隧道项目申报书

1、PAGE PAGE 11项目申报报书项目名称称：浅埋偏压压隧道爆破破开挖与监控技术术研究单位：北京市公公路桥梁梁建设集集团有限限公司北京工业业大学起止时间间：20099年12月至至20111年08月浅埋偏压压隧道爆爆破开挖挖与监控控技术研研究一、立项项依据 研究意意义：近几年年来，随随着国家家加强对对基础设设施建设设的投入入，我国国公路交交通建设设得到了了迅猛发发展，公公路隧道道特别是是长大隧隧道建设设与研究究取得了了长足的的进步。目前，我国已已经成为为世界上上隧道工工程数量量最多、最复杂杂、发展展最快的的国家。另一方方面，随随着公路路建设规规模的不不断扩大大，公路路等级的的不断提提高，以以及

2、我国国公路建建设的重重点逐步步向多山山、多丘丘岭的地地区转移移，所带带来的环环境地质质灾害问问题日益益突出。为了控控制山区区公路建建设所造造成的地地质灾害害问题，保护公公路沿线线的生态态环境，大量的的深挖路路堑改为为隧道施施工，如如密兴路路火郎峪峪隧道工工程、1108国国道南村村隧道和和岢萝坨坨隧道、八达岭岭过境线线青龙桥桥隧道，延庆西西铁路瓦瓦庙隧道道，以及及刚刚建建成通车车的京承承三期高高速公路路隧道工工程等。作为“带状”工程的的山区公公路隧道道建设，必将跨跨越各种种不同的的地形、地质区区域，如如果勘察察不祥、设计不不合理、施工与与监控技技术落后后，无疑疑会带来来诸多的的地质灾灾害。目前，

3、国国内外山山岭隧道道开挖大大多采用用钻爆法法进行施施工。同同人工开开挖相比比，钻爆爆法有着着施工速速度快、施工安安全和人人力资源源消耗少少的优点点；同隧隧道掘进进机相比比，钻爆爆法又有有着适应应能力强强，施工工成本低低廉的显显著优点点。工程程实践表表明，钻钻爆法作作为一种种安全、经济、快速有有效的施施工方法法，已被被广泛应应用于国国内外山山岭重丘丘区公路路隧道的的开挖施施工中；另一方方面，由由于爆炸炸荷载的的冲击作作用，隧隧道的爆爆破开挖挖必将对对围岩、衬砌以以及周边边建(构构)筑物物等造成成不同程程度的影影响(特别是是浅埋偏偏压隧道道)，如如因爆破破振动引引起隧道道塌方、地表的的不均匀匀沉降

4、、临近建建(构)筑物的的破坏等等。因此此，开展展山岭重重丘区公公路隧道道特特别是浅浅埋偏压压隧道爆爆破开挖挖技术的的研究，探索隧隧道建设设与地质质环境、周边环环境之间间的相互互关系、相互作作用，以以及由此此产生或或诱发的的隧道各各类病害害，从而而提出合合理的控控制技术术措施，具有重重要的现现实意义义。 研究概概况：山山岭隧道道掘进爆爆破开挖挖以及相相关问题题的研究究，目前前主要集集中在如如下几个个方面：1、隧道道洞口仰仰坡及边边坡稳定定性研究究洞口是隧隧道进出出口的咽咽喉，同同时也是是整个隧隧道施工工的薄弱弱环节。洞口的的安全，关系到到隧道能能否顺利利进洞并并进行安安全施工工。大量量的工程程经

5、验表表明，洞洞口段地地质条件件复杂，多为风风化严重重的堆积积物或破破碎岩体体，且覆覆盖岩层层较薄，施工时时容易造造成洞口口段仰坡坡及边坡坡的失稳稳，严重重时产生生滑动和和坍塌。另外，对于岩岩质隧道道，目前前90%以上采采用钻爆爆法施工工，爆炸炸荷载作作用产生生的振动动对浅埋埋、偏压压隧道洞洞口段的的稳定影影响极大大。随着公路路隧道工工程的大大量建设设，隧道道洞口仰仰坡及边边坡暴露露的问题题越来越越多，已已引起隧隧道设计计、施工工以及科科研部门门的重视视。综合合隧道洞洞口仰坡坡及边坡坡稳定性性研究成成果，目目前大多多从传统统的边坡坡稳定性性分析出出发，探探讨隧道道开挖对对边坡滑滑动面的的影响，同

