分岔隧道设计施工关键技术研究

1、分岔隧道设计施工关键技术研究报告简本分岔隧道设计施工关键技术研究报告简本1. 项目基本情况沪蓉国道道主干线线湖北省省境内宜昌至至恩施段段高速公公路为我我国最早早规划的的“两纵纵两横”国道主主干线中中的最后后还未贯贯通路段段。于220044年5月月全面开开工建设设，工程程将于220077年底全全面建成成。由于于该工程程穿过的的区域多多为崇山山峻岭的的山区，地形地地质条件件极为复复杂，在在工程建设设中遇到到了前所所未有的的难题。为适应多多变的地地形和地质条条件，隧隧道设计计中采用用新的结结构型式式分岔岔隧道：即一端端洞口为为四车道道大拱，另一端端洞口为为上下行行分离隧隧道。宜宜昌至恩恩施段设设置分

2、岔岔隧道的的主要原原因是：一方面面为了跨跨越四渡渡河、支支井河等等高深峡峡谷型河河流，桥桥梁单孔孔跨度均均在4000米以以上，左左右幅桥桥均必须须建造为为整体型型式，另另一方面面由于桥桥梁紧接接隧道，两者之之间缺少少足够的的过渡路路基，因因此紧邻邻桥梁一一端的洞洞口必须须设置为为连拱隧隧道甚至至四车道道大拱，而桥梁梁两端的的隧道又又较长，全部隧隧道设置置为连拱拱隧道又又不太经经济，在在隧道内内有必要要将左右右洞室逐逐渐分离离，这样样就形成成了分岔岔隧道。分岔隧隧道是在在复杂地地形地质质条件下下建设高高速公路路山岭隧隧道的大大胆创新新，不仅仅大大拓拓宽了山山区公路路隧道工工程的设设计理念念，而且

3、且使公路路浅埋大大跨隧道道的设计计与施工工的技术术得到了了较大提提升和发发展。通过数值值模拟、室内物物理模型型实验和和工程现现场测试试相结合合的方法法，对分岔岔式隧道道的施工工工法、岩柱厚厚度、衬衬砌支护护时机、支护结结构的可可靠度以以及考虑虑隧道局局部循环环风影响响的流体体动力学学以及通通风工艺艺等方面面进行深深入细致致的研究究，提出出切实可可行的工工程技术术措施和和隧道稳稳定性评评价体系系保证工工程的长长期稳定定性。同时还编制了分岔隧隧道的设设计施工工技术指指南，重点依依托八字字岭、庙庙垭和漆漆树槽分分岔隧道道开展研研究，其其中八字字岭隧道道是研究究重点，自20004年年4月开开始至200

4、07年66月止，历时33年。2.依托托工程实实施情况况八字岭隧隧道位于于宜昌市市长阳县县恩施土土家族苗苗族自治治州的巴巴东县境境内，起起讫桩号号左线(ZK996+7750K1000+2290)，长335400m，右右线YKK96+7300K1100+2900，长335600m。隧隧道平面面线型左左线为左左偏半径径R=225000m的圆圆曲线接接直线接接右偏半半径R=90000m的的圆曲线线接直线线，右线线为左偏偏半径RR=25500mm的圆曲曲线接直直线接右右偏半径径R=880000m的圆圆曲线接接直线。左、右右线纵坡坡均为22.4单向上上坡。隧隧道最大大埋深约约为3990m。隧道进进出口均均

5、为端墙墙式洞门门。图1 八字岭岭分岔隧隧道示意意图3. 主主要研究究内容根据分岔岔隧道设设计与施施工的特特点，本本课题结结合八字字岭隧道道，共分分成三个个专题进进行研究究，重点点具体研研究内容容如下：专题一：分岔隧隧道设计计关键技技术研究究通过现场场监控量量测、模模型试验验、非线线性有限限元数值值分析等等方法，研究四四车道大大拱隧道道、连拱拱中隔墙墙、小净净距岩柱柱的最小小宽度及及围岩的的支护参参数等关关键指标标。专题二：分岔隧隧道施工工关键技技术研究究通过模型型试验、非线性性有限元元数值分分析等方方法，研研究四车车道大拱拱隧道、连拱隧隧道、小小净距隧隧道的合合理施工工方法，通过对对现场的的监

