（市政工程专业论文）复杂地质条件下双连拱浅埋隧道施工技术研究及其应用.pdf

复杂地质条件下双连拱浅埋隧道施工技术研究及其应用 摘要 我国高速公路经过近二十年的建设，现已形成相当规模，并逐步由平原地 区向山区发展山区高速公路的建设由于设计要求和地形限制，不可避免地要 求修筑隧道工程对于那些布线匠难的短地段，采用连拱隧道形式，是一种解 决工程问题的有效手段，现己在许多高速公路上修建了连拱隧道。在连拱隧道 的建筑中，对施工工艺的研究，已越来越受到设计、施工和科研单位的关注。 本文依托北京福州高速公路安徽段铜陵至汤口( 黄山南大门) 高速公路 上的上坡双连拱隧道工程项目，上坡隧道是一座双连拱隧道，隧道全线浅埋， 受地质构造影响围岩松散，自承载能力差本论文以上坡隧道为研究对象，参 考国内外双连拱隧道施工成功的施工方法和工艺，采用工程类比方法并结合上 坡隧道的实际地质情况，系统地对浅埋、软弱围岩条件下的双连拱隧道施工技 术进行了探讨和研究，主要研究内容为；对双连拱隧道的施工方案从理论上进 行了分析，探讨了双连拱隧道的合理施工方案：采用弹性有限元理论，运用有 限元分析程序a d i n a ，对隧道施工过程进行模拟计算，主要分析了隧道施工过程 中围岩的应力分布、围岩变形状况；针对施工过程中出现塌方及病害。提出了 采用多种辅助施工方法治理，如超前预支护方法、注浆小导管、管棚工法等， 稳定了工作面，防止出现大的垮塌，保证施工的顺利进行；监测技术己经成为 了隧道建设的必不可少项目，论文将得到的现场量测数据进行分析处理反馈， 为隧道施工提供了科学依据，对现场施工方案的优化起到了重要的作用本文 所得结论对公路双连拱隧道的建设有一定的工程指导意义。 关键词：复杂地质条件双连拱隧道施工方案超前支护有限元现场监测 s t u d ya n da p p u c a t i o no fc o n s t r u e t i o nm e t h o do fd o u b l e m u l t i - a r d a1 、1 1 1 1 1 e li nc o m p l i c a t e dg e o l o g i cc o n d i t i o n a b s t r a e t i - i i g l a w a y si no u te o t m t r ya l r e a d yf o r m e dq u i t es c l i i t et h r o u g ht h en e a r l y2 0y e a r s c o n s l z i k ：t i o na n dg r a , l , , - i l yw e r eb u i l tf r o mt h ep l i a na r e at ot h em o u n t a i n o u s m b e l e a l t l s eo ft h ed e s i g nr e q u e s ta n dt h et e r r a i nl i m i t ，t h em o u n t a i n o u sa 吼 h i g h w a yo o n s 删o l t li n e v i t a b l yr e q u e s t st oc o l l s i l u c tt h et u n n e l t ot h o s ew i r i n g d i m e u l ts h o r tl a n ds e c t o r ，t h em u l t i - a r c ht u n n e li so n ee f f e c t i v em e t h o dt os o l v et h e p r o b l e m a tp l e n t ；al o to f m u l t i - a e l at u n n e lh a v eb e e nb u i l to nm a n yl a i g l a w a y 8 i n t h ec o n s t r u c t i o no fm u l t i - a r e l at m m e l ，m o a n dh i o i 略a t t e n t i o n 蛳p a i dt o c o - - o nm e t h o db yt h ed e s i g no r g a n ，t l a cc o m l z u e t i o no l g a na n ds c i e n l i t i e i n s t i t u t e t h ea r t i c l ek i s e do nt h es h a n g l d o u b l em u l t i - a r e l at u n n e lr o a dp r o j e c tf i l l a n l a u i r o n g l i n g t o r a n g l ( o u ( m e s o u t h g a t e o f m t i - u a n g ) s e c t i o n o f b 两i n g - f u z l a o t t e x p r e s s w a y t h es h