（岩土工程专业论文）雪峰山隧道信息化设计与施工技术.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 摘要：近十几年来，特长公路隧道顺应社会需要，迅猛发展起来。由于隧道长度 增加，地质条件愈发复杂，我们需要借助信息化施工，科学化施工，通过新的科 技手段进行量测和及时的数据处理来进行有效的反馈，改进施工方法，在保证安 全和质量的前提下提高施工速度。本文以雪峰山特长公路隧道为依托，充分利用 理论分析，数值模拟和现场试验多种手段，进行了隧道施工围岩收敛快速量测方 法研究、初始地应力场及围岩参数的反分析、结构稳定性评价、软弱围岩条件超 前支护加固措施研究、复合式衬砌中二次衬砌合理施作时机、隧道不同围岩支护 参数优化分析研究，主要研究成果如下： ( 1 ) 选择不同类别围岩地段典型断面的隧道变形量测资料进行反分析，得到 隧道的初始地应力场及围岩的力学参数。 ( 2 ) 采用三维有限元程序对施工过程力学效应进行计算分析，围岩力学参数 及初始地应力场可采用反分析得到的结果，并与地质调查资料相结合，评价隧道 施工过程的稳定性。选择典型断面，根据围岩压力的实测值以及初支与二衬之间 的接触压力，采用荷载结构模型和结构分析软件分析初支结构的稳定性和二衬结 构的稳定性。 ( 3 ) 雪峰山隧道软弱围岩地段的超前支护类型进行研究，主要从理论研究上 超前支护加固机理、采用数值方法模拟超前支护加固的力学效应、结合实际工程 研究超前支护的施工工艺。 ( 4 ) 以隧道周边变形值为控制依据，采用特征曲线法来确定二衬的施作时机， 首先对不同围岩类别选择典型断面分析围岩及初期支护的特征曲线，再由二次衬 砌的结构特征分析支护曲线，根据这两条曲线、变形值以及工程类比就可以分析 确定二衬施作的合适时机。 ( 5 ) 根据已有的施工监测断面，选择两个有代表性的断面，长期量测初衬及 二衬之间的接触压力，监测时间在稳定以后一段时间，由此确定作用在二衬上的 荷载特征，在此基础上，进一步计算分析二次衬砌的结构内力，评价二衬长期荷 载作用下的可靠度。 ( 6 ) 不同围岩支护参数优化，优化范围：衬砌形状的局部优化、初衬及二衬 厚度的优化、锚杆的长度及布置优化、钢格栅的形式及间距优化等。 关键词：信息化施工；特征曲线；位移反分析；超前支护 分类号：晡输入分类号( 1 - 2 ) ，以分号分隔。】 a b s t r a c t a b s t r a c t ：i nr e c e n tt e ny e a r s ，t os a t i s f yt h en e c e s s i t yo fs o c i e t y , t h ee x t r al o n g h i g h w a yt u n n e lw a sd e v e l o p i n gr a p i d l y b e c a u s et h et u n n e ll e n g t hw a si n c r e a s i n ga n d t h eg e n l o g i c o lc o n d i t i o n sb e c a m em o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d ，w eh a v et ou s e i n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o na n ds c i e n c ec o n s t r u c t i o n ，a n dn e e de f f e c t i v ef e e d b a c kf r o m m e a s u r e m e n tw i t hn e ws c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i no r d e rt oi m p r o v et h ec o n s t r u c t i o n m e t h o da n de n h a n c et h ec o n s t r u c t i o ns p e e di nt e r mo fs a f e t ya n dq u a l i t y , w eu s e dt h e x u e f e n g s h a nt u n n e l 船b a c k g r o u n d ，m a d ef u l lu s eo ft 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 l s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a t i o n s ，e r e w er e s e a r c h e dt h em e t h o do fm e a s u r i n gt h e c o n v e r g e n c eo fs u r r o u n d i n gr o c kq u i c k l y , t h eb a c ka n a l y s i so