6、时考考虑地表表、洞口口预加固固措施，并通过过位移或或变形观观测来分分析和判判断边坡坡的稳定定性、地地表的沉沉降等。这些研研究大多多局限于于隧道洞洞口段仰仰坡及边边坡的静静力稳定定分析，而对钻钻爆法施施工时，爆破振振动对隧隧道洞口口边坡的的动力稳稳定、衬衬砌以及及周边建建（构）筑物的的影响和和破坏规规律研究究较少，或未能能进行较较为系统统的研究究。2、隧道道开挖爆爆破设计计专家系系统与爆爆破振动动效应研研究随着公路路工程的的建设，隧道已已成为山山区公路路建设中中必不可可缺少的的重要组组成部分分，受山山区地形形的约束束以及公公路线形形的要求求，小间间距隧道道越来越越多。伴伴随小间间距隧道道的出现现

7、，隧道道爆破施施工对临临洞稳定定及衬砌砌安全的的影响变变得不容容忽视；随着大大跨度隧道道的不断断出现，在围岩岩情况较较好的条条件下，隧道采采用全断断面或台台阶法施施工时，往往一一次爆破破药量较较大，这这时的爆破振振动对周周边环境境的影响响将急剧剧增大。隧道开挖挖爆破技技术经过过多年的的发展，基本上上能够满满足隧道道施工和和安全的的需要，也是当当前隧道道施工中中应用最最多的一一种方法法。但是是，随着着隧道开开挖技术术的发展展，传统统的人工工隧道爆爆破设计计方法已已不能满满足施工工需要，开发可可靠的隧隧道爆破破设计智智能系统统，用计计算机进进行爆破破设计是是隧道爆爆破施工工技术的的重要发发展方向向

8、之一。然而，现有的的隧道爆爆破设计计系统都都是通过过CADD软件实实现炮孔孔布置图图、起爆爆网络图图、装药药结构图图、设计计说明书书绘制与与打印，爆破设设计尚不能根根据围岩岩特性的的不同进进行自适适应布置置，设计中中的人为为因素较较多。对于浅埋埋山岭隧隧道的爆爆破开挖挖，爆破参参数的选选择与控控制将直直接影响响到地表表、围岩岩以及支护护结构的的稳定性性。如何何最大限限度提高高掘进速速度，同时有有效地保保证围岩岩的安全全稳定，是目前隧道道施工过过程中亟亟待解决决的关键键技术问问题。另另一方面面，隧道道开挖爆破破震动效效应(危危害)研研究，目目前主要要集中在在隧道爆爆破开挖挖的地表表震动效效应、爆

9、爆破震动动对围岩岩和衬砌砌结构的的影响、连拱隧隧道中墙墙稳定、新建隧隧道爆破破对既有有隧道以以及临近近建(构构)筑的影响响等方面面。虽然然许多研研究工作作者针对对不同的的研究重重点，从从多方面面对隧道道爆破震震动效应应问题展展开了大大量的研研究工作作，但目目前隧道道爆破震震动效应应的研究究工作远远远落后于于工程实实践，特特别是浅浅埋偏压压隧道爆爆破开挖挖以及振动动危害的控制研究究。3、隧道道开挖地地质超前前预报技技术作为隐蔽蔽工程的的公路隧隧道在施施工过程程中，由由于前方方地质情情况不明明，经常常会因遇遇到断层层、破碎碎带、溶溶洞等不不良地质质体而导导致塌方方、泥石石流、突突水等地地质灾害害发

10、生。这些灾灾害的出出现，往往往会影影响施工工进度，带来严严重的经经济损失失。隧道道地质超超前预报报在隧道道施工开开挖中起起着关键键性作用用。目前前，我国用用于隧道道地质超超前预报报的方法法很多，主要有有隧道地地震超前前预报系系统(TTSP)、探地地雷达(GPRR)法、水平声声波剖面面(HSSP)法法、陆地地声纳法法、超前前钻孔法法和超前前平导法法几种。经过多多年的发发展，在在隧道施施工地质质预报的的方法技技术上和和实践上上有很好好的进展展。但是是，由于地质质情况复复杂多变变，目前的的技术还还不能完完全适应应隧道施施工建设设的需要要。如何利用用新的数数学模型型和实验验平台，对接收收到的来来自隧道