a n g p oi sas h a l l o wb u r i e dd o u b l em u l t i - a r c ht u n n e l a f f e c t e db y g e o l o g i c a l8 l z u e t u r et h em r o t m d i n gr o c ki sl o o s ea n dh a sp o o l c a p a b i l i t yo fs u s t a i n l o a d s u s i n gt h et u n n e l 勰s t u d ) , 嘲e c ta n dc o n s l n l c t i o l l ll l l e l h o do fd o u b l em u l t i - n z e h t u n n e l 或h o m ea n dn b r o a dt h a tp r o v e ds u c c e s s f u l 豳r e f e r e n c e ，w i t h 蜘菩粥醯 g a n a l o g ym e t h o da n d $ h a n g p ot u n n e la c t u a lg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s t h ep a p e rd i s c u s s t h ec o n s t r u c t i o nm e t h o do f s h a l l o wb u r i e d d o u b l em u l t i a r c ht u n n e lo fs o i la n dw e a ks u r r o u d i n gr o c k m a j o rs t u d y s a y s ：a n a l y z i n g t h ed o u b l em u l t i - a a - e h e dt u n n e lc o n s t r u c t i o np r o g r a mt h e o r e t i c a l l y ； d i s c u s s i o no nt h ed o u b l e - a r c h e dt u n n e lr e a s o n a b l ec o n s l r u e t i o n p r o g r a m ；a d o p t i n g f l e x i b l ef i n i t ee l e m e n tt h e o r y ，s i m u l a t i n gt h et m m e lc o n s t r u c t i o np r o e e 鹳w i t hf i n i t e d e m e n ta n a l y s i sp r o g r a ma d n q a ；a n a l y z i n gs u r r o u n d i n gr o c k s 盈n 嬲d i s t r i b u t i o n a n dd e f o r m a t i o ni nt h ec o n s l r u c t i o np r o c e s s a g a i n s tc o l l a r , 鹳d i s a s t e r sa n do t h e r d i s a s t e r si nc o n s t r u c t i o np r o c e s s ，p r o v i d n gv a r i e t yo fs u p p l e m e n t a r ym c t l l o dt o c o n t r o it h eh a r mr e s u l t e df r o md i s a s t e r s ，s u c ha sa d v a n c e ds u p p o r tn l c t h o da n ds o0 1 1 u s i n gt h e s em e a , , 吼l l e c a l ll o r c v e t l tm a j o rm e l t d o w n ， a n de n s i l l t h es m o o t h c o n s t r u c t i o n - t h em o n i t o rt e c h n o l o g yh a 3b e c o l n e ! e s s e n t i a ll r o j e ai nt u n n e l c o n s t r u c t i o n d a t a so b t a i n e db ym o n i t o r i n ga l ea n a l y - l e da n df e e d e db a e l c a n dp r o v i d e t h es c i e n t i f i cb a s i sf o rt h et u n n e lc o n s t r u c t i o na n dp l a y 缸i m p o r t a n tp a r