ft h ei n i t i a lg r o u n ds t r e s s f i e l da n dt h ep a r a m e t e ro fm o u n d i n gr o c k , t h ee s t i m a t eo ft h es t r u c t u r es t a b i l i t y , t h e p r e s u p p o r ti nt h ew e a ks u r r o u n d i n gr o c kc o n d i t i o n , t h eo p t i m u mt i m et oc o n s t r u c tt h e s e c o n d a r yl i n i n gi nc o m p o s i t el i n i n g s , a n dt h eo p t i m u ma n a l y s i s o ft h es u p p o r t p a r a m e t e ro f d i f f e r e n ts u r r o u n d i n gr o c k t h em a i nr e s u l t sa r e 嬲f o l l o w s ： ( 1 ) w eb a c ka n a l y z e dt h ed e f o r m a t i o nd a t ao ft y p i c a lc r o s s s e c t i o no fd i f f e r e n t s u r r o u n d i n gr o c k ，a n dg a i n e dt h ei n i t i a lg r o u n ds t r e s sf i e l da n dt h em e c h a n i c sp a r a m e t e r o f s u r r o u n d i n gt o c k ( 2 ) w ea d o p t e dt h et h r e ed i m e n s i o nf i n i t ee l e m e n tp r o g r a mt oc a l c u l a t ea n d a n a l y z et h em e c h a n i c se f f e c ti n t h ec o n s t r u c t i o np r o g r e s s t h es u r r o u n d i n gr o c k s m e c h a n i c sp a r a m e t e ra n di n i t i a lg r o u n ds t r e s sf i e l dc a nb eu s e dt o g e t h e rw i t ht h er e s u l t o f t h eb a c ka n a l y s i sa n dt h eg e o l o g i c a ls u r v e yd a t a ，t oe v a l u a t et h es t a b i l i t yo f t h et u n n e l i nc o n s t r u c t i o n w ec h o s et h et y p i c a lc r o s s s e c t i o n ，o nb a s i so ft h em e a s u r ed a t ao ft h e s u r r o u n d i n gr o c k ss t r e s sa n dt h ec o n t a c tp r e s s u r eb e t w e e nt h ei n i t i a ll i n i n ga n dt h e s e c o n d a r yl i n i n g , a d o p t e dl o a d s t r u c t u r em o d e la n ds t r u c t u r e a n a l y s i ss o f t w a r et o a n a l y z et h es t a b i l i t yo f e a r l ys u p p o r ta n dt h es e c o n d a r yl i n i n g ( 3 ) t h er e s e a r c ho ft h ep r e s u p p o r ts t y l eo ft h ew e a ks u r r o u n d i n gr o c ki n x u e f e n g s h a nt u n n e lw a sm a i n l yc a r r i e do u ti nf o r mo fs t u d y i n gt h ep r i n c i p l eo ft h e p r e s u p p o r ti nt h e o r y , a d o p t i n gn u m e r i c a lm e t h o dt os i m u l a t et h em e c h a