隧道改扩建关键技术问题的探讨

1 胡居义博士副研究员 隧道改扩建关键技术问题的探讨 2009 9 19 招商局重庆交通科研设计院有限公司 2009年全国公路隧道学术会议 2 一 研究背景二 隧道改扩建形式三 隧道改扩建的主要技术难点四 隧道原位扩建形式研究五 临近隧道爆破震动合理控制震速的研究 报告内容 3 一 研究背景 4 现有双向四车道乃至双向六车道公路隧道已不能适应交通量日益增长的需求 在原有公路隧道基础上改建或新建成双向八车道公路隧道的建设显得尤为迫切 经济发展 交通量日益增加 研究背景 5 目前正在紧张施工的福建泉州至厦门段高速公路改扩建工程 路线全长81 9Km 原为双向四车道高速公路 扩建为双向八车道高速公路 全路段共设大坪山隧道 苏厝隧道 山头隧道 大帽山隧道4座 需要改扩建成双向八车道隧道 研究背景 原大帽山隧道 6 大帽山隧道扩建方案 先进行新建四车道隧道的开挖 同时原隧道保持通车 由福建省交通规划设计院设计 7 苏厝 山头隧道扩建方案 原隧道 原隧道 新隧道 新隧道 研究背景 8 隧道改扩建原因 隧道建造年代久远老旧需要改建 隧道遭受如地震或边坡滑动等外力作用 需要维修补强或改建 隧道因运营或使用阶段需要而改建 如交通隧道的交通量增加或防灾设置增加 隧道采取分阶段施工 如隧道第一阶段因为紧急逃生需要修建 而后扩大为主隧道而引起的扩建 9 日本天王山隧道扩挖 老旧隧道扩挖日本大藏隧道扩挖关村坝隧道扩建 铁路隧道喇叭口扩挖 典型改扩建隧道实例 研究背景 10 大藏隧道是日本北九州国道高速4号线 为了满足日益增加的交通量的需求 将其中长170m的2车道隧道段扩挖成为3车道隧道 研究背景 1 侧壁锚杆补强 2 钢制防护板设置 11 3 拱顶管棚施工 4 上半断面扩挖 5 下半断面扩挖 6 侧壁锚杆及混凝土衬砌 12 7 钢制防护板撤离 8 仰拱衬砌施工 9 仰拱衬砌中央段施工 13 如此规模的隧道扩建工程在国内属首次 设计施工难度大 受福建省高速公路建设总指挥部委托 我院承担 福厦漳高速公路扩建工程 隧道扩建关键技术研究 项目的研究工作 研究背景 14 二 隧道改扩建的主要形式 15 双洞四车道隧道扩建成八车道隧道的三种形式 双洞原位扩建另增加两个两车道隧道 形成四洞小净距隧道群一个洞原位扩建 另再增一个四车道或两车道隧道 形成三洞小净距隧道群 16 扩建形式一 双洞原位扩建 17 扩建形式二 新增两个两车道隧道 18 扩建形式三 一个原位扩建 另再增一个四车道或两车道隧道 19 三 隧道改扩建的主要技术难点 20 隧道扩建形式的选择隧道原位扩建施工工艺及施工方法小隧道原位扩建成大断面隧道的围岩力学特性原位扩建对围岩的扰动及对原有隧道的影响扩建成小净距隧道群的相互影响爆破震动对已有隧道结构的影响临近隧道爆破震动合理控制震速的研究 21 四 隧道原位扩建形式研究 22 单洞原位扩建三种形式 单侧扩建 两侧扩建 周围扩建 23 以泉厦高速公路大帽山隧道为例 对IV V级围岩条件下三种不同的原位扩建形式下围岩的力学特性进行分析 24 原大帽山隧道内轮廓图 扩建后隧道内轮廓图 25 扩建隧道围岩 支护结构物理力学参数 26 计算模型 27 位移计算结果 单侧扩建 两侧扩建 周围扩建 V级围岩 拱顶最大下沉位移 8mm 5mm和5mm 最大水平位移 5mm 3mm和3mm IV级围岩 拱顶最大下沉位移 7mm 6mm和6mm 