ti n o p t i m i z i n gc o n s t r u e l i o np r o g r e s s t h ee o n e l u s i o mf o r mt h ep a p e ra r ev e r yu s e f u lt o d o u b l em u l t i a r c ht u n n c lc o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：c o m p l i c a t e dg e o l o g i cc o n d i t i o n ；d o u b l em u l t i - a r c hn i m 旭l ；c 删坞岫吐伽 n 坞t h o d ：a d v a n c e ds u p l ) o r t ；f i n i t ee l e m e n tn l e t d a ( x l ；m o n i t o r i n g 插表清单 表2 - 1隧道平、纵指标概况一览表1 1 表2 - 2 内轮廓设计参数表l l 表2 - 3 隧道各类围岩复合式衬砌断面参数 1 5 表5 _ 1 边界条件的选择4 l 表5 - 2 计算参数4 6 表6 1 上坡隧道量测内容 表6 2 上坡双连拱隧道主洞量测断面及量测内容5 4 表6 3 上坡z k l 5 1 + 0 4 0 水平收敛变形速率5 5 表6 4 锚杆内力5 7 表6 5 围岩与初喷砼接触压力5 8 表6 6 钢拱架钢筋计受力 插图清单 图2-1上坡隧道地质平面图8 图2 - 2 上坡隧道地质纵断面图8 图2 - 3 明洞衬砌断面图 图2 - 4i 类围岩浅埋段衬砌断面图 1 2 1 3 图2 - 5t i 类围岩浅埋段衬砌断面图一1 4 图3 - 1 三导洞法施工工序示意图一1 7 图3 - 2 中导正洞台阶法施工工序示意图 图3 - 3 中导正洞全断面法施工工序示意图 1 8 1 8 图3 _ 4 上坡隧道施工方案图2 0 图3 - 5 上坡隧道二次衬砌施工图2 5 图3 _ 6 上坡隧道p v c 舫水板施工图 图4 - 1 围岩松散现状图 2 8 3 0 图4 - 2 封闭塌方掌子面效果图一3 1 图4 - 3 自进式注浆工艺流程3 l 图4 4 径向注浆管 图5 _ l 初始地应力场4 0 图5 2 解析区域一4 2 图5 3 在a d i n a 中输入初始地应力图示4 3 图5 - 4 有限元计算模型 图5 5 中导洞顶部围岩位移随时间变化图一4 6 图5 _ 6 右洞顶部围岩位移随时问变化图一4 7 图5 7 左洞顶部围岩位移随时间变化图4 7 图5 8 开挖中导洞围岩位移图4 7 图5-9开挖右导洞围岩位移图48 图5 - 1 0开挖左导洞围岩位移图4 8 图5 一1 1开挖右洞拱部围岩位移图48 图5 一1 2 开挖左洞拱部围岩位移图 图5一13开挖右洞核心土围岩位移图一49 图5 _ 1 4开挖左洞核心土围岩位移图4 9 图5 - 1 5中导洞围岩应力放大图5 0 图5 - 1 6开挖中导洞围岩应力图5 0 图5 - 1 7 开挖右导洞围岩应力图5 0 图5 - 1 8开挖左导洞围岩应力图5 l 图5 - 1 9 挖右洞拱部土体围岩应力图5 l 图6 - l 上坡z k l 5 1 + 0 4 0 水平收敛一5 5 图6_2上坡ykl51+040拱顶下沉一56 图6 3 上坡隧道监测断面示意图 图6 - 4 上坡隧道测力锚杆布置示意图表一5 6 图6 - 5 锚杆各测点随时问的变化曲线一一一5 8 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及取得的研 究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外。论文中不包古其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得合肥工业大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材科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谢意 学位论文 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金照王些太堂有关保留，使用学位论文的规 定有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅本人授权盒罂王些太堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 签字日期堋年。名月。毛日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：昴姥稚参) 黼龇话脚哆 签字日期：卟占月6 日 电话西一f 1 1 ￥p v 邮编。杉雨f 致谢 本论文是在王建国教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、展开到最后 的定稿，都付出了他大量的心血，他以广博的知识，严谨学风，富有创新的思 想方式，始终把握着研究的进程在论文研究阶段，不断精心提出修改和指导 意见。 