n i c se f f e c to f t h ep r e s u p p o r t s t u d y i n gt h ep r o - s o p p o r tc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yc o m b i n i n gw i t ht h e p r a c t i c eo f t h ec o n s t r u c t i o n ( 4 ) t a k i n gt h e t u n n e l ss u r r o u n d i n gd e f o r m a t i o n 勰t h ec o n t r o lc r i t e r i o n 。w e d e t e r m i n e dt h ec o n s t r u c t i o nt i m eo ft h es e c o n d a r yl i n i n gt h r o u g ht h ec h a r a c t e r i s t i c c u r v em e t h o d f i r s t l y , w oc h o s er e p r e s e n t a t i v es e c t i o nt oa n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c g a l r v eo f s u r r o u n d i n gr o c ka n dp r i m a r ys u p p o r ta c c o r d i n gt od i f f e r e n ts u r r o u n d i n g r o c k s ， t h e nw et o o ka d v a n t a g eo ft h es e c o n d a r yl i n i n gs t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i ct oa n a l y z e s u p p o r t i n gc i h v e 、i mt h et w oc u r v e s t h ed e f o r m a t i o nd a t aa n dp r o j e c ta n a l o g y , w e c o u l dd e t e r m i n et h eo p t i m u mt i m eo f t h es e c o n d a r y l i n i n gc o n s t r u c t i o n ( 5 ) b a s e do nt h eg o t t e nc o n s t r u c tm o n i t o r i n gs e c t i o n w ec h o s et w or e p r e s e n t a t i v e s e c t i o n st om & l s u l - et h ec o n t a c tp r e s s u r eb e t w e e np r i m a r ys u p p o r ta n ds e c o n d a r yl i n i n g i fi tk e p ts t a b i l i t yf o ral o n gt i m e ，w ec o u l dk n o wt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es e c o n d a r y l i n i n g ，s ow ec o u l dg e tt h ei n n e rf o r c eb yc a l c u l a t i o na n da n a l y s i sa n de v a l u a t et h e s e c o n d a r yl i n i n g sr e l i a b i l i t yu n d e rl o n gt e r ml o a da p p l i c a t i o n ( 6 ) 1 1 1 eo p t i m i z a t i o no fd i f f e r e n ts u r r o u n d i n gr o c kp a r a m e t e r sa n dt h er a n g eo f o p t i m i z a t i o n ：t h el o c a lo p t i m i z a t i o no fl i n i n gf o r m ，t h et h i c k n e s so p t i m i z a t i o no f p r i m a r ys u p p o r ta n ds e c o n d a r yl i n i n g ，t h eo p t i m i z a t i o no fa n c h o r sl e n g t ha n d d i s t r i b u t i o n , t h eo p