陈建勋黄土隧道支护设计与关键施工技术济南PPT课件.ppt

黄土隧道支护设计与关键施工技术 长安大学陈建勋教授 2017全国桥梁与隧道建设关键技术创新成果研讨会 1研究背景2黄土隧道变形规律3黄土隧道支护结构设计4黄土隧道施工技术5工程应用6结束语 1研究背景 全世界黄土分布约有1300万平方公里 占陆地面积的9 3 黄土分布 黄土主要分布在北半球的中纬度干旱及半干旱地带 南半球分布在南美洲一些国家和新西兰 中国是世界上黄土分布最广 厚度最大的国家 面积约64万平方公里 主要分布在陕西 山西 宁夏 甘肃 青海等五个省区 黄土地区沟壑纵横 梁峁起伏 地形条件复杂 交通建设必然会遇到大量的黄土隧道 黄土 loess 是第四纪沉积物 与岩石地层相比 具有典型的工程特性 垂直节理发育 多孔 结构疏松 密度低 未扰动时强度较高 遇水易崩解 剥落 多具湿陷性 初期支护侵限 净空不足 洞内坍塌 地表开裂 常见工程问题 衬砌开裂 极易侵限 都是变形惹的祸 可见 岩石隧道的修建技术不完全适用于黄土隧道 浅埋时不易形成承载拱 洞内塌方 衬砌开裂 十黄九裂 地表开裂 深埋扰动区域大 初期变形速度快 变形量大 二次衬砌施作时机不当 控制变形 黄土隧道变形规律 基础 施工 锚杆的作用 设计 初期支护结构型式 黄土隧道施工方法 机理 黄土隧道主要的研究问题 10 2005年以来长安大学课题组长期致力于黄土隧道修建技术研究 2黄土隧道变形规律 2005年对吴子高速公路32座黄土隧道两台阶法施工过程中的围岩变形进行了现场测试 1 在黄土隧道台阶法施工过程中拱部沉降值远大于净空收敛值 并且开挖初期变形量约占总体变形量的60 70 左右 因此 控制拱部沉降尤其是初期拱部沉降是确保隧道结构稳定的关键 两车道黄土隧道变形规律 2 典型变形时态曲线 拱部沉降时态曲线 净空收敛时态曲线 13 从变形到稳定 黄土隧道的围岩变形大致经历了以下3个阶段 第一阶段是急剧变形阶段 开挖初期 第二阶段是持续增长阶段第三阶段即缓慢增长阶段在黄土隧道变形持续增长阶段 二次衬砌仰拱和边墙基础要紧跟 并及时进行仰拱回填和施作路面基层 增加结构的整体稳定性 两车道黄土隧道变形规律 3 测试数据回归分析 典型拱部沉降实测与回归时态曲线对比 黄土隧道围岩变形发展符合对数函数规律 由于对数函数具有发散性 故无法由此预估出围岩的最终位移 在已施作仰拱的情况下 变形速率显著变小 14 分析发现两车道黄土隧道初期变形急剧 变形量大 拱部沉降大于净空收敛 揭示了黄土隧道变形规律 提出以钢架为主体的刚性支护理念 拱部沉降值远大于净空收敛值 初期变形急剧 变形量大 控制早期变形 刚性支护 仰拱及时施作等 控制沉降变形 锁脚锚杆 扩大拱脚等 两车道黄土隧道变形规律 15 第一阶段 急剧增加 第三阶段 扩张变化 洞口浅埋段双侧壁导坑法 三车道大跨度黄土隧道变形规律 洞口浅埋段双侧壁导坑法 RK27 089 6断面右导洞净空收敛时态曲线 2009年在墩梁隧道 世界上开挖跨度最大的黄土公路隧道 埋设了22个变形监测断面 48条测线 166个测点 测试长达10个月 获得数据数万组 第二阶段 趋于平缓 1 隧道洞口浅埋段 双侧壁导坑法 RK27 076 