导师扎实深厚的理论知识，严谨求实的治学态度，精益求精的敬业精神， 诲人不倦的良好风范，值得作者终生学习。在我的学习过程中，我还得到了王 教授在学业上不断的鼓励和工作上的大力支持，在论文完成之际谨向王教授 致以诚挚的感谢和崇高的敬意，王教授的敬业精神和治学态度，将使我终身受 益 本文的顺利完成离不开土木建筑工程学院许多老师和同学的帮助，在此特 别感谢方诗圣教授给予的支持与帮助。 感谢我的工作单位省路桥公司，尤其是王可武总经理、汪卫东副总经 理、彭申凯总工等领导一直以来对我的培养与关怀，感谢崔林钊、李祥、汪遵 彪、杜海峰等同事在论文研究工作中的帮助。 感谢父母的养育之恩，他们艰苦耐劳的精神、无私善良的品德、踏实敬业 的为人，是作者一生的榜样感谢爱人李燕一直以来的关心与支持。 感谢在我课程学习和论文撰写期间给予我帮助的所有同事及朋友。 盛明宏 2 0 0 7 年5 月8 日 第一章概述 1 1 连拱隧道概述 经过二十多年的改革开放，经济建设，我国的经济发展取得了举世瞩目的 成就，人民的生活水平得到了极大的提高；然而，我们不难发现，我国目前的 交通运输业已经滞后于国民经济的发展，制约了经济的发展，因此国家加大了 对基础设施特别是交通建设的投资力度，特别是西部大开发战略的实施，大量 的铁路、公路特别是高速公路正在或将要修建，其中公路隧道的建设会越来越 多在过去的公路隧道修建中，由于受旋工技术条件和水平的限制，双连拱隧 道很少被采用，更多的是修建两座独立的隧道。近年来，随着我国高速公路建 设的迅速发展，特别是隧道施工技术水平的不断提高，有鉴于双连拱隧道在平 面线路，洞口位置等选择上均较分修两座独立隧道优越，且自由度大，因此在 高等级公路隧道的修建中，人们更多她选择了双连拱大跨度隧道，且跨度越来 越大。而对于双连拱隧道，由于从受力的角度分析存在诸多不利因素，在设计 施工中都存在很大的难度目前，我国乃至世界范围内对双连拱隧道的设计与 施工都还处于探索阶段，可借鉴的工程经验很少，相应的施工技术和方法还不 完善。尤其是对于不良地质地段，施工条件复杂，不确定因素很多。还没有一 套完善、适用于双连拱大跨度隧道的旌工方法和配套技术因此，我们很有必 要在这方面做些探索性的工作，总结我国双连拱大跨度隧道的施工经验，研究 出一套适合于此类隧道的旆工方法和配套技术。 双连拱隧道的工程特点：双连拱隧道是在通过山势不高。级向长度较短， 横坡较陡，半径不大，公路上、下行线在此分不开的情况下，设置双跨连拱隧道， 其单跨断面为单圆心结构，边堵为曲墙，单跨净宽l o p 1 1 o m ，净高7 8 m - 8 o m ， 开挖断面为9 9 m - l o o m ，上下行线通过厚3 m 的钢筋砼中隔墙相连，初支护采 用工字钢( 正洞) 和钢花拱锚杆、挂网锚，喷砼与单跨隧道基本相同，二衬采 用钢筋砼结构，连拱腿道由于通过地段的地质条件特殊性，决定了其设计和施 工具有以下特点： 1 ) 埋深浅、长度短：因连拱隧道通过的地段一般山势较低，其最大埋深 在5 0 - - 8 0 1 左右，纵向长度在5 0 0 m 以下，在长度较大，山势较高一般不采用连 拱隧道，而采用上下行线分开的单拱隧道。 2 ) 偏压：连拱隧道通过的地段地势较陡，上下行线两侧埋深不同。整条 隧道也就不同程度的存在偏压，特别是洞口偏压严重，这给隧道施工带来很大 困难。 3 ) 由于埋深浅，双拱隧道一般地质条件复杂，围岩软弱破碎，节理发育 差。隧道内的水，受地表水影响较大雨季施工困难，给隧道施工的安全增加 了难度。 4 ) 跨度大：与铁路隧道相比，单跨公路隧道本身跨度就较大( 1 2 s i n ) ，两 个单拱隧道连在一起，其跨度是单拱隧道的2 倍达2 6 4 m 。相当铁路隧道车站的 跨度，而且结构复杂，施工非常困难。 5 ) 施工工序复杂，工序间相互影响大 双拱隧道的设计特点：偏压、跨度大决定其施工必须分多个步骤进行 各个工序相互影响很大，就要求双连拱隧道的施工必须要有科学合理的施工组 织设计必须要理清各个工序的先后顺序及相连关系，在施工过程中尽量减小 各施工工序之间的相互影响并根据施工中的实际情况灵活的调整，工序安捧保 证安全，优质，建好连拱隧道。 1 2 国内外双连拱隧道修建技术的现状 根据连拱隧道构造几何外形特征，其在工程上通常又称m 型隧道，是一 种新颖而结构特殊的隧道结构形式与双线隧道分修的双洞进出口各有较长的 连接引线，引起的土地征用增多、前后段路桥工程增加、洞身附属工程增加等 一系列问题，其综合造价较单跨结构低的特点，m 型隧道具有地形条件限制小、 线形顺畅、洞口设计选择性大、引线占地少、地下空问利用率高以及良好的经 济效益等特点，成为目前国内外在特定的地形条件下，修建公路隧道的理想选 择之一。 我国最早成型的公路连拱隧道是建于1 9 9 3 年的广州白云山三车道连拱隧道 【l l ，其跨度达到3 1 5 m 。连拱隧道的建造数量在我国发展迅猛，据不完全统计， 我国已建和在建的连拱隧道有2 0 0 余座，是世界上连拱隧道最多的国家。 