韩家岭隧道施工组织设计

1、安徽理工大学毕业设计韩家岭隧道施工组织设计专业：矿山建设工程学生：陈冠泽指导老师：夏红兵教授论文摘要位于大连市普兰店境内的韩家岭隧道,是沈阳至大连高速公路改扩建过程中新建的大跨度四车道单洞公路隧道。隧道内轮廓线最大宽度为19.44m,最大净高为9.92m,该隧道的最大施工开挖宽度为21.242m,中轴线处开挖高度达15.52m,其开挖面积目前居国内单洞隧道之最,也是我国现在跨度最大的公路隧道。由于目前国内缺乏类似大跨度隧道的设计工程经验,而且现行的隧道设计规范也无法指导这样大跨度隧道的设计,如规范中推荐的“荷载一结构”计算模式和围岩松动荷载的确定等,都与新奥法(NATM)的设计理念和精髓有较大

2、的出入。因此,如何分析、解决韩家岭隧道在施工开挖、支护过程中围岩与支护结构的稳定性,就成为隧道工程设计和建设中的关键技术问题。本论文选题密切结合国家大型重点工程建设项目,论文中在查阅与分析了国内外有关隧道,尤其是大跨度隧道技术资料的基础上,通过地质勘察确定了隧道围岩的类别及一些必要的物理参数,确定了隧道在不同围岩条件下的结构尺寸和施工组织方案。最后采用摩尔一库仑破坏准则作为岩体进入塑性区的判据,利用ZD一。有限元程序,对处于W类地段的隧道围岩与支护结构的稳定性进行了线性弹性分析、计算。所得计算结果和有关结论为韩家岭大跨度隧道的设计及施工提供重要的参考依据。关键词:大跨度;隧道;围岩;支护;稳定

3、;数值模拟分析;有限元;线性弹性Han JiaLing tunnel construction organization designMajor:Mine Construction ProjectStudent:Chen GuanZeAdvisor:Professor HongBing xiaAbstract第一章1.1隧道工程的发展概况人类很早就知道利用自然洞穴作为住处。当社会发展到能制造挖掘工具时,就出现了人工挖掘的隧道。在我国最早有文字记载的地下人工建筑物,出现在东周初期(约公元前七百年。左传中有“掘地及泉,隧而相见”。最早用于交通的隧道为“石门”隧道叼。位于今陕西省汉中县褒谷口内,建于

4、东汉明帝永平九年(公元66年)。用作通道的还有安徽省毫县城内的古地下道汇4,建于宋末元初(约十三世纪),是我国最早的地下道。在其他古代文明地区有很多著名的古隧道,如公元前2180一2160年前后,在古巴比伦城幼发拉底河下修筑的人行隧道,是迄今己知的最早用于交通的隧道,为砖砌构造物。古代最大的隧道建筑物可能是那不勒司与普佐利(今意大利境内)之间的婆西里勃隧道习,完成于公元前36年,至今仍可使用。它是在凝灰岩中凿成的垂直边墙无衬砌隧道。约于公元七世纪,我国隋末唐初时的孙思邀在丹经一书中记载了黑火药的制法。1225年以后传入伊斯兰国家,十三世纪后期传到欧洲,十七世纪初(1627年)奥地利的工业家首先

5、开始用于开矿。1866年瑞典人诺贝尔发明黄色炸药达纳马特,为开凿坚硬岩石提供了条件。近代隧道兴起于运河时代,从十七世纪起,欧洲陆续修建了很多运河隧道。其中法国的兰葵达克(Languedoe)运河隧道,建于1666一2681年,长157米,它可能是最早用火药开凿的公用隧道。1830年前后,铁路成为新的运输手段。随着铁路运输事业的发展,隧道也越来越多。1895一1906年出现了长19.73km穿越阿尔卑斯山的最大铁路隧道。目前最长的铁路隧道己达53.85km。较为完善的水底道路隧道建于1927年,位于纽约哈逊河底(Holland隧道4)。在八十年代末,世界上的长大道路隧道(Zkm以上)和长大水底隧