t i m i z a t i o no f s t e e l 鲥d sf o r ma n di n t e r v a l ，a n d8 0o n k e y w o r d s ：i n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o n ；c h a r a c t e r i s t i c c u r v e ；d i s p l a c e m e n tb a c k a n a l y s i s ；p r e - s u p p o r t c l a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 导师签名： 签字日期：年月日 、1j 、谚朋 氆 铆 签n 叫， 者 m 雠岬 刘 瓤 沦 日 位 字 挚 整 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲 醇1 签字嘞砂7 年肛月7 7 日 致谢 本论文的工作是在我的导师谭忠盛教授的悉心指导下完成的，谭老师学术态 度严谨，对我们要求严格，跟着他我不仅学到了扎实的专业技能和科研本领，更 从他身上学到了对待工作认真的态度和一丝不苟的学术作风。值此论文完成之际， 谨向谭老师致以最崇高的敬意和最衷心的感谢! 王秀英老师不但在学习上辅导帮助，在生活中更是对我照顾很多，每每想起 犹感亲切! 在此向她表示深深的谢意。感谢杨松林教授在我做论文期间给我的细 致指导。 我还要感谢我的师兄吴金刚，师姐代忠梅对我学习和生活上无微不至的关怀， 感谢刘恒、张鹏两年多来一直与我同甘共苦、风雨同舟，感谢师弟唐陪连、张明 德、金建伟、周小宾、严竟雄、柴文书、袁慧、于青浩、倪鲁肃、李键，师妹李 云丽对我的支持和帮助。我要由衷感谢隧岩所的全体老师们对我们的教诲和指导， 感谢一路陪我走过的同学们，感谢北京交通大学为我提供的优越的学习环境和无 比珍贵的学习机会! 最后我还要感谢我的父母一直以来对我默默的支持，他们用辛勤的汗水、关 心、支持、开导、鼓励成就了我的求学之路。衷心祝愿二老身体健康! 1 1 问题的提出 1 引言 为适应经济发展的需求，我国正大力兴建铁路、公路、城市地铁等隧道工程。 随着交通需求量的日益扩大和隧道修建技术的发展，隧道的建设规模也越来越大， 由于隧道设计和施工技术的快速发展，国内外近年来修建了一批特长隧道。青函 隧道是目前世界最长的铁路隧道，长度5 3 9 k m ，此隧道跨越津轻海峡连接日本的北 海道和本州。海峡隧道是世界第二长的铁路隧道，跨越海峡连接英国和法国，长 度5 0 k m 。挪威的洛达尔隧道是世界最长的公路隧道，长度2 4 5 k m 。瑞士的圣哥 连隧道是世界第二长的公路隧道，长度1 6 3 2 k m ，连接瑞士的乌里州和提契诺州。 秦岭终南山特长公路隧道是亚洲及中国最长的公路隧道，长1 8 公引卜2 】。 按照交通部规划，从2 0 0 2 年起我国l o 年内将新建成4 0 万公里新路，“五纵 七横”国道主干线将贯通。1 0 年内，我国将再建设总长1 5 5 公里以上的公路隧道。 终南山隧道全长1 8 4 公里，长度居亚洲第一，世界第二；湖南雪峰山隧道长7 公 里多；西安汉中高速公路上穿越秦岭的三座特长隧道群总长3 4 公里，全线隧道总 长1 0 0 公罩。 为适应公路建设新形势，不断发展和提高公路建设的技术水平、吸取国内外 特长隧道建设经验，结合国内公路隧道建设实际，将公路隧道建设提高到理论一 经验一信息资料与计算机技术相结合的综合集成定量化十分有意义。 1 2 研究现状 1 2 1 隧道信息化发展的过程 在传统的“设计一施工”模式中，影响设计的因素众多复杂，如设计参数难以准 确确定以及设计方法不够完善等等，均影响着工程施工的质量和安全。此模式常 常使设计计算结果与实际工程状况产生较大差异。因此，充分利用施工过程中的 各项信息，对设计和施工进行动态调整及控制，进而保证工程施工质量及安全的 新型施工方法应运而生。这种利用施工过程中获取的信息指导施工的方法逐步发 展成信息化施工方法。 伴随大量隧道及地下工程的出现，隧道工程的理论和方法不断的进步，以及 北京交通大学硕士学位论文 科学技术的不断发展，工程建设中，人们逐渐认识到，工程地质勘察、设计和施 工形成系统化、信息化一体的思想非常重要。传统的隧道工程建设方法是地质勘 察为设计提供资料，设计仅为施工提供设计结果，不参与施工过程，造成工程地 质勘察、设计与施工脱节，其结果是工程事故、工程质量问题及工程造价的提高。 现代的理论和方法认为，隧道工程建设中，应该在施工前、后及过程中不断注意 地质条件与施工状况信息的收集，及时地反馈到设计并指导施工，达到工程建设 优化的目的，由此引入了信息化设计与施工理论和方法。若把传统隧道设计施工 方法比为静态方法，则信息化设计与施工方法为动态方法【“】。 隧道工程的基本特点是“地质环境复杂，基础信息匮乏”，因此，一种集设计、 施工、监测、反馈设计、施工于一体的“多级自优化”的隧道信息化设计与施工方法。 已成为推动隧道工程建设日趋规范、科学、合理的主导动力。隧道工程现场监测 是该方法得以广泛应用的关键，是从个体到群体解决隧道与地下工程力学、设计、 施工问题的一种重要手段和主要途径。