在施工技术方面：公路隧道施工技术规范( j t j 0 4 2 9 4 ) 1 2 j 对隧道施工的具体技 术要求做了详细的阐述；王效良等 3 1 详细介绍了隧道新奥法施工的方法；卢耀 宗，杨文武 4 1 以莲花山大跨度连拱隧道施工方案为例，详细讨论了跳槽式开挖 中隔墙施工方法及u d e c 数值模拟结果；冯卫星，张映职 5 1 结合金竹林隧道的 具体情况，从总体施工方案，施工实施步骤和具体施工方法等几个方面介绍了 双跨连拱高速公路隧道的修建方法；汪汉生嘲结合云南元磨高速公路忠爱桥隧 道的施工实践，详细介绍了连拱隧道i i 类软岩浅埋段的施工工艺和施工方法： 赵三堆【7 】概述了广东江鹤高速公路莲花山双跨连拱隧首的施工工艺和操作要 点，并着重对中墙施工方法进行了阐述；汪俊民1 8 i 简要分析了围岩软弱地带的 双连拱隧道的施工方法，对“假拟洞门”的新观念作了探讨，井对工程施工过程 中可能和容易出现的质量问题提出了解决思路；蒲春平，胡占荣等1 9 1 结合有着 2 特殊地地形地质情况的五龙岭隧道。对这种具有大跨、浅埋、软弱不良地质和 偏压的隧道介绍了其施工方案、施工重点、监控量测等方面的一些基本经验； 咎成忠、熊四华掣1 川指出连拱隧道跨度大、施工过程中由于各工序互相干扰， 结构受力复杂，合理选择施工方案和开挖方法能明显降低临时支护成本，确保 隧道结构在施工及运营期间的安全i 唐亮【l 结合广西柳州市南二环路桐油山隧 道、银仔山1 撑隧道、银仔山2 确l 道双连拱隧道群旖工中采取的旄工技术方法， 对双连拱隧道施工方法进行了较为全面的分析、比较和总结，对不l 司施工方法 的采用提出了建议：徐林生1 1 2 l 结合近年来我国修建的连拱隧道实例，对该类隧 道断面形状与尺寸、工程措施、旌工方法、围岩稳定性与动态施工控制和防捧 水等设计、旌工关键技术问题作了较为详细的综述；马万权、程崇卧堞合近 年来我国修建的一批连拱隧道实例，对目前连拱隧道断面、工程措旄、施工方 法、围岩稳定性与动态施工控制和防捧水等关键技术问题作了较为详细的介绍； 郝景文【1 4 1 结合新原高速公路为保护古长城雨专门设置的白草口连拱隧道，对这 种具有浅埋、大跨、偏压的隧道施工中的一些关键环节进行了详细的介绍；陈 斌，左兴志【i 别以石梯沟隧道为例，就修建双连拱公路隧道过程中，如何进行开 挖断面约衬砌，防捧水施工，更有利于保证工程质量，施工安全及降低工程造 价等方面作了论述 在数值分析方面：潘昌实1 1 6 1 在书中详细介绍了隧道的力学数值方法；余晓 琳，黄小华等【1 7 j 使用弹塑性有限元方法对贵阳小关隧道双跨连拱隧道进行了数 值模拟计算，分析了支护结构与围岩在不同施工阶段的受力、变形及塑性区的 变化状态；赵玉光等【l 引针对广惠高速公路小金口双连拱隧道在不同施工方法下 围岩和隧道支护结构的力学问题，运用有限元的方对三导坑开挖法和上下台阶 开挖法进行了动态数值模拟，首次建立了在不同施工工序下围岩的应力场、位 移场，进而对这两种施工方法进行了比较，得出采用上下台阶法开挖的方案较 优：邓建等1 1 9 1 用同济曙光岩士及地下工程设计与施工分析软倒a o o o f b a 2 d ) ，对 某高速公路不等跨连拱隧道的施工全过程进行有限元模拟。得出隧道围岩应力、 围岩位移、初衬与二村的接触压力、中墙内力随施工过程的变化规律。研究表 明，大洞的拱顶最大拉应力是小洞的4 倍。不等跨效应十分明显外洞拱顶沉降 明显分为三个阶段小洞的初衬与二衬的接触压力要比大洞大，中墙内力随施工 过程变化显著；周玉宏等1 2 0 】采用a n s y s v 5 6 版有限元分析程序对连拱隧道可 能采用的施工方案进行了二维有限元分折。模拟了3 种开挖方案。获得了连拱 隧道在采用不同开挖方案施工时各阶段围岩的应力、应变状态以及隧道支护结 构中的内力变化情况；胡庆安等1 2 1 】利用a n s y s 程序对隧道的围岩、中墙的变 形、受力变化过程进行了三维有限元仿真分析，研究了双连拱隧道施工过程中 左右洞施工的相互影响、中墙的变形及其控制问题；林刚，何川i 丑i 以金丽温高 速公路二期工程里东隧道为工程背景，采用有限元法对温州端洞口段4 0 m 连拱 隧道进行了施工全过程三维数值模拟，得出了地层及地表在施工全过程中的沉 降分布规律与大小，并与l 2 0 的实物相似模型试验进行对比，提出了连拱隧 道施工全过程地层沉降变化规律与施工中应重点关注的区域；李凤刚田i 针对汾 柳高速公路离石隧道在不同施工方法下围岩和隧道支护结构的受力问题，运用 有限元程序a n s y s 6 1 对三导洞法和上下台阶法进行了动态数值模拟，建立了 不同篪工工序下围岩的位移场和应力场，并以此对这两种施工方法进行了对比 分析，得出三导洞法较优；壬伟等1 2 4 j 采用弹塑性三维有限元数值模拟计算分析 的方法，对桐油山隧道浅埋、偏压地段结构稳定性进行了模拟分析，主要模拟 了不同施工顺序对围岩及支护结构稳定性的影响，重点对连拱隧道整体衬砌中 的薄弱环节一中墙进行了分析结果表明：不管采用哪一种旅工顺序。