6、道(0.5一2.okm)上百条,最长的位于瑞士中部芦塞恩湖南侧的圣哥达(St.Gotthard)汽车专用隧道幻,全长16.3km。目前,世界上的科技发展正在开拓着两个新的领域,一个是宇宙空间,一个是地下空间。由此看来,隧道工程将会在人类的社会生活中起着越来越重要的作用。隧道工程的施工技术也随着社会技术的进步而向前发展。古代一直使用“火焚法”和铁锤钢钎等原始工具进行开挖,直到上个世纪才开始采用钻爆作业,至今大约有一百多年的历史。在此期间发明了凿岩机,经过将近一个世纪的努力,发展成为今天的高效率大型多头摇臂钻机。和钻爆开挖法完全不同的还有两种机械开挖法,一种是用于软土地层的盾构机,发明于1818年

7、,经过一个半世纪的不断改进,己经从手工开挖式发展到半机械化乃至全机械化盾构,能广泛用于各种复杂的软土地层隧道的掘进,目前,我国城市地铁和越江隧道的施工基本大多采用盾构法。另一种是用于中等坚硬岩石地层的隧道掘进机(TunnelBOringM。、Chine,简称“TBM”)。首次试掘成功的隧道掘进机,诞生于1881、1883年,到现在已一个多世纪。目前,己经发展成大断面(直径10m以上)的带有激光导向和随机支护装置的先进的掘进机,机械化程度大大提高,加上辅助的通风除尘装置,使工作环境得到很大改善。拟于2002年10月开工的圣歌达山底铁路隧道将是世界上最长的铁路隧道,全长ZX57km;我国现在最长的

8、隧道是秦岭铁路隧道,全长2xl8.456km,这两座隧道都是采用TBM施工的,另外我国拟建的长达16km的秦岭公路隧道,也准备采用此种施工方法。隧道工程的专门著作,可能要推1556年德国人乔治·GeogeBauer)所著的采矿冶炼手册(DeReMetallica)为最早,虽然那时还没有用火药开矿。地层压力的研究开始于十四世纪。此后随着采矿和隧道工程的发展,地层压力理论也在相应的发展着。这种研究基本沿两个方向进行。一个是把地层视为松散构造的散粒体理论,另一个是把地层视为连续弹性体的弹塑性理论。近百年来,从理论上和工程实践中对地层压力进行了极广泛的研究,获得了不少成果,但仍未得到系统、圆

9、满、严密的理论。一百多年以前,普氏(flpoT。;、。H。)以均质松散体为基础,5,提出了地层压力的计算方法,但他把岩石假定为松散体,并把复杂的岩体之间的联系用一个似摩擦系数描写,显然过于粗糙,在工程实践中也常常出现失败的情况。不过,直到现在普氏理论还在使用着,因为这个方法比较简单。我国著名学者陈宗基教授6,在1958年首次把岩石力学作为一门边缘学科来发展,过去基本上是把岩石作为材料进行研究的。他强调必须以力学的观点,以地质为基础来解决工程实际问题。在研究中,既要重视岩石的变形强度特征、结构关系的理论研究,又要解决工程实际提出的各种问题,并指出现场试验与室内试验是相辅相成和不可分割的,强调问题

10、的关键在于要有正确的概念。他最先引用流变理论研究岩石的流变特性,指出即使在坚硬岩石中修建地下洞室,也要考虑流变对长期稳定的影响。还从板块运动、地应力的产生,分析了对高地应力地区工程建设的影响,用封闭地应力的概念解释了工程中各种特殊现象,如岩爆等,还从微观结构分析了膨胀岩的破坏机制等。所有这些都给地下工程的研究、设计和施工以巨大的推动和提供了新的理论依据。新奥法6,(NewAustrianTunnellingMethod,简写为NATM)是奥地利学者腊布兹维奇(L.V.Rabcewicz)教授1948年提出的,从岩石力学观点出发,进行支护设计和施工时,把坑道周围岩体和各种支护结构作为一个完整支护

11、体系的新的支护理论和方法。它的要点是:围岩体和支护视为统一的承载结构体系,岩体是主要的承载单元;允许围岩产生局部应力松弛,也允许作为承载环的支护结构有限制的变形;通过试验、量测决定围岩体和支护结构的承载一变形一时间特性;按“预计的”围岩局部应力松弛选择开挖方法和支护结构;在施工中,通过对支护的量测、监视,修改设计,决定支护措施或二次衬砌。新奥法与传统的矿山法相比,更能结合实际地质条件。锚喷支护应配合光面爆破等控制爆破技术,使开挖断面轮廓平整、准确,便于锚喷成型,并减小回弹量;减轻爆破对围岩的松动破坏,维护围岩强度和自承能力,使其受力良好,并节省材料。因而,目前新奥法在世界各国的隧道工程中得到广