6、测结结果反馈馈分析和和数值分分析，提提出八字字岭隧道道的合理理工法和和控制围围岩振动动的爆破破参数。专题三：近距离离双洞隧隧道洞口口空气相相互影响响研究通过室内内模型试试验、现现场试验验和三维维数值仿仿真等方方法，研研究近距距离双洞洞隧道洞洞口空气气相互影影响以及及减小近近距离隧隧道通风风相互影影响的工工程技术术措施。4. 主主要研究究成果提出公路路分岔隧隧道的新新型结构构型式，丰富和和完善了了高速公公路线形形布置方方案，为为山区高高速公路路规划提提供新的的思路，对节约约土地资资源、节节能、工工程投资资等方面面具有显显著效益益。通过经验验类比和和数值计计算的方方法，提提出分岔岔隧道在在不同围围

7、岩条件件下的最最优施工工工序。对四车车道大拱拱的级围岩，建议采采用留岩岩柱方案案，级和级围岩建建议采用用上下台台阶法或或多步开开挖方案案，级围岩则则建议采采用全断断面一次次开挖的的方式。对连拱拱隧道的的级围岩，建议采采用三导导洞法，级围岩采采用三导导洞法，级围岩采用用中导洞洞全断面面法。级围岩，采用中中导洞全全断面法法。对小小间距隧隧道的级围岩，建议采采用上下下台阶与与正向侧侧壁导坑坑组合法法，级围岩采用用上下台台阶与正正向侧壁壁导坑组组合法。级围岩采采用上下下台阶法法，级围岩采采用全断断面爆破破法。并并将上述述工法直直接应用用到八字字岭、庙庙垭和漆漆树槽分分岔隧道道的开挖挖实践中中。图2八字

8、字岭分岔岔隧道三三维计算算模型图3大拱拱连拱过过渡段连连拱段中中导洞开开挖后围围岩最大大主应力力分布（MPaa）图4大拱拱连拱过过渡段连连拱段中中导洞开开挖后围围岩最小小主应力力分布（MPaa）图 5 小间距距和连拱拱过渡段段岩柱塑塑性区分分布图根据经验验类比法法提出的的不同围围岩级别别下的大大拱、连连拱和小小间距隧隧道的施施工工法法。通过对大大拱、连连拱、小小间距隧隧道以及及大拱和和连拱过过渡段与与连拱和和小间距距过渡段段的三维维数值计计算，大大拱段隧隧洞开挖挖后的围围岩应力力状态较较好，顶顶拱处围围岩仅出出现微小小的拉应应力区，隧洞底底板围岩岩在开挖挖结束时时有较大大的拉应应力，因因此建议

9、议开挖仰仰拱后施施作仰拱拱衬砌；隧洞围围岩产生生的位移移也不大大，顶拱拱处位移移最大时时不到33mm；施作的的中隔墙墙和二次次衬砌应应力水平平并不高高，中隔隔墙本身身未出现现塑性区区，建议议设计采采用无中中隔墙方方案；该该方案在在八字岭岭工程隧隧道大拱拱中应用用。根据据小间距距段岩柱柱间塑性性区贯通通的情况况锚杆可可采用对对穿预应应力锚杆杆，以增增强此围围岩区域域的应力力水平，抵抗围围岩过大大变形，级围岩建建议最小小岩柱厚厚度为22.5mm，级围岩的的最小岩岩柱宽度度可以考考虑为44.0mm。根据八字字岭分岔岔隧道的的现场顶顶拱下沉沉、收敛敛、锚杆杆轴力和和多点位位移计以以及衬砌砌和围岩岩的监