中墙 均受偏压荷载的作用并向埋深较浅侧倾斜但是先开挖埋深较深一侧时，中墙 的受力和倾斜均较小，优于采用先开挖埋深较浅一侧的施工顺序；赵阳等 2 5 1 针 对一座浅埋偏压条件下的双连拱隧道，分别按三导洞先墙后拱法和中导洞法对其 施工过程进行了三维弹塑性有限元模拟分析计算结果揭示了该条件下双连拱隧 道村砌结构的受力和变形以及围岩的塑性区分布都具有明显的非对称特性，衬 砌内侧的拱部和内外侧仰拱承受了较大的拉应力而成为结构的薄弱环节，中隔墙 因在不对称水平推力作用下发生偏转成为影响衬砌结构稳定的关键因素，并在此 基础上对提高结构的稳定性提出了建议；王福柱等啪j | e 京地铁1 3 号线东直门区 间地层复杂松散，隧道设计采用了双连拱形式和浅埋暗挖的施工方法。文章采 用有限元法对该区段隧道施工过程进行力学模拟计算。得出浅埋双连拱隧道施 工过程中周围土体的应力情况和变形情况，为选择合理的施工方法提供理论依 据；陈秋南等【2 7 】分别对我国公路连拱隧道的设计理论、实施现场施工量测情况、 隧道动态施工力学分析研究作了一些综合概述，并针对目前连拱隧道设计施工 中存在的问题作了一些展望；贾永刚、王明年田j 通过有限元方法对渝怀线金洞 隧道出口段连拱隧道两种不同施工方法下的洞周位移、衬期支护的内力、安全 系数等进行了分析，得出一些有意义的结论：余健、何川网以浙江省某高速公 路连拱隧道为工程背景，应a n s y s 有限元程序对其施工全过程进行了研究， 得出隧道围岩、喷混凝土、锚杆、中隔墙的应力、应变、位移随旌工过程的分 布规律；申玉生等0 0 3 i 】结合广惠高速公路小金口双连拱隧道工程( 类围岩) ， 开展大型相似模型试验研究和有限元数值分析，阐述了双连拱隧道的内力样式 ( 二次衬砌的轴力和弯矩) 。得出双连拱隧道的两边墙脚、中墙底部和顶部的弯矩 值较大，尤其是中墙的受力特征将直接决定双连拱隧道围岩的整体稳定性的结 论，并通过弹塑性分析，指出了在施工过程中的围岩应力危险区域、围岩支护及 监控量测的重点和难点，为施工提出了警示信息：王胜辉等 3 2 1 针对筲箕湾连拱 隧道的开挖过程进行两种不同工序的模拟计算，计算中墙在两种不同开挖工序 下的强度、变形与稳定性，比较不同开挖工序对隧道中墙的影响：吴波等 3 3 1 结 4 合深圳地铁大一科区间预硝接口线隧道，建立了复杂的三维弹塑性有限元计算 模型，进行了三维动态仿真分析，从理论上探讨了所拟定的施工方案的合理性 和可行性 在施工过程优化方面：周玉宏、程崇国等1 3 4 1 采用a n s y s - v 5 6 1 版有限元 分析程序对云南元磨高速公路桥头隧道采用的施工过程进行了二维有限元分 析，对偏压连拱隧道旌工过程的优化进行了研究；丁文其等p 5 堵合具有浅埋、 大跨度、连拱的特点的龙山隧道，建立了连拱隧道施工动态有限元分析程序， 模拟三导洞法和上下台阶法开挖双连拱隧道的施工过程，并通过对拱项沉降、 地表沉降、中墙应力、围岩稳定性的分析，从施工工序与施工力学角度对2 种 麓工方法的优劣进行比较分析，使得实际隧道施工方案得到优化 在试验及施工监控方面：夏才初、李永胜 3 6 1 在书中详细介绍了隧道工程的 测试理论与检测技术；林剐、何川1 3 邢明通过相似模型试验，对h 、m 、级围 岩条件下采用三导洞法、中导洞半断面法和中导洞全断面法修建4 车道双连拱 公路隧道进行了研究。通过对试验结果的研究分析，提出了在不同级别围岩条 件下4 车道双连拱公路隧道安全、经济、合理的施工方法；刘招伟等1 3 9 | 详细介 绍了京珠高速公路某双连拱隧道采用三导洞超前法施工过程中变形的现场监测 结果与分析，提出了抑制变形的工程措施；王文通l 帅l 结合象山大跨四联拱隧道， 对隧道施工过程进行了监测及分析；肖红渠1 4 i l 介绍了在五龙蛉隧道施工过程中 开展的监测工作的主要内容以及对其导洞和正洞变形特性的分析；袁勇等1 4 2 1 针 对金竹林双连拱隧道设计了完整的现场监测方案，进行了详细的隧道支护体系 应力和拱顶沉降监测分析，并在此基础上对双连拱隧道的设计，施工提出了一 些建议；申玉生，赵玉光【4 3 】结合宜( 宾) 水( 富) 高速公路鞋底坡双连拱隧道施工过 程，通过对偏压连拱隧道的围岩变形进行现场监测与分析，获得了隧道围岩在地 层偏压条件下。各施工阶段的地表沉降、拱顶下沉和水平收敛情况，有效地控制了 隧道围岩变形；周玉宏、程崇国等胛l 讨论元磨高速公路桥头隧道现场监控量测 工作的目的及主要测量方法和分析结果，并通过和有限元计算结果相比较，初 步探讨监控量测在连拱隧道施工中的作用。 在施工过程中的病害处理方面：刘庭金等【4 5 】采用现场调查方法对云南省玉 元、元磨、大保和昆石4 条高速公路连拱隧道衬砌开裂、渗漏水等病害进行了 较为全面的调查，初步分析了隧道病害产生的主要原因并进行了相应的分类， 并据此提出了连拱隧道设计和旋工中其相应的病害预防和整治措施：王建秀等 州以云南元磨高速公路三公箐隧道为背景，结合隧道的裂缝监测工作，指出混 凝土温度、不均匀沉降、偏压荷载、不合理的施工工序均是双连拱隧道裂缝的 主要成因。 