11、道掌子面面前方复复杂围岩岩介质的的反射回回波信号号进行正正反演数数值模拟拟分析，同时运运用现代代信号分分析与处处理技术术（如小波波分析、神经网网络等）对接收收信号进进行全参参数非线线性反演演处理，提取所所需的多多参数信信息，推断隧隧道掌子子面前方方复杂围围岩介质质的几何何特性参数数和力学学参数。同时开开发三维维可视化化的隧道道安全立立体预测测预警系系统，在现有有条件下下以TSPP法进行行中长距距离预测测，以地质质雷达法法进行短短距离的的精细预预测；地表探探测结果果与隧道道掌子面面探测结结果形成成隧道的的三维立立体预测测体系，并建立立隧道安安全管理理智能数数据库，以便对对隧道掘掘进过程程中出现现

12、的安全全险情随随时进行行动态监监控，同时又又为设计计和安全全施工提提供更好好的保证证体系。4、隧道道施工监监控与反反分析新奥法施施工的基基本原则则可以归归纳为“少扰动动、早支支护、勤勤量测、紧封闭闭”其中中勤量测测更成为为新奥法法施工中中的重点点，施工工监控不不断的收收集地质质条件及及施工中中的信息息，并反反馈到设设计进行行指导施施工，达达到工程程建设优优化的目目的。隧隧道施工工监控的的内容涵涵盖了隧隧道围岩岩支护护结构体体系的各各个方面面，包括括位移、应力、应变、压力等等，具体体的测量量项目有有：工作作面地质质观察、隧道拱拱顶下沉沉、洞周周收敛、地表下下降、围围岩内部部位移、围岩应应力、支支

13、护结构构压力、锚杆轴轴力和抗抗拔力等等。而观观测的主主要目的的是及时时获得围围岩和支支护结构构受力与与变形的的动态信信息，分分析其变变化趋势势来评价价围岩稳稳定性和和支护系系统可靠靠性，同时将将量测数数据与反反分析技技术结合合起来，以期更更全面、真实地地反映围围岩性态态，并对对隧道稳稳定性进进行预测测。我国隧道道施工监监控及围围岩参数数反分析析，大都都致力于于对围岩岩各项弹弹塑性参参数及初初始应力力进行反反算。由由于洞内内及地表表位移量量测方便便，目前前对反分分析的研研究主要要集中在在位移的的反分析析上，并并对围岩岩参数及及初始应应力进行行推算，然后分分析预测测隧道稳稳定性及及变形。另外，在地

14、质质条件较较为复杂杂、围岩岩类别多多变的隧隧道施工工中，由于回回归分析析无法考考虑更多多的围岩岩信息将将受到相相当的限限制。如如何将信信息化反反演理论论引入到到隧道爆爆破开挖挖控制参参数反演演问题中中，以建立立隧道围围岩控制制爆破参参数的反反演模型型，并将其其用于隧隧道开挖挖中，爆破控控制参数数的适时时在线反反演，不断优优化爆破破设计参参数，实现隧隧道掘进进的动态态信息化化实施，这方面面的研究究对隧道道施工有有着切实实的意义义。综上所述述，目前前关于山山岭隧道道施工，主要集集中在隧隧道洞口口段稳定定性研究究、隧道道掘进爆爆破及其其振动效效应、隧隧道开挖挖地质超超前预报报技术、隧道施施工监控控与

15、反分分析等方方面。在在山岭隧隧道的爆爆破开挖挖过程中中，爆破破参数的的设计与与施工方方法的选选择将直直接影响响到隧道道围岩以以及支护护结构的的稳定性性，同时时也影响响到隧道道爆破掘掘进的速速度；对对于浅埋埋、偏压压隧道，爆破参参数的控控制将直直接影响响到地表表的沉降降、隧道道施工的的安全。如何在在隧道开开挖过程程中有效效地破碎碎岩石、最大限限度地提提高掘进进速度，同时控控制爆破破振动的的有害效效应，确确保围岩岩的稳定性，则是是目前浅浅埋、偏偏压隧道道钻爆法法施工过过程中亟亟待解决决的关键键技术问问题。二、研究究内容依托工程程概况密兴路改改建工程程火郎峪峪隧道，设计公公路等级级为二级级公路，隧道