10、测测结果，采用基基于损伤伤力学的的裂隙岩岩体本构构模型，能能更真实实地反映映工程中中的裂隙隙岩体的的力学行行为。该该模型可可以较好好地反应应节理裂裂隙岩体体的材料料性能劣劣化、刚刚度退化化及损伤伤累积过过程等。并采用用等效损损伤力学学效应的的方法，对相应应的裂隙隙岩体的的受力变变形过程程进行了了数值模模拟，还还将混合合型模拟拟退火算算法嵌入入BP神神经网络络中，使使得这种种改进BBP网络络，不仅仅具有强强大的非非线性逼逼近能力力，同时时具有可可观的全全局寻优优的能力力，并利利用它对对分岔隧隧道围岩岩参数进进行反演演分析。计算结结果表明明：八字岭岭分岔隧隧道围岩岩小间距距段的围围岩力学学特性要要

11、弱于大大拱段，反演分分析的计计算结果果和工程程现场的的监测结结果比较较吻合。图6 现现场监控控量测图7 八字岭岭分岔隧隧道ZKK1000+1990断面面拱顶沉沉降时程程曲线在爆破作作用下，连拱段段中隔墙墙及上部部岩体和和隧道两两侧拱角角及边墙墙是主要要危险区区。连拱拱段在台台阶法开开挖过程程中，下下台阶的的底板眼眼爆破时时，爆破破震动最最大，这这与计算算结果相相吻合。台阶法法施工新新建隧道道时，下下台阶开开挖爆破破震动对对既有隧隧道稳定定性的影影响比上上台阶大大。连拱拱段爆破破时，建建议级围岩上上台阶开开挖爆破破最大单单段装药药量为44.0kkg，下台台阶为66.0kkg；建议议级围岩上上台阶

12、开开挖爆破破最大单单段装药药量为44.8kkg，下台台阶为77.0kkg。小间距段段爆破开开挖时，既有隧隧道衬砌砌在爆破破产生的的地震波波作用下下，应力力值将会会产生很很大改变变。迎爆爆侧应力力状态比比背爆侧侧高。对对于迎爆爆侧来说说，衬砌砌内侧与与外侧的的应力值值也会有有差别，由计算算结果可可知，迎迎爆侧衬衬砌内侧侧的主应应力比衬衬砌外侧侧大。随随着小间间距的增增大，两两隧道远远侧边墙墙底部的的压应力力集中逐逐渐减小小，而中中央岩柱柱底部的的压应力力集中值值不断增增大。建建议小间间距段级围岩不不采用全全断面开开挖施工工方法，级围岩在在全断面面开挖的的情况下下，最小小间距为为2.55m。对爆破

13、震震动监测测数据进进行了回回归分析析，监测测结果与与级围岩数数值计算算结果相相吻合，因此这这两个公公式今后后可用于于指导级围岩的的施工。垂直向 水平向 设计分岔岔隧道三三维模型型试验架架，研究究分岔隧隧道大拱拱与连拱拱过渡段段、连拱拱与小间间距隧道道过渡段段的围岩岩力学特特性，模模型试验验结果表表明：分分岔段隧隧道开挖挖对掌子子面前方方的扰动动影响大大约为335倍倍的洞径径范围，影响程程度沿开开挖方向向向前逐逐渐减弱弱。同时时由于开开挖掌子子面的空空间约束束效应, 掌子子面对其其后方已已开挖隧隧洞的洞洞周变形形具有约约束作用用，约束束效应沿沿远离掌掌子面的的后方方方向逐渐渐减弱，因此施施工中，

14、应充分分利用这这一特点点，为增增加围岩岩稳定，在隧道道开挖后后，及时时对围岩岩进行初初期喷锚锚网支护护。图8三三维模型型试验架架图9大拱拱-连拱拱过渡段段模型图图图10 洞周光光纤光栅栅应变传传感器埋埋设图11 高速静静态电阻阻应变仪仪测量系系统通过室内内三维模模型试验验和数值值计算，研究不不同隧道道间距、不同进进排风速速度隧道道的混风风过程的的三维数数值模拟拟，得到到循环风风的强弱弱取决于于排风隧隧道风速速、进风风隧道风风速和相相邻隧道道的间距距。其定定量关系系可以用用下式表表示：式中：QQ近距距离隧道道通风相相互影响响程度，D隧隧道间距距； 、 进进、排风风风速。在进风风风速一一定时加加大