最大水平位移 2mm 2mm和2mm 28 从位移计算结果看 单侧扩建最大位移值最大 但从分布范围看 单侧扩建最大位移分布范围最小 因此 从位移角度出发 三种方案位移对围岩稳定性影响也基本相同 29 应力计算结果 单侧扩建 两侧扩建 周围扩建 V级围岩下三个方案围岩的最大主应力 1 分别为 0 954 0 098MPa 1 016 0 087MPa和 0 575 0 118MPa 最小主应力 3 分别为 2 639 0 075MPa 2 251 0 175MPa和 1 970 0 147MPa 围岩最大压剪应力 Sxy 分别为 0 481 0 475MPa 0 776 0 516MPa和 0 779 0 331MPa 可见 考虑围岩受拉破坏时 方案一好于方案二 方案三好于方案一 但方案三的受拉影响范围较大 因此 方案一优于其它两个方案 30 围岩屈服接近度计算结果 单侧扩建 两侧扩建 周围扩建 V级围岩下三个方案的屈服接近度最大值分别为1 353 1 502和1 346 其中方案一和三较方案二小 但方案一屈服接近度大于1 0的范围较小 31 小结 1 隧道原位扩建有单侧扩建 两侧扩建和周围扩建三种形式 三种形式扩建对围岩的影响是不同的 其施工方案也不同 2 从数值计算比较分析结果来看 单侧扩建方案要优于其它两个方案 3 从施工对原隧道围岩的扰动情况看 单侧扩建对隧道顶及一侧围岩扰动较大 两侧扩建对隧道顶及两侧围岩扰动较大 而周围扩建对原隧道周围的岩体均产生较大的扰动 4 在选择原位扩建形式时 应尽量选择单侧扩建的方案 32 五 临近隧道爆破震动合理控制震速的研究 33 先新建 后原位扩建 大帽山隧道施工工序 34 先新建一个四车道隧道 再原位扩建原两车道隧道成为四车道隧道 原隧道保持正常通车 如何保证新隧道爆破开挖期间原隧道结构安全 35 现行规范规定交通隧道爆破震动速度限值15cm s 存在的问题 1 规范没有考虑围岩条件 2 没有考虑支护结构自身的特点 3 没有考虑围岩与支护结构的协同作用 实际施工爆破震动测试表明 原隧道震动速度达到20cm s 25cm s时二衬却安然无恙 矛盾 36 本次研究中 根据不同的开挖方案和爆破震动药量 计算其在达到一定爆破震动速度时原二衬的应力分布情况 评价原隧道二次衬砌是否破损的依据 以混凝土的动极限抗拉强度 动极限抗拉Rld 2 2 1 5 3 30MPa 和动设计强度 轴心抗拉fctd 1 47 1 5 2 20MPa 为参考值 圈定其分布范围 同时把单位面积的荷载换算成药量 并与萨道夫斯基公式计算药量进行比较 37 IV级围岩段 采用CRD工法 施工方法 计算取样点 38 开挖左侧上台阶A 当使得原二衬最大爆破震动速度为15 57cm s时 按萨道夫斯基公式计算的单段爆破药量为8 0kg 爆破荷载曲线 速度 时间 39 MES 2 20MPa MES 3 30MPa 最大震动速度Vmax 15 57cm s时 二衬达到动极限强度的范围很小 位于隧道右侧边墙 靠近爆破震动侧 约占二次衬砌的1 达到动设计强度的有较小的范围 分布在原左隧道右边墙 约占二次衬砌的3 计算结果验证了规范关于交通隧道震动速度上限为15cm s的合理性 40 当使得原二衬最大爆破震动速度为20 76cm s时 按萨道夫斯基公式计算的单段爆破药量为9 82kg 和实际施加药量接近 爆破荷载曲线 速度 时间 