16、建建筑净宽宽10.5m，限高55.0mm, 隧隧道全长长6188m。隧道场地地地形起起伏大，进口处处最低标标高为2238.52mm，山脊脊最高处处标高为为2977.211m，相相对高差差达58.7m，为构造造低山剥剥蚀地貌貌(如图1、图2)。场区岩体体多为强强风化、中风化化斜长浅浅粒岩、片麻岩岩，完整性性差、节节理裂隙隙发育，其中隧隧道进口口段(KK10+2155K223+3332)、出口口(K110+7727K100+8333)为为V级围围岩，占占全隧总总长的336.11；洞洞身(KK10+3322K110+7727)为级级围岩，占全隧隧总长的的63.9；隧道埋深深，进出口口段最小小埋深仅仅

17、为4 m，且且为偏压压隧道(如图1)，山脊最最高处埋埋深约50mm，其余埋埋深在115255 m。研究背景景工程火郎郎峪隧道道，地质质条件复复杂，多多为强风风化、中中风化变变质岩，且为浅浅埋、偏偏压隧道道。图1 火火郎峪隧隧道浅浅埋、偏压图2火郎郎峪隧道道地质剖剖面图 主要研研究内容容基于依托托工程密兴兴路火郎郎峪隧道道浅埋、偏压且且围岩地地质条件件差的特点点，项目目研究主主要开展展如下几几个方面面的工作作：1、浅埋埋偏压隧隧道洞口口段开挖挖动力稳稳定性分分析基于火郎郎峪隧道道进出口明挖挖段和浅浅埋段存存在高边边坡偏压压结构、围岩压压力分布布不均、地质条条件差、施工难难度大的的特点，在现场监监

18、测（包包括地表表沉降、坡顶位移、拱顶下下沉、洞洞周收敛敛、地质质超前预预报、爆爆破振动动以及结结构动力力响应等等）、三维数数值模拟拟的基础础上，系统研研究隧道道爆破开开挖过程程中洞口口边坡、洞口段和衬砌砌结构的的动力稳稳定性和和安全性性，提出出浅埋、偏压隧隧道合理理的施工工工艺、钻爆参参数和支护结结构形式式。2、浅埋埋偏压隧隧道施工工多元信信息自动动监控系系统研究究结合现代代遥测(无线)技术，把选测测断面传传感器(频率类类、电压压电流类类、开关关量类、数字类类等)数据采采集、三三维激光光扫描、地质超超前预报报、爆破破振动监监测以及及可视化化(视频)监控融融合在一一起，实实现隧道道施工掌掌子面可

19、可视化实实时显示示与分析析、隧道道施工监监测(控)自动化化数据采采集与分分析，形形成隧道道施工多多元信息息监测(控)系统，确保复复杂围岩岩地质条条件下隧隧道施工工安全。3、浅埋埋偏压隧道道开挖爆破破及其振振动规律律研究根据围岩岩物理力力学性质质和浅埋埋偏压隧隧道地形形地质条条件，结结合隧道道施工多多元信息息监控系系统研究究，系统统研究不不同围岩岩条件、不同施施工工艺艺下，浅浅埋（偏偏压）隧隧道爆破破开挖及及其振动动特征（频率、振幅、作用时时间和振振动速度度等）、传播规规律、振动效应应（危害）与爆破破条件的的相互关关系和规规律性。4、隧道道开挖爆破破设计智能能系统开开发结合现代代监测技技术与隧隧