12、泛应用,但其理论尚不完善。1.2隧道支护体系的力学计算方法在隧道设计及计算方法中,有两种主要的理论分析方法,即:传统的结构力学方法61和近代的岩石力学方法【6】。1.2.1结构力学方法所谓的结构力学方法,就是给定荷载,荷载值与支撑的变形性质和承载能力无关,实质上是把支护结构与周围岩体分割开来,把岩体作为给定荷载,结构作为承载结构,即结构一荷载模式,这就是我们目前在衬砌计算中采用的,岩体的承载能力既考虑在给定荷载中,也考虑在支护结构和围岩之间的相互作用上(以抗力形式出现),即荷载一结构一弹性抗力模式。这种方法概念清晰,计算方便,目前被广泛采用。现在我国隧道设计规范就采用“荷载一结构一弹性抗力”模

13、式对衬砌结构进行计算,并结合“工程类比法”和监控量测进行修正。采用结构力学方法计算隧道的衬砌结构,首先要确定围岩的松动压力,在这方面,分别有普氏理论和泰沙基(K.Terzaghi)理论。我国规范采用的是统计法。1.2.2岩石力学方法岩石力学计算方法,就是把结构和周围岩体视为一体,作为共同的承载体系一即相互作用模式或岩体一结构模式。这是我们目前在隧道设计中力求采用和正在发展的方法。隧道修筑衬砌(含初期支护和二次衬砌)后,相当于在隧道周边施加一阻止隧道围岩变形的阻力,这种支护阻力的存在限制了隧道岩体的变形和位移,从而控制了岩体内塑性区的发展和应力变化,这就是支护结构的支护实质。由于支护阻力的存在,

14、也改变了周边岩体的承载条件,从而相应提高了岩体的承载能力。隧道是由岩体和支护结构组成的结构体系,荷载主要来自岩体,而这种结构体系的主要材料是由绝大部分的岩体构成的,混凝土及其他支护材料只占很小部分。因此,岩体既是承载结构的一个重要组成部分,也是构成承载结构的基本的建筑材料,它既是承受一定荷载的结构体,又是造成荷载的主要来源,这种三位荷载、材料、承载单元)一体的特征与地面工程是完全不同的。长期以来,我们并没有充分地考虑和认识到岩体的这些作用一一即作为承载体的结构作用;作为材料的工程性质以及作为荷载的主要效应,而把重点放在支护结构的设计和计算上,这显然是不恰当的。依靠结构和岩体之间的相互作用,关于

15、隧道支护体系的岩石力学计算方法,目前得到应用的主要有特征曲线法、剪切滑移破坏法和数值分析法。1.2.2.1特征曲线法特征曲线法也称收敛一约束法,它的实质是:决定隧道衬砌的变形特征曲线;决定岩体的变形特征曲线;建立和求解隧道衬砌在岩体产生的荷载作用下的变形和岩体在衬砌反作用的阻止下变形之间的协调平衡。这个方法主要决定于两个特征曲线,一个是围岩收敛曲线,它的确定与岩体的强度性质,应力一应变动态及隧道的初应力场等有关;一个是支护结构的约束曲线,它主要决定于支护结构的刚度、材料性质及支护类型。远在30年代,Fenner、Mohr等人就曾提出用特征曲线的图解求解支护压力的问题,但由于当时岩体力学的知识水

16、平以及量测技术的限制并未获得实际应用。1978年在法国巴黎,由法国隧道协会组织了一次专门讨论应用“收敛一约束法”,即特征曲线法计算隧道支护体系的学术会议。会议一致认为:这个方法是有发展前途的,它的应用不仅引进了岩体力学的基本成果,也改变了过去一直沿用的传统的结构力学的计算模式,因而引起了各方面的广泛注意。目前这个方法的实际应用虽然得到一定发展,但在许多方面还是受限制的,还有许多问题急待解决,因此,这个方法还是不完善的。Seeber在设计奥地利的阿尔贝格隧道(长14km)时,第一次采用特征曲线法迅速地评定施工期间的支护措施以及评定最终的承载能力,取得了很大的成功。1.2.2.2剪切滑移破坏法19