15、排风风风速，混入进进风隧道道的污风风将迅速速减少，反之在在排风风风速一定定时加大大进风风风速则会会使混入入进风隧隧道的污污风迅速速增加，而进、排风速速同时改改变时只只要进排排风速比比不发生生变化，混风的的比例就就不会改改变。混混入进风风隧道的的风量占占排风隧隧道排出出污风的的比例是是随着隧隧道间距距的加大大而减少少的，在在隧道间间距大于于10mm时这一一比例已已经不足足5%。对八字字岭分岔岔隧道若若不修筑横横洞，其其污风吸吸入量将将达166%。图12污风混混入比例例与进排排风速比比曲线图图（间距距0.66m）图13 进、排风速速度同为为5m/ss，隧道道间距00.6mm，洞口口流场速速度云图图

16、图14 三维维隧道通通风模型型试验图15隧道间间距2.5m时时混风量量与（VV进/VV排）关关系图图16 漆树槽槽隧道循循环风试试验图 177无挡墙墙时通风风相互影影响理论论值、模模型试验验值与现现场实测测值对比比图提出减少少循环风风相互影影响的三三大技术术措施：一为错错开隧道道口，而而为在隧隧道口外外修筑中中隔墙，三维提提前修筑筑通风横横洞排放放污风流流。三维维数值计计算和模模型试验验的成果果均表明明：隧道道错开出出洞口的的方式效效果最好好。错开开隧道出出口段对对于减少少近距离离隧道通通风相互互影响是是十分有有效的，隧道间间距0.6m的的情况下下错开段段大于110m时时循环风风的现象象已经基

17、基本消失失，但是是对于修修建在崇崇山峻岭岭中的近近距离隧隧道来说说，某些些情况下下可能缺缺少足够够空间修修筑隔墙墙。图18 错开开隧道口口三维数数值计算算模型图19 加筑中中隔墙后后的三维维数值计计算模型型编制了分分岔隧道道设计施施工指南南。部分分成果已已经被纳纳入即将将出版的的隧道设设计细则则，研究究成果为为修编公路隧隧道设计计规范提供技技术依据据。5.经济济效益分分析（1）本本项研究究成果成成功地解解决了西西部特殊殊地形和和地质条条件下桥桥隧相连连地区隧隧道工程程设计与与施工中中的关键键技术难难题，丰丰富了高高速公路路线形布布置形式式，丰富富了隧道道结构型型式。（2）根根据近距距离隧道道通

18、风相相互影响响的研究究成果，提出的优化隧隧道的通通风方案案和减小小循环风风相互影影响的工工程措施施，可以有有效地降降低隧道道循环风风的影响响，并对对隧道通通风方案案进行变变更，确确保了隧隧道施工工技术方方案的安安全性、经济性性和合理理性。（3）通通过现场场监测、室内试试验、理理论分析析，优化化并取消消了八字字岭隧道道原有的的三次衬衬砌，减减小了施工周周期和工工程的投投资；优优化小间间距段岩岩柱厚度度，及时时修改相相关设计计参数，为分岔岔隧道设设计和施施工中的的关键技技术难点点，提供供了进度度和质量量双重保保证。（4）形形成的浅浅埋大跨跨公路隧隧道和小小间距隧隧道稳定定性评价价方法，既丰富富和完善善岩土力力学的计计算理论论和方法法，又可可直接为为国内外外同类工工程借鉴鉴，具备备了良好好的应用用前景，为我国国西部交交通事业业可持续续发展、交通学学科发展展和人才才培养方方面产生生显著的的经济效效益。三三次衬砌砌的曲线线，一方方面可以以节约工工程成本本，还节节约施工工周期。（5）研研究成果果在依托托工程的的建设中中取得了了显著的的经济效效益和社社会效益益。不仅仅节省了了总体工工程投资资，还保保护了周周边生态态环境，提高了了衔接桥桥梁结构构的稳定定性。（6）累累计产生生经济效效益1亿亿6千万万元。5.已发发表的论论文和依依托