41 当原左隧道二衬最大震动速度Vmax 20 76cm s时 二衬达到极限强度和设计强度的范围都有所增大 分布在隧道右边墙 分别占隧道二次衬砌的3 和6 已从二衬开始向外扩大到围岩 MES 2 20MPa MES 3 30MPa 42 当使得原二衬最大爆破震动速度为25 95cm s时 按萨道夫斯基公式计算的单段爆破药量为12 35kg 爆破荷载曲线 速度 时间 43 最大震动速度Vmax 25 95cm s时 原左隧道二衬达到极限强度和设计强度的范围进一步增大 分布在隧道右边墙 分别约占隧道二次衬砌的8 和15 已从二衬向外扩大到围岩 MES 2 20MPa MES 3 30MPa 44 当使得原二衬最大爆破震动速度为31 14cm s时 按萨道夫斯基公式计算的单段爆破药量为15 0kg 最大震动速度Vmax 31 14cm s时 原左隧道二衬达到动极限强度和动设计强度的范围进一步有所增大 分布在隧道右边墙 影响到二次衬砌的范围分别约占隧道整个二次衬砌的12 和20 已从二衬向外扩大到围岩 MES 2 20MPa MES 3 30MPa 45 同样 开挖左侧下台阶时 当原隧道二衬震动速度达到20cm s以上时 原左隧道二衬达到动极限强度和动设计强度的范围开始由二衬扩展到围岩 且随着震速的增加 范围迅速增大 46 小结 1 新建隧道开挖左侧上台阶时 原左隧道右边墙的爆破震动速度最大 最大爆破震动速度分别为15 57cm s 20 76cm s 25 95cm s和31 14cm s时 二次衬砌迎爆面达到动极限强度 3 30MPa 和动设计强度 2 20MPa 的分布范围分别约占隧道整个二次衬砌的1 和3 3 和6 8 和15 12 和20 2 隧道二衬爆破震动速度为15cm s时 原左隧道支护结构的最大平均有效应力达到衬砌混凝土动极限强度和动设计强度的范围很小 约3 左右 验证了规范控制值的正确性 同时可以看出 是否达到动极限强度和动设计强度除与震速有关外还与距离R有关 随着二衬处爆破震动速度的增加 支护结构达到动极限强度和动设计强度的范围由无到有 并逐渐增大 当隧道二衬最大震动隧道Vmax 20cm s时 隧道二衬达到动极限强度和动设计强度的最大范围分别占隧道二次衬砌的3 和6 并开始向围岩扩展 因此 大帽山新建隧道IV级围岩段采用CRD工法施工时原隧道二衬的爆破震动最大速度控制在20cm s左右比较合适 単段最大药量控制在10kg左右 47 III级围岩段 CRD工法 先行导洞A面积为30m2左右 先行导洞A面积为14m2左右 48 经过计算 采用方案一和二时 当数值计算所施加的爆破药量达到实际药量时 原左隧道二衬最大震动速度已达31 00cm s 二衬达到极限强度和设计强度的范围占隧道二次衬砌的15 和20 并从二衬向外扩大到围岩 MES 2 20MPa 49 当采用方案三时候 当原左隧道二衬最大震动速度Vmax 25 00cm s时 二衬达到极限强度和设计强度的范围占隧道二次衬砌的4 和7 并开始从二衬开始向外扩大到围岩 且计算所施加的单段爆破药量与实际设计接近 MES 2 20MPa 50 结论 1 临近隧道爆破震动合理控制震速应考虑围岩条件 结构支护参数等 并通过计算分析和实测结果综合确定 2 根据计算和现场测试结果 大帽山隧道IV级围岩段新隧道爆破开挖原隧道二衬控制震速可达到20cm s III级围岩段原隧道二