只有实时获取到反映隧道围岩整体稳定状 态的各种信息，并及时分析、处理与反馈，才能真正反映隧道工程开挖过程的动 态变化，体现其“信息化”的特点 7 1 。 1 2 2 隧道信息化设计、施工方法 1 信息采集 信息化施工信息采集首先要确定信息采集项目。信息可分为施工前地质勘测 信息的采集、施工过程中的围岩和支护系统的力学行为的信息采集以及施工过程 中地质信息的采集。施工前地质勘测信息的采集包括工程地质、水文地质信息等。 施工过程中信息采集项1 7 1 选择应该能够直接反映围岩和支护系统的力学形态，而 且在采集技术上容易实施。对于软岩和硬岩，信息采集项目是不同的，要分别设 计采集的项目、测点布置、测试手段做出规划，并根据施工开挖进度情况，确定 每一观测项目的信息采集时间、密度和周期，还应该注意各项目信息采集的同步 性，以便分析对比，对特殊地层隧道信息采集项目应该进行添加。 2 信息处理 信息处理是采用反演分析法将施工监测到的岩土体的一些基础信息，通过计 算来求解岩土体的参数。其目的是把施工监测中采集到的新信息和资料以及由此 通过反演分析获得的结果反馈到设计中去，对施工设计提出改进性意见或修改方 案。 但是施工过程中围岩和支护系统力学行为信息由于施工等因素的限制，一般 具有时间和空间的限制，并且具有离散性，因此信息处理是信息化施工中的重要 2 i 引言 环节。表征围岩和支护系统性态物理量的全量是正确进行围岩稳定和支护系统可 靠性判断的依据。所谓“全量”就是指全断面形成后由于开挖引起该物理量的最终量 值。但是目前隧道工程中进行的量测一般不容易得到这个“全量”。主要困难主要是： 施工监测往往是在全断面还没有形成时在导洞或分步开挖断面中进行的；施工监 测往往在开挖面延伸到一定距离后才能进行，因此量测数据在空间和时间上的外 延对于信息化施工是十分必要的；施工中的量测一般只能取得过程中某一个时刻 中的量值，推断到最终值会有偏差，这种偏差有时可能会很大。 量测信息的空问外延。施工中量测数据一般为导洞或分步开挖量测的数据， 需要由局部信息及时推断到全断面形成后的围岩变形，以此作为判断围岩稳定性 和支护系统可靠性的依据。采用“一正一反”的方法。“反”，就是反分析技术，用于 局部或分步开挖采集的监测围岩位移反推初始地应力和岩体力学指标。“正”，就是 正分析技术，根据反分析获得的岩体力学指标和岩体环境参数，并且根据实际施 工方法，用有限元等计算方法，推求全断面后的位移信息。 量测信息的时间外延是根据某一个特定时段量测的信息推求最终的全量。量 测信息时间外延主要通过以下一些手段：利用三维有限元进行分析；利用流变理 论进行时效分析；利用统计数学的方法。 3 信息反馈 隧道稳定问题主要是一个岩土体结构问题，应力状态则是通过岩土体结构的 力学效应而表现出来的，因此，一方面通过观测或量测围岩的应力状态可以认识 岩土体结构，另一方面，可将由反演分析得到的岩土力学参数，应用于稳定分析 计算。评价隧洞围岩的稳定性，实质就是分析洞室围岩在工作过程中的应力和变 形。对埋深大、围岩完好的隧洞，研究重点放在对围岩承载能力的研究上，以围 岩实际的应力水平来作为围岩稳定的判据；对埋深浅、围岩较破碎的隧洞，研究 重点应放在对围岩能允许多大位移的研究上，以围岩实际的位移多少来作为围岩 稳定的判据。通过对围岩稳定性的分析，一方面以此来指导工程的后续旋工，采 取合理的支护措施，以最小的代价获得最合适的安全程度；另一方面可以为类似 地质条件的工程提供第一手可靠的经验资料阻。 1 2 3 隧道信息化设计、施工的技术流程 隧道的信息化设计与施工思路可以概括为图1 1 。与地面工程不同的是，在隧 道的设计与施工过程中，勘察、设计、施工等环节允许有交叉、反复。在初步地 质调查的基础上，根据数值模拟分析、经验或力学计算进行预设计，初步选定支 护参数；然后，在施工过程中根据监测得到关于围岩稳定性和支护力学、工作状 3 北京交通大学硕士学位论文 态的信息，对初步设计和施工过程进行调整。大量的工程实践表明，对设计和施 工所作的调整和修正十分必要。 利用微机实时采集工程结构的变形、内力等数据，每天比较观测值和管理值， 监测工程的安全性以及是否与管理值相差过大。利用观测结果推算设计参数，根 据新的设计参数计算分析。判断现场施工阶段工程结构的安全性并预测以后施工 阶段结构的变形及内力。根据预测结果调整设计方案，必要时改变施工方案，重 新进行设计。 信息化旌工技术与原有的计算模型、计算方法相结合，充分发挥各自的长处。 以施工监测和信息反馈为显著特征的信息化设计，是将监测技术、力学计算及经 验评估等结合成体的设计方法。监控量测在信息化设计施工中的作用如图1 2 所 示。 与其它方法不同的是信息化设计要求在施工过程中布置监测系统，从围岩的 开挖和支护过程获得围岩稳定性和支护设施工作状态信息。通过分析研究这些信 息，可以间接地描述围岩的稳定性和支护的作用，以确定新的围岩及支护参数， 并反馈于设计和施工决策。在隧道信息化施工过程中。量测信息可以作为输入量 反演计算围岩的物理力学参数来检验地质信息的正确性，并利用反演分析求得的 围岩力学参数，应用有限元、有限差分等数值计算方法对工程施工过程围岩稳定 性进行分析计算，进而指导工程的后续施工。 