国外方面： 据文献报导】，双连拱隧道于1 9 7 4 年在日本伊祖隧道首次被采用，后来一 些欧美国家也先后建成一批连拱隧道，日本在建的第二东( 京) 名( 古屋) 及名( 古屋) 神( 户) 高速公路等重要干线和一些中心城市周边公路中兴建了大量的连拱隧道， 在1 9 9 3 1 9 9 8 年改建第二神明高速公路时修建了长达1 2 4 0 m 的小束山连拱隧道 到目前为止，日本已有连拱隧道3 0 余座 a t z l , g v 和m a y r , j i c o n 以及d 蜘峨a p 和b a s s e t t , r h 嗍介绍了希思罗试 验隧道，并进行了有限元分析；a d d e nb r o o k etl 等 4 9 1 建立单孔和双连拱隧道 的线性各向同性弹塑性模型、线性各向异性弹塑性模型以及非线性各向同性弹 塑性模型，并对隧道在这三种分析情况下的应力、应变状态进行了比较；s a k u r a i s 1 ，田对隧道实铡变形量进行了后分析，得到了一些有益结论lp k m n a r i s l j 在论文 中介绍了地下挖掘工程数值分析的无限元方法；kj s h 0 0 s 习介绍了地下挖掘工 程的非线性分析的三维混合边晃元法；c h a r l e sf a i r h u r s t ，j u e m i np e ij 妒3 i 对挖掘 工程的稳定性分析的离散单元法和有限单元法进行了比较；h a r r i sd l t s 4 1 对伦敦 滑铁卢车站隧道施工过程中的补偿灌浆进行地面和结构变形的观铡，研究了土 体一结构的相互作用。 1 3 本文的主要研究内容 上坡隧道是一座双连拱隧道，隧道全线浅埋，地质条件复杂，国岩松散， 且有两个断层贯穿隧道本文结合铜汤高速公路上坡双连拱隧道施工的实际情 况，选择对此类双连拱隧道的施工方法和工艺进行研究，探讨双连拱隧道的施 工方法，并运用有限元理论，对上坡隧道的旌工全过程进行理论分析，探讨影响 此类隧道结构稳定性的主要因素通过对塌方的处理，研究隧道不良地段的辅 助施工方法，如锚喷钢拱、超前锚杆、注浆小导管及管棚等工法的工作机理和 设计施工要点，总结塌方处理的方法，并对预防塌方等地质病害进行研究同 时，在施工中通过监控量铡手段辅助和确定下道工序时间和工艺，及时组织各 项方案的落实在确保方案安全的前提下，总结该类似隧道施工的有效方法， 为今后类似工程起到借鉴作用。 本文的主要研究内容如下： 1 双连拱隧道合理施工方案的研究； 2 双连拱隧道防水排水施工工艺； 3 上坡双连拱隧道地质病害处理方法及总结； 4 利用有限元法对隧道各阶段围岩应力进行分析； 5 隧道篪工监控量测数据分析及总结 6 第二章上坡连拱隧道设计情况 2 1 上坡隧道概况 上坡隧道是北京一福州高速公路安徽段铜陵至汤口( 黄山南大门) 高速公 路上的一座大跨度双连拱隧道，位于黄山市黄山区和平乡东约l k m 处，起讫桩 号k 1 5 0 4 9 6 9 k 1 5 1 4 0 8 1 ，全长1 1 2 m ，设计时速8 0 k m h ，隧道位于转弯半径为 1 2 4 0 米的圆曲线上，路面超高横坡为2 ，纵坡为0 6 8 隧道区属断褶侵蚀剥 蚀低山区，海拔1 2 0 0 1 7 7 4 2 m ，相对高差约5 7 4 2 m ，山脊走向北北东隧道 轴线与山脊近正交。轴线通过处最高海拔1 6 9 4 5 m ，隧址区地形坡度较踺，进口 段地形坡角3 0 。3 5 。，出口段地形坡角2 5 。3 0 。隧道最大开挖宽度为 2 4 1 7 m 。隧道全线均为浅埋，其中i 类围岩4 3 5 m ，类围岩6 0 m ，明洞8 5 m 隧道洞身采用复合式衬砌，以型钢、钢筋网片、锚杆、喷射混凝土为初期支护， c 3 0 防水钢筋混凝土为二次衬砌，在初期支护和二次衬砌之间铺设3 5 0 9 m 2 + _ t 布和1 2 m m p v c 防水卷材组成的复合式防水层。 2 2 工程地质及水文地质情况 l 、地层岩性； 隧址区发育的地层主要有：第四系松散堆积层和志留系下河沥溪组( s l h ) 薄 层状粉砂岩，具体岩性自上而下分述下： ( 一) 第四系松散堆积层 第四系全新统冲积角砾混粘性土( q a l ) 主要分布与进口沟谷处，角砾成 分主要为砂岩，粒径一般2 5 c m ，偶见块石，直径可达l m 左右，碎石含量4 0 5 0 ，分选性、磨圆度差，结构松散。第四系残坡积含角砾亚粘土( q 4 c l + d 1 ) 分布于隧道洞身山体中，厚度一般l 3 m 左右，呈松散结构。 ( 二) 志留系下统河沥溪组( s l h ) 灰绿色薄层状粉砂岩，细粒结构，产状1 3 5 。z 4 6 。，节理裂隙发育，属软 质岩。 2 、地质构造 隧址区地层为单斜构造，岩层产状1 3 5 。么4 6 。，褶皱构造不发育，隧址 区内的主要构造类型为断层和节理裂隙。在隧址区发现两条断层，其特征如下： 7 ( m 1 图2 1上坡隧道地质平面图 章。么黧熬、i | 惴： m ”捌 陡w m 1 疆地“ 鬯搿嚣黼“ 器： t ：嚣：? j ：嚣嚣菩：z 戤8 林。嚣等：器：1 i 。l t ，* ：；：鬟? 搿：；。“”“ 件 口 i t e m l t t 聃艇 _ 缸一i 捌n -t 由1 _ f i t s 一q ! i 健什l ；llllllii t l i l l l |2i ；i 喜ll 壮f t t l l t ， i鏊i !： 目 5 i 一 口_ 一 l t l - i l 图2 - 2上坡隧道地质纵断面图 8 f l 断层：产状3 5 。z 8 0 断层破碎带宽度4 8 m 左右，延伸长度大于l o o m ， 带内岩石破碎严重。、，】降1 5 1 9 0 0 m ，s ，位于隧道轴线左侧。 f 2 断层：产状1 8 0 。