20、道爆破破理论分分析，开开发一套套适宜浅埋埋偏压隧隧道开挖挖爆破设计智能系系统，实实现不同同围岩级级别、不不同施工工方法隧隧道爆破破开挖数数字化、精确化化设计。5、浅埋埋偏压隧道道爆破开开挖关键键技术研研究基于隧道道施工系系统监测测、现场场试验研研究、爆破设计计智能系系统开发发以及动动力有限限元分析析，优化化爆破参参数；系统提出出控制浅浅埋偏压压隧道爆爆破破岩岩效果，同时降降低爆破破振动对地表、围岩、衬砌结结构以及及周边环环境影响响的有效效途径和和方法；集成浅浅埋、偏偏压隧道道爆破开开挖关键键技术及及工法，并在火火郎峪隧隧道工程程中应用用。 预期突突破和创创新1、浅埋埋偏压隧隧道施工工多元信信息

21、自动动监控系系统的开开发研究究；2、浅埋埋偏压隧隧道开挖挖爆破设计智能系系统研发，实现不不同围岩岩级别、不同施施工方法法隧道爆爆破数字字化、精精确化设设计；3、复杂杂地质条条件下浅浅埋偏压压隧道爆爆破开挖挖关键技技术；4、浅埋埋偏压隧隧道爆破破开挖施施工工法法。三、研究究方案 研究方方法采用室内内外实验验、系统统监测、理论分分析、数数值模拟拟与依托托工程密兴兴路改建建工程火火郎峪隧隧道开挖挖相结合合的方法法。 研究思思路1、针对对北京及及周边地地区山岭岭隧道（已建、拟建）的区域域地质特特征的调调查，深深入了解解、认识识区域地地质以及及局部地地质构造造特征；重点研研究隧道道开挖过过程中直直接产生

22、生或可能能诱发的的地质灾灾害，特特别是爆爆破开挖挖对浅埋埋、偏压压隧道及及洞口边边坡稳定定性的影影响。2、依托托项目研研究背景景工程密兴兴路改建建工程火火郎峪隧隧道浅埋埋、偏压压洞口段段爆破开开挖施工工，在现现场施工工监测、三维数数值模拟拟分析的的基础上上，对隧隧道洞口口段爆破破开挖动动力反应应与稳定定性进行行分析，提出浅浅埋、偏偏压隧道道洞口段段施工合合理的钻钻爆施工工参数与与支护结结构形式式。3、基于于现代无无线技术术与检测测技术，把三维维激光扫扫描、各各种数据据采集（包括隧隧道拱顶顶下沉、洞周收收敛、地地表沉降降、围岩岩应力、支护结结构压力力、锚杆杆轴力和和抗拔力力、爆破破振动、地质超超

23、前预报报等）、施工管管理以及及视频监监控有效效结合在在一起，实现隧隧道施工工掌子面面可视化化（图像像）实时时显示与与分析、隧道施施工监测测（控）自动化化数据采采集与分分析，完完成隧道道施工多多元信息息自动控控制系统统的研发发，为复复杂围岩岩地质条条件下隧隧道安全全施工提提供技术术支撑。4、结合合隧道施施工多元元信息监监测，系系统研究究不同级级别围岩岩、不同同施工工工艺条件件下浅埋埋隧道爆爆破开挖挖及其振振动效应应；开发发一套隧隧道爆破破开挖智智能专家家系统，实现不不同地质质条件、不同施施工方法法隧道爆爆破开挖挖数字化化、精确确化设计计。5、在上上述研究究的基础础上，系系统提出出控制隧隧道爆破破

24、破岩效效果，同同时降低低爆破振振动对围围岩、支支护结构构以及周周边环境境影响的的有效途途径和方方法，同同时集成成浅埋隧隧道穿越越强风化化变质岩岩爆破开挖挖关键技技术及工工法，确确保复杂杂围岩地地质条件件下隧道道施工安安全，并并在典型型工程中中应用。四、研究究计划与与阶段成成果 研究工工作进度度计划20100.04420110.0071、依托托背景工工程密兴路路改建工工程火郎郎峪隧道道爆破开开挖施工工，开展展浅埋偏偏压隧道道洞口段段开挖动动力稳定定性、隧隧道洞口口段爆破破开挖与与振动监监测；初初步得出出提出浅浅埋、偏偏压隧道道施工合合理的钻钻爆施工工参数；2、初步步完成隧隧道施工工监控系系统的研研发并开开始在现现场试验验；3、隧道道爆破开开挖设计计智能专专家系统统开发研研究调研研、启动动；2010