3断面右导洞沉降时态曲线 右导洞 先行导洞 的最大收敛值大于左导洞 两者远大于主导洞 右导洞 先行导洞 的沉降值大于左导洞 两者远大于主导洞 16 符合反正切函数 三车道大跨度黄土隧道变形规律 洞身深埋段三台阶法 LK26 233断面拱部沉降空间曲线 2 隧道洞身深埋段 三台阶法 LK26 264断面净空收敛空间曲线 LK26 233断面拱部沉降空间曲线 上台阶处收敛速率比最大开挖线处快 最大开挖线处的最终收敛值约为上台阶处的3倍左右 随着掌子面距离增大 拱部沉降值持续增大 增速放缓 三台阶法施工隧道沉降曲线符合反正切函数 17 3黄土隧道支护结构设计 黄土隧道支护结构的思考 20世纪70年代至80年代末 主要为单线铁路隧道 大量的试验研究结果表明 锚杆在喷锚支护结构中起着重要作用 复合式衬砌代替了以往的整体式衬砌 跨度小 断面小 初期支护 锚杆 喷射混凝土 钢筋网 19 20世纪90年代以来 大断面隧道和复杂地质情况增多 软岩隧道初期支护结构增设了钢架 隧道初期支护由钢架 喷射混凝土 钢筋网和系统锚杆组成 黄土隧道支护结构的思考 在钢架条件下系统锚杆支护效果如何 有两种观点 作用不大 可以取消 有重要作用 理应设置 无系统研究 在学术界和工程界存在很大争议 20 1引言 随着我国公路隧道建设的发展 隧道修建的规模越来越大 有时还会遇到穿越高含水量粘性土隧道 然而对于高含水量粘性土 其内摩擦力小 强度低 可塑性强 所以在施工过程中易发生安全事故 但由于高含水量粘性土隧道在国内所遇不多 其配套的支护技术并不完善 所以如何采取恰当的支护技术 将成为隧道界研究的问题 目前 建筑地基基础设计规范 GB500 07 2002 规定塑性指数IP 10的细粒土为粘性土 公路土工试验规程 JTGE40 2007 则规定塑性指数IP 0 73 wL 20 及IP 4时的细粒土为粘性土 这一划分标准基本上与英 美 德 日等国长期采用的卡氏 Casagrande 塑性图分类法相同 21 隧道洞口段浅埋偏压 系统锚杆穿出 22 隧道洞口段浅埋偏压 系统锚杆穿出 23 隧道洞口段浅埋偏压 系统锚杆穿出 24 1 黄土隧道支护施工工序开挖 初喷射混凝土 立钢架 挂设钢筋网片 安设锚杆 喷射混凝土达到设计厚度安设锚杆在架立钢架之后 所以钢架对围岩变形的制约 必然会影响到锚杆作用的发挥 黄土隧道支护结构的思考 施工存在的问题 25 锚杆不能及时径向施作 发挥不了锚固作用 2 黄土隧道施工多采用分部开挖 施工场地狭小 黄土隧道支护结构的思考 施工存在的问题 26 3 在黄土中锚杆施工成孔困难 注浆不易 影响工程进度 黄土隧道支护结构的思考 施工存在的问题 27 锚杆受力的计算分析难度很大 往往人为地假定锚杆支护的效果提高了围岩的弹性模量E 黏聚力c和内摩擦角 这在黄土中并不是很合理 相反往往由于打入了锚杆反而破坏了黄土的结构 降低了围岩的强度和稳定性 与岩石是有区别的 黄土隧道支护结构的思考 理论计算存在的问题 28 2005年在吴子高速公路32座黄土隧道现场埋设了11个测试断面 埋设测试元件980多个 测力锚杆47根 首次对两车道黄土隧道有 无系统锚杆条件下的结构力学状态和稳定性进行了现场对比测试及分析 