4 i 引言 图1 1 信息化施工监测管理过程 图1 - 2 监控量测在信息化设计施工中的作用 信息化施工必须解决三个问题：( 1 ) 信息化施工的系统性和完整性，有关实 5 北京交通大学硕士学位论文 旌方法细则和支持软件的提供；( 2 ) 在信息采集、处理和反馈方面，引入现代先 进的科技手段，包括软件( 信息采集和传输系统) 和硬件( 信息采集和通讯设备) 的研究。( 3 ) 解决可操作性和实用性问题，便于推广应用”。习。 1 3 本文研究的内容及方法 1 3 1 研究内容 本文在广泛调研中外有关特长隧道施工方法及信息化施工技术研究的文献基 础上，以雪峰山特长公路隧道工程为背景，主要对信息化设计，施工技术在特长 公路隧道旅工中的运用及发挥的指导施工的作用进行研究分析，主要研究内容： l 隧道施工监测快速量测方法研究 ( 1 ) 隧道施工监测方法的调查； ( 2 ) 隧道变形收敛快速量测方法及数据库管理系统。 2 隧道围岩稳定性分析研究 ( 1 ) 隧道初始地应力场及围岩参数的反分析； ( 2 ) 隧道施工过程三维力学分析与支护结构稳定性评价。 3 隧道施工技术研究 ( 1 ) 软弱围岩条件超前支护加固措施研究； ( 2 ) 复合式衬砌中二次衬砌合理施作时机； ( 3 ) 围岩压力长期荷载分布特征； ( 4 ) 不同围岩支护参数优化分析研究。 1 3 2 研究方法 通过实验和现场监测，得到围岩和支护结构的参数和数据，通过一些理论分 析，将有限元软件作为主要的计算工具，快速有效地将分析结果反馈到施工中去， 达到互动式的信息化施工。 6 l 引言 1 4 雪峰山隧道工程概况 1 4 1 地质概况 1 工程地质概况 据区域地质资料及勘察成果反映，隧道区内主要经历了四次大的构造运动， 即雪峰运动、加里东运动、印支运动及燕山运动，形成了一系列褶皱和断裂构造， 且具有继承性和多期活动性的特点，但自燕山运动以后，区内地壳主要表现为以 上升为主的差异性升降运动，构造运动微弱，断裂未见复活迹象，目前均已稳定。 隧道区域地层岩性主要以变质砂岩及硅化砂质板岩为主，属海相沉积岩。场 区内有两个较大的褶皱：山顶倒转背斜及王公店锅塘冲倒转向斜，其中山顶倒转 背斜的核部构成山脊。另外场区内发现对隧道有影响的断裂共有7 条，其中f 2 总 宽度达1 4 0 2 1 0 米，f 5 总宽度达1 0 0 1 2 0 米，均为区域性大断层，对隧道设计 施工存在一定影响。 隧址区浅埋段地层岩性主要有第四系( q ) ：皿粘土、碎石块石土、漂石土等： 和震旦系江口群长滩组( z c ) ，以变质砂岩、硅化砂质板岩基岩为主。浅埋段构造 主要表现为f 8 和f 2 断层，其对隧道浅埋段有非常大的影响。 2 水文地质条件 隧址区内的地下水按其赋存的介质可分为如下几种。一是覆盖层中的孔隙水， 主要赋存于碎石士中，主要靠大气降水补给；二是基岩裂隙水，区内基岩主要为 变质砂岩及硅化砂质板岩，地下水主要赋存于全弱风化基岩中；三是构造裂隙 水，其主要是断层带内的裂隙水和褶皱核部的裂隙水。对隧址区内地下水埋深的 长期观测表明：地下水位与降水关系密切，随降水量的增大，地下水位升高；地 下水位波动幅度与地形关系密切，平缓地段波动幅度小，地形切割强烈的地段， 波动幅度大。山脊背斜核部为不透水或弱透水，王公店一锅塘冲向斜核部地势较低， 地震反映在向斜核部存在低速异常的破碎带，甚低频测试反映该段低阻异常在该 区段最强，推测可能为区内赋水最强的区域，地面调查该段节理发育，且多为密 闭。 1 4 2 隧道设计、施工概况 邵阳至怀化高速公路是国家重点建设的“五纵七横”国道主干线中上海至瑞丽 高速公路的一段。雪峰山隧道为邵阳至怀化高速公路上最大的控制工程，是目前 全国最长的公路隧道，隧道的开通可缩短公路里程约3 0 k m ，大大节约运营费用。 7 北京交通大学硕士学位论文 雪峰山隧道位于邵阳市、怀化市两市交界处，穿过雪峰山主脉。隧道进口( 邵 阳端) 距邵阳市洞口县江口镇约3 k m ，位于怀化市洪江市塘湾乡兰家村，出口( 怀 化端) 位于洪江市铁山乡小溪村。本隧道为上下行线分离的双洞隧道，左右洞长 度分别为6 9 4 2 5 6 m 、6 9 5 8 6 0 5 m ，平均长度为6 9 5 1 m ，按隧道分类属特长隧道。两 洞室净距在洞口段为2 0 m 左右，在洞身深埋段为3 5 m 左右。纵坡整体为一单坡， 纵坡坡度为0 9 3 8 ，在邵阳端洞门设计高程为5 2 0 m 左右，在怀化端洞门设计高 程为4 6 2 m 左右。在邵阳端均设置斜井，在怀化端设置竖井，见图l 一3 。 图1 ：隧道纵断露略翳 图1 - 3 隧道纵断面示意图 隧道左洞起讫桩号为z k 9 5 + 8 6 5 、z k l 0 2 + 8 0 7 5 6 ，右洞起讫桩号为 y k 9 5 + 8 6 6 3 9 5 、y k l 0 2 + 8 2 5 。隧道的最大埋深约8 4 0 m ，约5 0 的地段隧道埋深大 于4 5 0 m 。 洞身综合地质评价表明，本隧道以i 级围岩围主，约占8 5 ，极好的i i 级围 岩与极差的v 级围岩均较少。围岩级别见表1 - 1 。 