么4 8 。，断层破碎带宽度3 7 m 左右，延伸长度大于l o o m ， 带内岩石破碎严重，v 】p = 1 5 0 0 1 9 0 0 n 以，位于隧道轴线右侧。( 见图2 1 上坡隧 道地质平面图) 2 3 水文地质条件 隧址区属北亚热带湿润季风气候区，夏热冬暖，湿润多雨，四季分明，梅 雨期四十天左右。区域内太阳辐射总量分布一年之中夏季最多，春季次之，秋 季较少，冬季最少，多年平均气温1 5 2 - 1 7 2 。c 七、八月份气温最高，月平均 气温达2 7 - 2 9 。c ，一月份气温最低，月平均气温为2 6 - 3 5 。c ，全年平均降雨 量1 3 2 7 3 1 6 7 3 5 r a m ，多年平均蒸发量为1 2 7 0 4 9 m ，雨季多集中在3 7 月梅 雨季节，降雪期短，仅1 2 、l 、2 月偶有降雪，雪日较少，年平均只有1 2 天 风向多为东北到东北偏南，随季节变化，风向也不断变化，秋季常有台风末梢 波及，形成猛烈的强风及骤雨，每年至少有2 - 3 次。 隧址区植被发育，雨水易渗入残坡积土层中，地下水按赋存形式可分为第 四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。第四系松散岩类孔隙水含水岩组为含碎石 亚粘土，厚度较薄，易流失基岩裂隙水主要赋存于风化裂隙和构造裂隙中， 含水极不均一地下水流向严格受地形控制。主要接收大气降水补给，总体来 水隧址区地下水不发育，水量贫乏。 根据对钻孔内地下水进行水质分析，区域内地下水对混凝土没有结晶类、 分解类、结晶分解复合类腐蚀性，综合评定为无腐蚀性。 2 4 不良地质现象 隧址区主要不良地质为f l 、f 2 断层破碎带，断层破碎带内岩石破碎节 理裂隙发育，地下水相对集中，围岩稳定性差，对隧道围岩的稳定性有较大影 响，隧道开挖后由于应力重分布和爆破振动的影响，极易形成较大的坍塌，施 工时应注意控制爆破量，采用小药量、短进尺掘进，并做好止水，排水措施和 超前地质预报工作 2 5 地质水文条件对隧道稳定性的影响分析 ( 1 ) 隧道洞室围岩类别的划分 根据公路工程地质勘察规范、公路隧道设计规范规定的围岩分类方 法，隧道洞室围岩类别划分，主要考虑以下因素： 1 ) 岩性强度及岩性特征： 2 ) 围岩岩体的结构特征、结构面特征； 9 3 ) 围岩岩体的完整性、岩石质量； 4 ) 构造影响强度； 5 ) 地下水活动特性对围岩强度的影响； 6 ) 围岩岩体物理力学指标，弹性参数等等。 根据地勘报告提供的各类岩组的物理力学参数、岩体结构、结构面发育特 征及各项定性、定量成果资料分析，将全隧道围岩划分为i 、类两种围岩类 别，洞身工程地质评价详细见隧道地质纵断面图( 见图2 - 2 上坡隧道地质纵断 砸图) ( 2 ) 隧道洞室围岩稳定性评价 上坡隧道洞口段上覆第四系残坡积层，下伏基岩为强风化粉砂岩，洞身段 穿越强风化粉砂岩。隧道穿越f l 、f 2 断层破碎带，受构造影响严重，节理裂 隙发育，围岩稳定性差，易坍塌 上坡隧道全隧道均为浅埋，隧道开挖时，必须作好超前支护，以策安全进 洞，施工时若受剧烈震动或处理不当，拱部会出现大的坍塌，甚至冒顶，侧壁 易失稳，隧道旌工时应注意掘进速率的变化。严格按照设计及规范要求进行施 工，施工掘进过程中应加强监控量测，以确保施工安全。 ( 3 ) 隧道洞口稳定性评价 隧道进口段自然坡角近北向，坡角3 0 3 5 。，出口段自然坡角近正南向， 2 5 3 0 4 较薄，隧道轴线与山脊走向近于正交，隧道上覆较薄的残坡积层，下 覆基岩为强弱风化粉砂岩节理裂隙、风化裂隙极为发育，隧道施工开挖切削 原有山坡，破坏其原有平衡，会造成落石、掉块及坍塌，且易形成顺层滑塌， 施工时应尽量少破坏自然山坡，在洞口做好边仰坡防护，并且根据隧道地形地 质条件设置防水、捧水设旌，以确保洞口旌工安全，及在旌工时傲好超前支护， 以策安全进洞。 2 6 上坡隧道设计情况 2 6 1 隧道平纵横断面设计 ( 1 ) 平面线形设计； 隧道平纵方案主要由路线方案控制，具体隧道位置根据隧址区地形、地质 工程条件、环境、造价、功能等因素综合确定，在综合考虑线形指标及工程造 价的前提下，通过实地勘察，充分研究了隧道所处地域的地形，地质情况，主 要考虑隧道进、出口地形条件，隧址区工程地质条件、营运管理设施场地等因 素拟定本隧道方案 i o 上坡隧道位于整体式路基段，为连拱隧道，隧道位于曲线段 ( 2 ) 纵断面设计： 隧道纵断面设计综合考虑了隧道长度、主要施工方向、通风、捧水、洞口 位置以及进出、口接线位置等因素隧道平纵面指标见表l 表2 - - i 隧道平、纵指标概况一览表 隧道名称起讫桩号纵坡( )平曲线 上坡隧道 k 1 5 0 1 6 9 k 1 5 1 + 0 8 lq 6 8 0 曲线 4 4 0 ，0 ( 3 ) 横断面设计： 本隧道为上下行合建的四车道双连拱隧道，经过综合分析比较，内轮廓采 用承载能力较好的单心圆形式，边墙为曲墙，中墙为直墙。检修道放在行车道 右侧。隧道横断面组成具体如下： 限界净宽：9 7 5 m = ( 2 x 3 7 5 ) m 行车道+ 2 x o 5 m 路缘带+ 2 x o 2 5 m 余 宽+ o 7 5 m 检修道； 限界高度：5 0