结果发现拱部系统锚杆受压 锁脚锚杆 管 对控制隧道沉降作用明显 表明系统锚杆在黄土隧道中支护效果不显著 提出采用 钢架 喷射混凝土 钢筋网 锁脚锚杆 管 的新初期支护结构型式 即取消系统锚杆 增加锁脚锚杆 29 岩石隧道中锚杆作用机理 对现场测试发现的拱部系统锚杆受压问题 从土体的变形和锚杆与土体的锚固效果两方面分析了黄土隧道拱部系统锚杆的作用机制 悬吊作用 加固围岩 支承围岩 组合梁 钢架架设在围岩外侧 发挥被动支撑作用 属于外承式 而锚杆伸入围岩内部 利用围岩承载力 主动加固围岩 属于内承式 二者支护机理截然不同 浅埋黄土隧道拱部发生了整体沉降 锚杆并不存在锚固段 深埋黄土隧道开挖后土体产生了较大塑性区 目前短而密的系统锚杆也不存在锚固段 锚杆与土体采用水泥砂浆或药卷式锚固剂粘结效果差 黄土隧道锚杆锚固力很小 锚杆锚固于初期支护上 拱部系统锚杆受到了土体向下的摩阻力 相当于桩承受负摩阻力 因而拱部系统锚杆受压 黄土隧道中锚杆作用机理 锚杆作用机理 悬吊作用 加固围岩 支承围岩 组合梁 刚架作用机理 加强限制围岩变形 作为超前支护的后支点 承受部分松弛荷载 锚杆是伸入到围岩内部 产生相对位移 利用围岩自承能力 主动加固围岩 钢架架设在围岩外侧被动支撑作用 两者对隧道支护的机理截然不同 系统锚杆的作用机制 31 系统锚杆的作用机制 锚杆作用示意图 锚杆起到锚固作用的2个前提条件 锚杆与围岩要有良好的相互黏结有锚固段 黄土隧道锚杆拉拔力很小 往往只有20 30kN 锚固效果差 32 浅埋黄土隧道 地表会产生沉降或裂缝 拱部会发生整体沉降 拱部系统锚杆不存在锚固段 浅埋黄土隧道地表产生沉降 系统锚杆的作用机制 33 深埋大跨度黄土隧道 开挖后土体产生了较大松动区 目前以 短而密 为设置原则采用的系统锚杆 并未穿过松动区 锚杆亦不存在锚固段 深埋大跨度黄土隧道产生松动区 系统锚杆的作用机制 34 黄土隧道开挖后 周围土体要产生变形 主要包括 1 应力释放和土体扰动引起的弹性 塑性和松动变形 2 初期支护背部因回填不密实而诱发的土体沉降 3 采用型钢钢架支护后 其背部因喷射混凝土无法喷到位而诱发的土体沉降 4 施工扰动土体后期产生的压密沉降 5 地下水位线以下的隧道 因开挖而引起的水位下降 使部分饱和土体变为非饱和的欠固结土 从而引发次固结沉降 系统锚杆的作用机制 35 在初期支护施作后 相对于土体的后续变形 锚杆是固定不动的 所以在浅埋黄土隧道或塑性区大的深埋黄土隧道 拱部系统锚杆受到了土体向下的摩阻力 相当于桩承受负摩阻力 因而拱部系统锚杆受压 系统锚杆的作用机制 36 锁脚锚杆的作用机制 锁脚锚杆 管 稳定钢架示意图 黄土隧道采用台阶法施工 下半断面开挖时 钢架接头处于悬空状态 锁脚锚杆 管 使钢架在整个下半断面开挖和钢架安设过程中始终处于稳定状态 上台阶开挖 下台阶开挖 打设锁脚锚杆 管 37 锁脚锚杆的作用机制 钢架受力简化图 采用结构力学和弹性地基梁的方法 建立钢架和锁脚锚杆力学计算模型 拱脚的弯矩 拱脚的剪力 拱脚的轴力 38 锁脚锚杆的作用机制 锁脚锚杆受力简化图 锁脚锚杆剪力和弯矩分析图 微分方程式 围岩中锚杆体的竖向变形 转角 弯矩 剪力的表达式 39 40 技术创新 41 