表卜l 围岩级别长度 、方案名称 分段长度( m )所占比例( ) 围岩级别、 v 1 7 9 1 3 1 1 2 78 1 l l i8 9 6 6 6 4 5 3 6 3 02 6 1 合计 1 3 0 9 21 0 0 从表1 - 1 可知，隧道围岩较好，以i i i 级与i i 级围岩为主，m 级与i i 级围岩段占 隧道总长的9 0 6 。 雪峰山隧道，建筑限界净宽9 7 5 米、净高5 0 米，采用- - , l 圆曲墙式衬砌， 净空面积6 1 6 9 盯。其中1 级围岩段衬砌厚度4 1g i n ，开挖断面面积7 7 0 4 肝，i i 级围岩段衬砌厚度3 6c m ，开挖断面面积7 4 9 3 砰。 雪蜂山隧道是按新奥法原理设计、施工。新奥法是应用岩体力学原理以维护 和利用围岩的自稳能力为基点，将锚杆和喷射混凝土集合在一起作为主要支护手 8 1 引言 段及时进行支护，以便控制围岩的变形与松弛，使围岩成为支护体系的组成部分， 形成以锚杆，喷射混凝土和隧道围岩为一体的承重结构，共同支承山体压力。 本隧道设计采用的辅助施工措施有：超前长管棚、超前自进式锚杆、超前砂浆 锚杆、地表砂浆锚杆以及洞室周边注浆等。 超前长管棚设置于较长距离为地质较差的洞口浅埋地段，采用m 1 0 8 6 m m 热 扎无缝钢管，管内以m 3 0 水泥砂浆填充。为保证钻孔方向以及成洞面稳定，在明洞 衬砌外设置了长2 o m 厚6 0 e r a 的c 2 5 钢筋混凝土套拱。只有在长管棚施作完成后 才能开始进洞开挖。 超前自进式锚杆主要用于地质条件稍好的洞口段以及v 级围岩的洞身地段。 洞口超前自进式锚杆一般采用也3 2 中5 2 的杆体，环向问距4 0 6 0 e r a ，一次性施 作1 0 2 0 米，并在洞口施作5 0 5 0 c m 的套拱，以充分保证成洞的安全；洞内白 进式锚杆一般采用中2 5 中3 2 的杆体，环向间距3 0 5 0 c m ，一次性施作5 8 米， 在掌子面超前施作后可以为后续初期支护的施工提供足够的时问和安全保护。 超前砂浆锚杆设置在隧道中问的i i i 围岩地段。锚杆采用直径2 2 m m ，长3 5 0 c m 的2 0 m n s i q b 2 2 钢筋环向间距约4 0 c m 。 1 浅埋地段 本隧道为单向双车道，最大开挖宽度达1 2 0 8 m ，在洞口浅埋地段采用节长3 m 、 6 m 的中1 0 8 6 m m 热扎无缝钢管，环向间距4 2 c m ，纵向连接钢筋设置于衬砌拱部， 管心与衬砌设计外轮廓线i 日j 距大于3 0 c m ，平行路面中线布置，同时还采用了地表 砂浆锚杆和洞室边注浆稳定边坡的办法。 2 一般地段 初期支护为主要承重结构，对于i i 级围岩，由工字钢拱架( 或钢格栅) 径向锚杆、钢筋网及喷射混凝土组成，对于、i i 级地段则由径向锚杆、钢筋网 及喷射混凝土( 或钢纤维喷射混凝土) 组成。主洞各类复合衬砌支护参数见表1 。 9 北京交通大学硕士学位论文 表卜2 复合衬砌支护参数 衬砌围岩 初期支护 二次衬砌备 类型级别 锚杆钢筋网喷射砼 钢拱架 ( c 2 5 )注 浅 埋 v双层中8 c 2 0 喷射 1 8 工字钢拱部4 5 c m地 s 2 a d 2 5 中空注浆锚杆 浅埋钢筋网砼厚2 6 c m间距7 5 c m仰拱4 5 c m 质 偏 差 双层0 8c 2 0 喷射1 6 工字钢深 s 2 bv d 2 5 中空注浆锚杆拱部4 5 c m 钢筋网砼厚2 4 c m间距7 5c n l 埋 2 0 m n s i 中2 2 早强双层中8c 2 0 喷射m 2 2 格栅间拱部4 0 c m 地 s 3 ai v质 药卷锚杆l = 3 m钢筋网砼厚2 2 c m 距1 0 0c n l 仰拱4 0 c m 差 地 2 0 m n s i 中2 2 早强c f 2 5 喷射拱部4 0 c m质 s 3 bi v 药卷锚杆l = 3 m砼厚1 5 0 n仰拱4 0 e r a偏 好 2 0 m n s i 0 2 2 砂浆c f 2 5 喷射 s 4 a i i i拱部3 0 0 n 锚杆l = 2 5 m砼厚1 0 c m 高 y l 中2 5 预应力注c f 2 5 喷射 地 s 4 bm拱部3 0 c m 浆锚杆l - - 4 0 m砼厚1 2 c m 应 力 2 0 m n s i 中2 2 局部 单层钢c 2 0 喷射 拱部3 0 c m s 5 i i 普通砂浆锚杆 筋网砼厚6 c m l = 2 5 m s j i 紧 急停 d 2 5 注浆锚杆 双层0 6c 2 0 喷射1 6 工字钢拱部4 5 c m 车带 l = 3 5 m 钢筋网 砼厚2 4 0 n间距7 5c m仰拱4 5 c m s j 2 紧 2 0 m n s i 0 2 2 普通c f 2 5 喷射 拱部4 0 c m急停 砂浆锚杆l = 3 0 m砼厚1 2 c m 车带 s j 3 紧 高 急停 i i i y l 0 2 5 预应力注中l o 钢c f 2 5 喷射 拱部4 0 c m 地 浆锚杆l - - 4 0 m筋网砼厚1 2 c m仰拱4 0 c m 应 车带 力 s j 4 紧 局部2 0 m n s i 中2 2 c f 2 