17、66年Rabcewicz进行的模拟试验说明柔性支护破坏的主要形态是剪切破坏,当然,这种破坏还和岩体破坏的形态有关。剪切滑移法进行支护结构设计是按下述原则进行的:隧道周围出现塑性滑移楔体,造成支护结构的剪切破坏;支护结构与围岩粘结紧密,两者共同工作,形成无弯矩结构;由锚杆、钢支撑、喷混凝土等所提供的支护阻力恰恰与塑性滑移楔体之滑移力达成平衡时所需要的。剪切滑移破坏法是以构造岩体破坏形态决定支护体系承载能力的,方法简单。但这种简化不是从空洞的推理而来的,而是通过对工程破坏的考察和模型试验结构提出的,在实践中获得较广泛的应用。1.2.2.3数值分析法数值分析法主要指有限元法,它对分析整个支护体系的稳

18、定性具有重要的理论意义,可以考虑较多的初始条件和岩体及支护结构的特征,如无拉分析、粘弹性分析、三维的空间效应分析等。但这些分析都是在一定的前提下进行的,只有前提是正确的或者是可以接受的,计算结果才可能是值得信赖的。数值方法中还包括边界元法和加权余量(残数)法,但有限元法得到的应用较为广泛。近年来,数值分析理论和方法受到很多学者的关注,也得到极大的发展,如快速拉格朗日有限差分数值方法2(FastLanguageAnazysis。feontinua,简称“FLAC”法),FLAC程序中采用多种类型的力学本构模型,如摩尔一库仑弹塑性模型、应变硬化/软化模型、节理模型等来模拟非线性、大变形及不可逆等地

19、质材料的变形特征,还可以采用梁、锚杆、桩及支柱单元,模拟支护结构。目前,数值分析已在很多复杂的地下工程设计中得到应用。1.3我国隧道工程的设计现状截止到2002年10月,我国己有铁路隧道6876座,总长度为3670公里,居世界第一;公路隧道总数已达1782座,总长度704公里,分别是改革开放之初的4.7倍和13.5倍,是世界上隧道和地下工程最多、最复杂、发展最快的国家。我国隧道设计推荐采用荷载一结构一弹性抗力模式门的结构力学计算方法,同时规范中也允许采用弹塑性数值解法或近似解析法进行计算,但都需结合工程类比法和监控量测进行修正。我国公路隧道设计中关于深埋隧道的围岩压力是直接采用原铁路隧道规范2

20、,给定的围岩压力计算公式,虽经可行性分析结论是肯定的,但应看到公路隧道围岩压力的计算有明显的不足之处。公路隧道与铁路隧道相比,在限界、跨度、高跨比等方面有其自身的特点,铁路隧道经验公式是通过对127座单线铁路隧道的417个塌方资料的统计分析,以5m为基本跨度整理而成的,这与普通公路隧道的sm基本跨度差数较大,而与高速公路隧道的10m的基本跨度更相差达一倍。虽然公路隧道规范中规定的围岩压力计算经验公式的适用跨度可以达到15m,但其可靠性仍值得推敲。对于跨度超过15m的隧道(常称大跨度隧道),应该说,目前的规范已不具备指导性,不管是理论计算上还是施工要求上,这也严重制约了越来越多的大跨度隧道的设计和施工,是当前隧道设计上急待解决的问题。目前,我国已设计完成并竣工的大跨度公路隧道还很少,如贵州省凯里市的大阁山隧道,市政道路四车道隧道,长496m,最大开挖宽度为21.04m,最大开挖高度为n.45m,高跨比为0.544;杭州市的三车道高速公路黄鹤山隧道,最大开挖宽度为16.368m,最大开挖高度为n.64m,高跨比为0.711,隧道断面设计为三心圆曲墙,左右线平均长度为1.4km。铁路隧道方面,目前跨度较大的是位于云南省大关县的内昆线三线铁路车站隧道一曾家坪一号隧道4,全长2563m,其中有269米为三线隧道,最大开挖宽