学术价值 提出的以钢架为主体的黄土隧道刚性支护理论 突破了以喷锚为主体的柔性支护岩承理论 实践意义 减少了工序 加快了进度 提高了安全性和结构稳定性 显著降低了工程造价 公路隧道设计规范 JTGD70 2004 第14 6 3条 铁路隧道设计规范 TB10003 2005J449 2005 第7 3 1条 日本 欧美等国家软弱地层隧道中 突破了现行国内外设计规范 传统衬砌结构型式 新的衬砌结构型式 42 4黄土隧道施工技术 根据黄土的特性和黄土隧道变形规律 提出了 快挖 快支 快封闭 二次衬砌仰拱 边墙基础紧跟 二次衬砌适时施作 的施工原则 强调快速开挖 快速施作初期支护 同时要增设锁脚锚杆 管 或扩大台阶拱脚 快速施作初期支护仰拱 尽早施作二次衬砌仰拱及边墙基础 当初期支护变形过大时 应及时加强初期支护或采取辅助加强措施 在初期支护作用下 围岩基本达到稳定时施作二次衬砌 保障了施工安全 保证了结构稳定 加快了工程进度 两车道黄土隧道施工技术 44 每循环0 6m 每天可完成2个循环 月最高进度42m 月平均进度36m 双侧壁导坑法 从控制沉降 工期 施工难易程度和造价等方面 对比分析了多种施工方法 提出了大跨度黄土公路隧道洞口浅埋段采用双侧壁导坑法施工 洞身深埋段采用三台阶七步开挖法施工 三台阶七步开挖法 每循环两榀 一榀0 75m 26小时可以完成两个循环 月最高进度80m 月平均进度76m 大跨度黄土隧道施工技术 45 公路隧道施工技术规范 JTJ042 94 第14 3条 公路隧道施工技术规范 JTGF60 2009 第16 3条 铁路隧道施工规范 TB10204 2002J163 2002 客运专线铁路隧道工程施工技术指南 TZ214 2005 第13 9条 提出了黄土隧道施工原则和施工技术指南 以上规范涉及黄土隧道的很少 几乎为空白 补充和完善了现行施工技术规范 攻克了黄土隧道变形大 易塌方 二次衬砌易早期开裂等技术难题 黄土隧道施工技术 46 5工程应用 该隧道为上下行分离式 上行线长1660m 下行线长1690m 天恒山隧道位于哈尔滨绕城高速公路 高含水率黏土隧道 5工程应用 48 5工程应用 最大埋深仅25m 最大开挖宽度16 8m 高12 1m 开挖面积163m2 可塑性强含水率高达16 63 30 90 三大工程难点 浅埋 大跨 大断面 高含水率可塑性粘土 49 成孔困难注浆效果差抗拉拔力低 高含水率粘性土层中锚杆施工困难 高含水率粘性土层锚杆成孔试验 有人形象比喻在高含水量粘土隧道中打设锚杆犹如 在豆腐里面插筷子 支护作用不大 5工程应用 50 原设计支护示意图 变更后设计示意图 51 5工程应用 2009年10月天恒山隧道建成通车 研究成果应用于该工程节省造价4137万元 并确保了工程如期完成 经济效益和社会效益显著 此外 成果还应用于多个重大隧道工程项目中 52 6结束语 6结束语 自2005年以来 历时12年 针对黄土隧道修建中的关键问题开展研究 主要创新成果如下 1 揭示了黄土隧道变形规律 提出以钢架为主体的黄土隧道刚性支护理论 突破了以喷锚为主体的柔性支护岩承理论 2 发现了黄土隧道拱部锚杆受压 首次开展了有无系统锚杆的对比试验 提出了采用