5 喷射 拱部4 0 e r a 急停 普通砂浆锚杆 砼厚8 c m 车带 l = 3 0 m 1 0 1 引言 1 4 3 雪峰山隧道信息化设计、施工难点 根据雪峰山隧道的工程特点，遇到的主要难题为： ( 1 ) 施工监测和施工存在的滞后问题，由于爆破、施工及其他诸多人为因素 等的影响，现场监测往往滞后于施工开挖，不能及时快速地获取信息，有时甚至 未等到采集到信息，灾害已经发生，失去了隧道工程监测的意义； ( 2 ) 监测信息的反馈和信息应用存在滞后问题，隧道岩土工程监测信息一般 是以中间结果和最终报告的形式反馈给主管部门及施工单位，而监测的信息处理、 计算和分析往往还停留在人工分析计算上，这在很大程度上影响了信息的快速反 馈，未能起到及时根据反馈信息修改设计和指导施工的作用； ( 3 ) 隧道两端道口在雪峰山腹地深山峡谷间，地质、水文条件最为复杂。区 域地质资料及勘察结果反映，雪峰山隧道勘察区属侵蚀深切中山地貌：区内经历 了四次大的构造运动，形成了一系列由北向东延伸的褶皱的断裂构造，具有继承 性和多期活动性的特点；山内覆盖层中的孔隙水、基岩裂隙水、微透水，地下水 极为丰富，工程难度很大。使隧道初始地应力场及围岩参数的反分析、隧道施工 过程三维力学分析与支护结构稳定性评价存在很大的难度； ( 4 ) 如何保证在含水的i i i 级围岩、级软岩地质条件下实现快速施工和有效 提高特长隧道的通风效率，并满足隧道优质高效的建设要求。 1 4 4 雪峰山隧道监测方案的确定 根据雪峰山隧道信息化施工技术研究课题的要求，结合雪峰山隧道的结 构特点、施工方法及设计单位所提出的监控量测建议，拟订了监测项目和测试方 法。能较快地获取和分析围岩和支护信息。 1 围岩收敛快速量测方法 用非接触量测的方法，在规定精度限差内对隧道围岩变形进行监测、分析和 预报的实用系统，快速、实时地获取信息，并对信息进行快速的综合分析、管理 是隧道围岩变形监测急需解决的问题。观测点上安装反射膜片，( 膜片贴在专用保 护盒内) ，对隧道断面上所布置的测线进行快速量测，监测其长度随时间的变化， 以计算和分析围岩变形的大小和趋势，并做出围岩收敛变形预报。测量精度一般 要求在l m m 以内。 2 传统的监测方法 监控量测可以及时提供地下结构的变形和受力情况等信息，判断旌工工艺的 可行性，设计参数的合理性，提出更加恰当的施工方法和合理的支护措旌，实现 北京交通大学硕士学位论文 隧道信息化动态施工控制，达到既能安全快速施工，又能节省工程造价的目的。 根据规范要求，结合雪峰山隧道施工的实际工程情况，开展了现场监控量测工作。 必测项目包括：地质和支护观察、周边收敛量测、拱顶下沉量测、锚杆内力量测； 选测项目包括：地表下沉量测、围岩内部位移量测、围岩与喷射混凝土间接触压 力量测、喷射混凝土与二次衬砌间接触压力量测、喷射混凝土内应力量测、二次 衬砌内应力量测、钢支撑内力量测。必测项目量测方法简单，量测密度大，量测 信息直观可靠，贯穿在整个施工过程中。 现场监控量测工作根据隧道工程的实际进展开展，在隧道的施工中，及时根 据围岩变化情况埋设量测断面，尤其对围岩稳定性差、易发生塌方事故的地段， 在同一断面埋设选测和必测项目，便于各量测项目进行相互对照、印证，全面分 析围岩的变形和支护结构的受力情况，对围岩和支护结构的稳定性作出准确的判 断。 图l - 4 必测项目测点布置示意图图l - 5 选测项目测点布置示意图 3 监测控制基准值 ( 1 ) 根据最大位移值进行施工管理 根据现有规范锚喷衬砌和复合式衬砌初期支护的允许洞周水平相对收敛值， 应根据围岩地质条件等因素和现场量测结果分析确定。按照表3 6 、表3 7 进行 量测管理和指导施工。 表1 3 隧道周边允许相对位移值( ) 覆盖层厚度( m ) 围岩级别 3 0 0 i n0 1 0 - - o 3 0 o 2 0 田5 00 a o 1 2 0 o 1 5 加5 00 4 0 1 2 00 8 0 一2 0 0 v 0 2 0 - - , 0 8 0o 6 0 1 6 01 o o 一3 0 0 注：相对位移值是实测位移值与两测点距离之比，或拱顶位移实测值与隧道宽度之比；脆性 围岩取表中较小值，塑性围岩取表中较大值；本表所列数值可在施工过程中通过实测和资料 累计作适当修正。 1 2 1 引言 表1 - 4 位移量测数据管理等级 管理等级管理位移值施工状态 i l i u 2 u , v 3应采取特殊的措施 注：u 为实测位移值；u n 为最大允许位移值。 ( 2 ) 根据位移速率进行施工管理 1 ) 当位移速率大于l m m d 时，表明围岩处于急剧变形阶段，应密切关注围岩 动态： 2 ) 当位移速率在l 加2 m m d 之间时，表明围岩处于缓慢变形阶段； 3 ) 位移速率小于o 2 m m d 之间时，表明围岩己达到基本稳定，可以进行二次 衬砌作业。 ( 3 ) 根据位移时态曲线进行施工管理 1 ) 当位移速率很快变小，时态曲线很快平缓，表明围岩变形趋于稳定，可适 当减弱支护： 2 ) 当位移速率逐渐变小，即d 2 “d t 2 0 ，时态曲线出现反弯点，表明围岩已处 于不稳定状态，应停止掘进，即使采取加固措施。 ( 4 ) 二次衬砌的施作条件 1 ) 各