) 大跨隧道结构受力以竖向压力为主，水平侧向压力为次要 受力。 ( 3 ) 在开挖过程中，大跨隧道拱腰受力很大，应当作为结构的 一个重点受力部位予以关注。并且在开挖中的某些工序，尤其是上断 面进行导洞开挖时，拱腰受力要大于拱顶受力。因此在开挖过程中， 尤其是上断面导洞开挖过程中，要注意对拱腰附近进行观测，发现问 题及时加强处理。 ( 4 ) 在软弱围岩中进行大跨隧道施工，要尽可能地对软弱围岩 进行注浆加固，这对改善隧道周边围岩应力状态，以及提高锚杆支护 3 0 第二章大跨隧道施工方法选择研究 效果有比较明显的作用。尤其是超前预注浆支护，效果最为显著。 ( 5 ) 两隧道并行施工时，后施工隧道对先施工隧道会产生“拉 伸”作用，具体体现在结构受力方面，就是先施工隧道外侧( 远离后 施工隧道一侧) 拱腰处支护结构拉应力明显增大。由于大跨隧道本身 受力特点决定了其拱腰是重点受力部位，若再加上这种附加的“拉伸” 作用，则很有可能对其拱腰处支护结构产生不良影响。尤其是当两大 跨隧道近接施工时，这种不良作用可能会更加明显，这一点应当引起 足够的重视。 ( 6 ) 根据实际需要，我们提出了将台阶法与单侧壁法组合而成 的台阶侧壁法，从控制原理上而言，其与双侧壁法都是通过分块开挖， 对上断面开挖这一影响隧道围岩应力场最强的工序予以控制，并且通 过模拟计算与实际应用，二者都比较适合软弱围岩中大跨隧道的开 挖。如果仅从技术的角度出发，双侧壁无疑是最适合大跨隧道的施工 方法。但考虑施工的便利性、经济性等因素，台阶侧壁法无疑更为实 用。当二者都可以使用的情况下，建议优先选用台阶侧壁法。 北京交通大学硕士学位论文 第三章隧道施工超前地质预报与地质风险管理 3 1 引言 围岩是隧道工程的核心，如何去“爱护围岩”、“保护围岩”，是 隧道施工过程中一个非常关键的问题，因此在隧道旖工之前，充分的 认识围岩、了解围岩，对工程施工过程中会遇到的各类地质现象有相 当的认知，就成为一件相当重要的工作，否则就很难保证工程安全、 j 顷币0 的进行。 但由于技术手段、经济状况等方面的原因，在隧道设计阶段所获 得的有关地质资料，主要是通过在地面上，利用地面勘探、地质调查、 钻孔测量等方法来获得，因此设计精度明显不足，导致预设计阶段做 出的隧道设计图常常会遗漏一些、只能在隧道掘进过程中才能发现的 不良地质体，围岩类别也常常不能准确测定。 由此而导致在隧道工程施工过程中，由于前方地质情况不明，常 常出现各种险情，例如塌方、涌水、岩爆、泥石流等地质灾害，这些 问题的发生严重影响工程的进展，增加工程的造价，有时甚至会产生 重大的事故。 因此在隧道施工时，对隧道掘进方向的地质构造、围岩性状、结 构面发育情况，特别是溶洞、断层、破碎带等不良地质体，通过技术 手段进行超前的预报、预测，以便提早、及时地采取有效的施工方法， 以此来确保施工安全，就显得尤为重要。 目前在国外，瑞士、闩本等发达国家进行隧道( 尤其是山岭隧道) 修建过程中，隧道施工过程中的地质判别、预测工作都是非常重要的、 不可缺少的工序，重视隧道施工地质工作己经成为管理部门和广大工 莓三章隧避德王超蔻琏囊臻搬鸟她疆最蹬管理 程技术人员的炔识。有些施工单位配备商专门从事隧道施工地质的工 壤技来人员，肖些列出业主提供施工地嫒忑 乍，并拨凼专款开展这项 工作。恰当的技术，台理辩投入，以及先进的管理措施裙互配合，使 辱国外在山岭隧道的施工过程较好的避免了因为单纯的地质原因而 逡戏豹施工攀敬与损失。 目前在圜内，与隧道施工接近的其它地下工程行、韭，主要是备类 矿山企业，包括煤矿和金麟矿山，从集闭到所属的各个煤矿，几乎都 青专职兹矿势造覆人员，扶组织形式上，瞧有趣震撼、越覆辩等专渡 部门，其主要工作就是在设计院提供的设计图纸的基础上，作为必不 可少的工序，随时随地解决煤矿生产中( 主要是各类耱道掘进) i 熙到 豹、设计玢段没寿发现豹、大量影响生产熬复杂圭盘袋| 、掰题弱与建簇蠢 关的突发事件，保障生产顺利进行。 而目前围内绝大多数的隧道旋工单位在具体进行施工的项目部 躐蓦捧部中，爨没有垂己的藏互遣矮酞馁域人员，蕊 l 雩设诗浣派骏现 场的设计人员也不承担具体的施工地质工作。由于没有施工地质遂邋 工序，大多数施工单位只得处于“盲目施工”状态，施工主要是靠侥 拳，蘧运气，鬻嚣导致务耱塌方、突承、突淀等遗矮灾害对畜发生， 对施工的安全、经济等方丽都带来难以挽回的重大损失。 通过在事故中汲取教训，目前各级工程管理部门，以及个别施工 攀经已经认识至l 了隧暹蘧王避程中酶毽矮耀裂、颈溺王终戆重要戆， 开始在国内隧道施工中开始逐渐采用地质超前预报工作，例如甘肃鸟 鞘岭隧道、云南元磨高速公路的大风垭阴隧道等等，都通过采用地质 怒蘸羲强鼓拳，较努爨避受了稳当鼗萋弱蘧瑗灾害事羧秘发生，取缮 了良好的社会效益和经济效益。这就使得我们在国内广泛开展这项工 北京交通大学硕士学位论文 作有了一定的基础。 但由于国内的地质超前预报技术发展时间较短，所以在应用过程 中还是存在着一些不足，例如，对不良地质体的预报，由于采用的方 法、仪器不同，或者操作人员的经验不同，而导致准确度不同；由于 工程投资原因，只能采取单一的技术手段进行预报，而导致精确度降 低；或者由于施工管理水平较低，没有较为合理的管理体系，使得预 报结果不能及时指导旌工，而导致预报延迟、甚至无用，等等。 本章通过对目前隧道工程地质预测预报工作技术现状的调研，结 合在石门山隧道的工程地质特点，对隧道工程超前地质预报方法和地 质风险过程管理进行了策划，并将其在工程实际中进行了应用，对现 场实际应用效果进行了评价。对今后类似隧道工程的地质预报技术及 地质风险管理工作起到了定的借鉴价值和指导意义。 3 2 地质超前预报技术概述 目前，地质超前预报方法有多种，归纳起来可以分为两大类，一 类是直接方法，一类是间接方法。 所谓直接方法，就是通常所说的地质法和钻探法。例如在隧道勘 测设计阶段，对隧道沿线进行地质调查，观察地表岩层露头，钻孔勘 探，从而获得地质信息，作为隧道预设计的依据。在开挖过程中，使 用地质跟踪调查推断法，通过观测已开挖的围岩状况，进行地质描述， 做出施工记录，推断前方围岩状况，或者进行超前钻探，即在掌子面 钻孔取芯，直接获得前方短距离地质信息。 所